Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности вопроса и задачи исследования 13
1.1.Технологии подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников 13
1.1.1. Анализ технологических схем подготовки воздуха в зимний период года 14
1.1.2. Анализ технологии подготовки воздуха в летний период года 25
1.2. Существующие методы расчета систем воздухоподготовки на горных предприятиях 28
1.3. Цели и задачи исследования 35
2. Динамика воздушных потоков в воздухоподготовительном комплексе рудников 36
2.1. Динамика потоков в калориферных каналах, надшахтномздании и воздухоподающем стволе 38
2.2. Динамика воздушных потоков при подаче воздуха черездва калориферных канала, расположенных в одной вертикальной площади 42
2.3. Решение задачи определения аэродинамических параметров воздухоподготовительного комплекса 45
2.4. Выводы к главе 2 55
3. Исследование процессов теплообмена в системах подготовкиатмосферного воздуха для воздухоподающих стволов 56
3.1. Математическая модель теплообмена в системах воздухо-подготовки для рудников 58
3.2. Исследование компоновочных решений секций калориферных установок 62
3.3. Исследование теплообмена в системах воздухоподготовки при больших площадях еплообмена в однорядных калориферных установках 66
3.4. Выводы к главе 3 76
4. Осушение атмосферного воздуха, поступающего в рудник 77
4.1. Математическое описание процессов осушения воздуха в теплообменных аппаратах 78
4.2. Исследование процессов осушения атмосферного воздуха в теплообменных аппаратах 85
4.3. Влияние осушения в теплообменных аппаратах на выпадение влаги из рудничного воздуха в стволах и околоствольных выработках 91
4.4. Выводы к главе 4 96
5. Экспериментальные исследования процессов тепломассообменаи движения воздуха в калориферных установках и надшахтныхкомплексах 97
5.1. Исследования движения воздушных потоков и порядок расчета их аэродинамических характеристик в системах «ствол- надшахтное здание - калориферная» 97
5.1.1. Цель и задачи исследований 98
5.1.2. Методика проведения исследований движения воздушных потоков в системах «ствол - надшахтное здание - калориферная» 99
5.1.3. Методика расчёта аэродинамических характеристик участков воздушного тракта надшахтного комплекса.. 111
5.2. Исследования процессов теплообмена и теплопередачи воднорядных калориферных установках с большими площадями теплообмена 113
5.2.1. Цель и задачи исследований 114
5.2.2. Методика проведения исследований процессов теплообмена и теплопередачи в однорядных калориферных установках с большими площадями теплообмена 115
5.3. Результаты статистической обработки параметров воздухаи теплоносителя 120
5.3.1. Решение обратной задачи математической статистики 120
5.3.2. Результаты статистической обработки измерений на III секции калориферной установки системы воздухоподготовки РУ-4 ПО «Беларуськалий» 122
5.4. Выводы к главе 5 128
Заключение 129
Список использованной литературы 131
- Анализ технологии подготовки воздуха в летний период года
- Динамика воздушных потоков при подаче воздуха черездва калориферных канала, расположенных в одной вертикальной площади
- Математическая модель теплообмена в системах воздухо-подготовки для рудников
- Исследование процессов осушения атмосферного воздуха в теплообменных аппаратах
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие техники и технологии проходки выработок и ведения очистных работ в рудниках привели к тому, что на протяжении последних лет увеличилось количество проходимых горных выработок, увеличились размеры шахтных полей и количество добычных участков, находящихся в одновременной работе. В результате этого вентиляционные сети, включающие только выработки главных направлений и добычных участков, превратились в разветвленные и сложные. Все это повлияло на снижение аэродинамического сопротивления вентиляционных сетей и увеличение поступающего в рудник воздуха. Это привело к увеличению затрат на подготовку вентиляционного воздуха и появлению целого ряда осложнений при эксплуатации воздухоподающих стволов и горных выработок.
Увеличение количества подаваемого в рудники воздуха потребовало постановки новых задач исследований для разработки методов расчета, способов контроля, выбора средств управления подготовкой воздуха и воздухораспределения как основных инструментов нормализации рудничной атмосферы. Без решения этих задач невозможно создание надежных, высокоэффективных и экономичных вентиляционных сетей.
Воздух, подаваемый в холодный период года для обогрева ствола, необходимо нагревать до температуры, определенной правилами безопасности. Однако нагревать и подавать в рудник весь поток оказывается технологически сложнее, чем нагревать только какую-то его часть до более высокой температуры, а затем смешивать с холодным воздухом. Поэтому
6 обычно часть вентиляционного воздуха подается через надшахтное здание без нагрева, а часть с помощью вентиляторов через систему калориферов.
Большинство горных предприятий имеет мощные теплотехнические системы подогрева воздуха, капитальные затраты на сооружение которых составляют миллионы рублей, а расход дефицитных видов энергии до 3000 МВт в год. В общих затратах на добычу полезных ископаемых доля затрат, связанных с регулированием теплового режима, достигает 30%. При этом большой процент составляют потери тепловой энергии в надшахтных зданиях воздухоподающих стволов. Эти- потери вызваны применением нерациональной схемы подготовки и подачи воздуха в воздухоподающие стволы.
Анализ отопления шахтных стволов на ПО «Беларуськалий», АО «Урал-калий» и АО «Сильвинит» показал, что для обеспечения требуемых микроклиматических параметров в стволе и уменьшения потерь тепловой энергии в надшахтных зданиях необходимо увеличить количество воздуха, проходящего тепловую обработку или температуру воздуха на выходе из калориферов. Так как существующие вентиляторы больше не могут обеспечивать увеличение производительности, для обеспечения требуемой температуры в стволе, на действующих установках была увеличена температура воздуха на выходе из калориферов. Это привело к ухудшению смешивания потоков холодного и горячего воздуха в стволе; к размораживанию системы теплоснабжения калориферов во время минимальных температур атмосферного воздуха; к образованию тепловых утечек в системах подготовки и подачи воздуха.
Снизить температуру воздуха на выходе из калориферных установок можно увеличением количества обрабатываемого воздуха, то есть изменени-
ем соотношения воздушных потоков, поступающих через надшахтное здание и калориферную в ствол рудника. Однако существующие технологии подготовки воздуха не позволяют сделать это.
Цель работы. Разработка новых систем подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами рудничного воздуха для обеспечения здоровых и безопасных условий труда в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках.
Основная идея диссертационной работы заключается в создании системы воздухоподготовки на основе необходимого перераспределения потоков атмосферного воздуха в комплексе «ствол - надшахтное здание -калориферная» и совершенствовании процессов тепломассообмена в теплообменных аппаратах.
Основные задачи работы:
исследовать динамику воздушных потоков в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов и разработать технологические схемы, позволяющие обрабатывать максимальное количество воздуха в системах воздухоподготовки;
исследовать особенности процессов тепломассообмена в крупногабаритных калориферных установках при увеличении обрабатываемого количества воздуха и разработать методику расчета таких установок;
изучить влияние аэростатического давления на тепломассообмен в однорядных крупногабаритных теплообменных аппаратах;
разработать математическую модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах воздухоподготовки для управления процессами тепломассообмена в руднике;
провести экспериментальные исследования процессов тепломассообмена и движения воздуха в калориферных установках и надшахтных комплексах.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
создание параллельных дополнительных калориферных каналов дает возможность обрабатывать в калориферных установках максимальное количество воздуха за счет снижения аэродинамического сопротивления воздушного тракта на пути обрабатываемого воздуха и позволяет снизить тепловые потери и энергетические затраты на подготовку воздуха при подаче его в рудник;
оригинальная математическая модель процессов тепломассообмена в системах воздухоподготовки, основанная на определении текущих переменных параметров воздуха и теплоносителя в процессе теплообмена, позволяет рассчитывать и разрабатывать энергосберегающие системы обогрева шахтных стволов для скоростей воздуха, при которых существенное влияние оказывает аэростатическое давление;
система осушения атмосферного воздуха, основанная на нелинейности процессов тепломассообмена, позволяет управлять микроклиматическими параметрами в воздухоподающем стволе и в выработках околоствольных дворов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается большим объемом наблюдений, выполненных в натурных
условиях, а также соответствием приведенных результатов данным, полученными другими авторами. Научная новизна;
теоретически обоснована схема рационального распределения воздушных потоков в элементах поверхностного комплекса и разработана методика расчета их аэродинамических характеристик, позволяющая переводить системы воздухоподготовки на энергосберегающий безвентиляторный режим подачи воздуха в рудник;
создана математическая модель процессов тепломассообмена в нагревательных аппаратах с большими поверхностями нагрева при малом аэродинамическом сопротивлении и с учетом влияния градиента аэростатического давления в воздушном потоке;
разработана оригинальная методика расчета поверхностных теплообменников, заключающаяся в учете изменения теплотехнических параметров взаимодействующих сред при их перемещении вдоль пространственной координаты движения теплоносителя; _
создана математическая модель осушения воздуха в калориферных установках поверхностных комплексов шахтных воздухоподающих стволов, позволяющая описывать процессы тепломассообмена в теплый период года, отличающаяся тем, что описание процессов осушения и охлаждения воздуха выполняется с учетом выделения тепла при конденсации воздушных паров, которое идет на дополнительный нагрев воды.
Практическое значение и реализация результатов работы. Реализация результатов работы на этапах проектирования и эксплуатации калориферных установок позволяет исключить возможность обмерзания
стволов, повысить технико-экономические показатели калориферных установок и надежность функционирования технологического оборудования воздухоподающих стволов и околоствольных дворов за счет улучшения климатических условий, а также снизить уровень простудных заболеваний шахтеров.
Основные результаты выполненных исследований использованы при реконструкции калориферных установок воздухоподающих стволов №1 и №2 рудника 4 РУ и в проектах реконструкции калориферных установок воздухоподающих стволов рудников 1 и 2 РУ РУП «ПО «Беларуськалий».
Апробация работы. Отдельные разделы и материалы диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и безопасность» (Тула, 1999); на конференции «Научно-педагогическое наследие профессора И.И. Медведева» (Санкт-Петербург, 1999); на международной конференции «Проблемы безопасности и совершенствования горных работ» (Москва - Санкт-Петербург, 1999); на научных сессиях Горного института УрО РАН (Пермь, 1999, 2000, 2001, 2002). Основные положения диссертации докладывались на международной конференции (Пермь), на научной сессии Горного института УрО РАН (Пермь).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 научных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержание работы изложено на 143 страницах машинописного текста и содержит 17 рисунков, 3 таблицы, список использованной литературы состоит из 126 наименований.
11 Исходные материалы и личный вклад автора.
Диссертация отражает результаты исследований, проводящихся с 1997-го года по госбюджетной и договорной тематикам в Горном институте Уральского отделения Российской академии наук. Постановка и выполнение теоретических и экспериментальных исследований, изложенных в диссертации, произведены при непосредственном участии автора.
Практические эксперименты и внедрение исследований были бы невозможны без содействия руководителей и ведущих специалистов РУП "ПО "Беларуськалий": Кириенко В.М., Чужого В.Н., Вереснева СП., Микулы И.А., Сытько В.И.
Успешной работе над диссертацией способствовала творческая, доброжелательная атмосфера в коллективе и поддержка коллег.
Краткая характеристика содержания диссертационной работы.
Первая глава посвящена обзору современного состояния проблем изучения технологии подготовки воздуха в системах надшахтного комплекса.
Во второй главе описаны исследования динамики воздушных потоков в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов и разработаны технологические схемы, позволяющие обрабатывать максимальное количество воздуха в системах воздухоподготовки.
В третьей главе выполнены исследования особенностей процессов тепломассообмена в крупногабаритных калориферных установках при увеличении обрабатываемого количества воздуха и разработана методика расчета таких установок.
В четвертой главе разработана математическая модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах
воздухоподготовки для управления процессами тепломассообмена в рудниках в теплый период года.
В пятой главе описаны экспериментальные исследования процессов тепломассообмена и движения воздуха в калориферных установках и надшахтных комплексах рудников.
В заключении обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, и сформулированы основные выводы по диссертационной работе.
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Технологии подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников
Исследованиям технологии подготовки воздуха на горных предприятиях посвящены работы В.А. Шушпанникова [108, 109, ПО], А.Е. Красноштей-на [64, 65, 66], М.М. Шемаханова [106], Н.И. Карасёва [45, 56, 57, 58, 91], Ю.П. Ольховикова [59, 84], В.Б. Скрыпникова [21, 95, 96], В.Н. Скубы [97] и других учёных. Проведённые исследования- способствовали созданию разнообразных технологических схем подготовки воздуха в поверхностном комплексе рудников. Эти схемы отличаются как применяемым оборудованием, так и эффективностью реализации основной цели подготовки воздуха - обеспечения требуемых микроклиматических параметров рудничной атмосферы в воздухоподающих стволах и прилегающих выработках.
1.1.1. Анализ технологических схем подготовки воздуха
в зимний период года
В зимнее время попадание холодного воздуха в воздухоподающие стволы может вызвать их обмерзание. Опасность такого обмерзания заключается: в падении кусков льда при его оттаивании в ствол, в защемлении подъемных сосудов между проводниками, в обледенении ступенек и площадок лестничного отделения. Кроме того, при поступлении холодного воздуха по шурфам, не оборудованным подъемными устройствами, отложения льда сужают воздухоподающие выработки; периодическое обмерзание и оттаивание шахтной крепи оказывает вредное влияние на ее долговечность [72, 100]. Наконец, чрезмерно холодный воздух, поступающий в рудник, может вызвать простудные заболевания рабочих.
Все это заставляет подогревать воздух, поступающий в зимнее время в рудник. Согласно единым правилам безопасности температура подаваемого воздуха не должна быть ниже +2С [74, 94]. Однако для шахт и рудников районов Крайнего Севера такого обогрева воздухоподающих стволов не требуется. Так, при разработке россыпных месторождений в мерзлоте подогрев запрещается из опасения, что мерзлые породы при оттаивании станут неустойчивыми [36, 37, 38]. Известны случаи, когда в районах вечной мерзлоты после установки калориферов у воздухоподающих выработок давление пород в них резко возрастало. Следует указать на одну особенность этих районов, а именно, обледенение воздухоподающих выработок, например стволов наклонных шахт в летнее время, когда воздух с большим содержанием влаги, поступая в ствол с холодными или мерзлыми стенками, выделяет избыток влаги в виде, инея или льда.
Подогрев поступающего в рудник воздуха может производиться при помощи теплообменных аппаратов по различным технологическим схемам. Основными элементами таких схем являются средства перемещения воздуха, греющий энергоноситель, средства регулирования теплопроизводительности и теплообменные аппараты. В соответствии с этим рассмотрим действующие системы воздухоподготовки калийных рудников Верхнекамского месторождения, Карагандинского, Кузнецкого, Донецкого угольных бассейнов.
Воздух, подаваемый в ствол, перемещается либо специальными нагнетательными вентиляторами, либо за счёт депрессии вентилятора главного проветривания шахты (рудника). В соответствии с этим существуют так называемые «вентиляторная» и «безвентиляторная» технологии нагрева воздуха [19, 115, 116]. Вентиляторные установки действуют в настоящее время на калийных рудниках Верхнекамского и Старобинского месторождений, на угольных шахтах Донецкого бассейна, на рудниках цветной металлургии.
Вентиляция шахты с подогревом воздуха в оборудованной вентилятором калориферной установке осуществляется следующим образом: холодный воздух засасывается вентилятором калориферной установки из атмосферы и продувается через калориферы [20, 119]. Там он нагревается и через специальный канал поступает в ствол шахты, где смешивается с холодным воздухом, поступающим через вентиляционный канал и негерметизированное надшахтное здание. Смешанный воздух с температурой 2 - 5С [40, 86, 87, 94] под действием депрессии, создаваемой главным вентилятором, поступает в горные выработки и оттуда по вентиляционному стволу отсасывается главным вентилятором [2, 5, 6].
На калийных рудниках Верхнекамского месторождения нагретый воздух по специальному каналу подаётся в ствол, где смешивается с холодным воздухом, поступающим через вентиляционный канал и негерметизирован-ный копёр. Смешивание воздуха в стволе, как выявили исследования, проведённые А.Е. Красноштейном и Б.П. Казаковым [49, 50, 51, 52, 53, 54], приводит к неблагоприятным последствиям. Из-за большого температурного перепада между потоками холодного и горячего воздуха в армировке ствола возникают значительные температурные напряжения, в результате чего происходит раскрытие продольных и поперечных швов, образуется течь, и ствол в зоне низких температур обмерзает. Неравномерность скоростей и температур воздуха в воздухоподающем стволе приводит также к образованию тумана или капельной влаги.
Технологическая схема типовой вентиляторной калориферной установки, разработанная институтом «Южгипрошахт» и применяемая на возду-хоподающих стволах Донецкого угольного бассейна, предусматривает смешивание потоков нагретого и холодного воздуха в вентиляционном канале до подачи в ствол [22, 46, 89, 90]. Это обеспечивает более равномерное распределение температур по сечению воздухоподающего ствола.
Многолетний опыт эксплуатации, а также целый ряд исследований [27, 59] установили, что «вентиляторная» технология обогрева шахтных стволов обладает существенными недостатками. К ним относятся:
неравномерность температурного поля в воздухоподающем стволе, что приводит к разрушению армировки ствола;
повышенная температура воды, возвращаемой источнику тепла в режимах, отличных от расчётного, то есть низкий КПД;
дополнительный расход электроэнергии за счёт применения специальных нагнетательных вентиляторов;
более низкая эксплуатационная надёжность из-за наличия дополнительного оборудования (вентиляторы, электродвигатели, направляющие аппараты).
Вышеизложенное обусловило разработку и внедрение более эффективной «безвентиляторной» технологии нагрева воздуха, распространенной в Карагандинском и Кузнецком угольных бассейнах [43- 45, 56-58, 85, 108-110].
При применении безвентиляторной калориферной установки в зимнее время холодный воздух под действием депрессии, создаваемой вентилятором главного проветривания, засасывается через узел воздухозабора, проходит через калориферы, подогревается в них и по специальному каналу поступает в рудник. В летнее время воздух через специальную воздухозаборную шахту поступает в рудник, минуя калориферы. Переключение потоков воздуха осуществляется с помощью шиберов. При применении безвентиляторных калориферных установок надшахтное здание необходимо герметизировать [19].
В настоящее время имеется несколько модификаций безвентиляторной технологии нагрева воздуха. Они отличаются видом греющего энергоносителя, технологическими решениями воздушного и гидравлического трактов.
В пароводяных безвентиляторных калориферных установках, применяемых на воздухоподающих стволах шахт Кузнецкого бассейна, атмосферный воздух поступает к калориферам через воздухозаборное окно, расход воздуха регулируется шибером. Далее воздух нагревается до необходимой температуры, проходя вначале через водяные регистры, скомпонованные из
оребрённых труб, затем через паровые калориферы, и поступает в вентиляционный канал, в котором смешивается с холодным воздухом[19]. Как показали исследования [43-45], при такой схеме аэродинамического тракта водяные калориферы неравномерно нагружены потоком холодного воздуха по высоте теплоотдающей поверхности. Нижние ряды калориферных секций преждевременно выходят из строя вследствие перегрузки. На гидравлическом тракте конденсат недостаточно охлаждается в водяных регистрах. Отвод конденсата производится с помощью недостаточно надёжных в эксплуатации статических гидрозатворов и конденсационных горшков, что переводит установку в режим работы на «пролётном» паре, при котором существенно снижается интенсивность теплопередачи.
Институтом «Карагандагипрошахт» на основе исследований, проведённых КНИУИ, разработана технологическая схема водяной безвентиляторной установки, применяемой в Карагандинском бассейне. Помещение, где расположены теплообменные аппараты (калориферная), оборудовано подшивным потолком, благодаря которому холодный атмосферный воздух, поступающий через воздухозаборные жалюзи в стене здания, разделяется на два потока - к калориферам и непосредственно в камеру смешивания (вентиляционный канал) через управляемый дроссельный клапан, осуществляющий местное количественное регулирование теплопроизводительности. Смешанный воздух необходимой температуры поступает в ствол по вентиляционному каналу. С целью устранения гравитационного напора, возникающего по обе стороны калориферного ряда вследствие разности плотностей холодного и нагретого воздуха, а также обеспечения более равномерной нагрузки калориферов потоком воздуха, последние размещены на расстоянии 1/3 высоты
калориферной колонны (в соответствии с исследованиями КНИУИ [43-45]). Забор нагретого воздуха в камеру смешивания осуществляется из верхней зоны помещения калориферных установок.
Преимущества безвентиляторной технологии отопления воздухопо-дающих стволов [69-71, 73, 76] заключаются в следующем:
в безвентиляторных калориферных установках снижается температурный перепад между воздухом поступающим в ствол через надшахтное здание и калориферные установки. Тем самым обеспечивается требуемая равномерность поля температур, по сечению воздухоподающего ствола;
снижаются тепловые утечки;
отсутствуют затраты на нагнетательные вентиляторы и их электроприводы;
возможна разработка работоспособных систем автоматической стабилизации температуры воздуха в стволе;
повышается эксплуатационная надёжность, так как из технологии исключаются нагнетательные вентиляторы, их приводы, аппаратура управления;
появляется возможность отопления надшахтного здания и копра воздухом, нагретым в калориферах, что улучшает температурные условия для шахтёров при спуске-подъёме и повышает надёжность оборудования комплекса ствола.
В не зависимости от способа подачи воздуха в рудник технологические схемы могут отличаться используемым в калориферных установках энергоносителем. Греющим энергоносителем для систем воздухоподготовки уголь-
ных и горнорудных предприятий могут являться: водяной пар, высокотемпературная вода (с температурным графиком 150-70С, 130-70С и др.), низкопотенциальное тепло шахтных стационарных установок, электрический ток, газ и др [14].
В настоящее время на всех воздухоподающих стволах Карагандинского и Кузнецкого угольных бассейнов, а также на некоторых рудниках Верхнекамского калийного месторождения нагрев воздуха осуществляется с применением высокотемпературной воды, подготавливаемой в шахтных или районных котельных, а также ТЭЦ [92, 98, 107, 111]. Водяной пар широко распространен в Донецком угольном бассейне. Основными причинами вытеснения водяного пара является низкая надёжность конденсатоотводных систем [45], низкая экономичность и гигиеничность паропроводных систем. Паровые калориферы значительно труднее защитить от замерзания, так как при конденсации пара в них создаётся вакуум, достигающий 74,5 кПа [99]. При таком вакууме затрудняется слив конденсата, а при движении через калориферы потока холодного воздуха появляются условия для образования в них ледяных пробок. По сравнению с водяным паром применение высокотемпературной воды имеет ряд преимуществ:
более высокая надёжность функционирования калориферных установок за счёт повышенной аккумулирующей способности воды;
возможность эффективного центрального и местного регулирования теплопроизводительности изменением температурного и (или) гидравлического режимов.
Использование электрической энергии в качестве греющего энергоносителя ограничивают большие капитальные затраты в связи с жесткими тре-
бованиями безопасности [86] и большие текущие затраты в связи с высокими тарифами на электроэнергию. Несмотря на известные преимущества применения электроэнергии (соблюдение точного температурного режима в стволе, широкие возможности автоматизации процесса нагрева воздуха), вышеперечисленные факторы сдерживают, и будут сдерживать использование электроэнергии в шахтных калориферных установках.
Также для нагрева воздуха, поступающего в шахту, предлагаются установки, использующие низкопотенциальное тепло шахтных стационарных кондиционеров и компрессорных станций [21, 95, 96]. Очевидное достоинство таких установок заключается в использовании вторичных энергоресурсов для обогрева воздухоподающих стволов. В качестве греющего энергоносителя предлагаются либо низкотемпературная вода, либо раствор сорбента (хлористый литий или кальций), которые нагревают воздух при непосредственном контакте с ним (способ испарительного нагрева). Однако подобный способ приводит к увлажнению воздуха, поступающего в шахту, что вызывает, в свою очередь, дополнительные затраты мощности шахтного кондиционера, а также большой расход дефицитной в настоящее время воды для подпитки установки. Применение же водных растворов солей удорожает и усложняет установку. Таким образом, несмотря на перспективность, использование вторичных энергоресурсов для нагрева воздуха требует дальнейших исследований и тщательного технико-экономического обоснования.
В последнее время начинают применять в системах обогрева шахтных стволов смесительные газовые воздухонагреватели [103], которые используются в системах приточной вентиляции, воздушного отопления и тепловых завесах. Воздухонагреватели представляют собой кожух, внутри которого
размещена рамповая горелка (РГ) или блок из РГ, а снаружи расположены газопроводы с регулирующей и запорной арматурой. РГ снабжены системами автоматики розжига, безопасности и регулирования. Блок горелок компонуется из одной запальной и необходимого числа рамповых горелок и переходных модулей, количество которых определяется разработчиком в зависимости от требуемой тепловой мощности. В отличие от традиционных водяных калориферов в воздухонагревателях отсутствует такой теплоноситель как вода, вследствие чего устраняется забивание трубок калориферов продуктами коррозии и солями жесткости, а также не происходит замерзания воды, что особенно важно для эксплуатации в условиях Севера; металлоёмкость РГ в 6-8 раз ниже, а КПД на 15-г20% выше, чем у известных моделей воздухо-водяных теплообменников. Однако применение таких воздухонагревателей в системах обогрева шахтных стволов возможно только в комплексе с мощными системами автоматики, позволяющими контролировать состав воздуха, поступающего в рудничную вентиляционную сеть, и останавливать работу всей системы в аварийных ситуациях.
В калориферных установках воздухоподающих стволов применяются рекуперативные и смесительные теплообменники. В аппаратах первого типа теплопередача между потоками греющей воды (пара) и нагреваемого воздуха осуществляется через разделяющую их поверхность. В настоящее время калориферные установки угольных и горнорудных предприятий страны оснащены стальными калориферами типов КСкЗ, КСк4, KB, КМ большой и средней модели во многоходовом исполнении. В калориферных установках имеет место перекрёстный ток энергоносителей, то есть греющая вода (пар) и нагреваемый воздух движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. В
многоходовых калориферах достигается сравнительно большой температурный напор за счёт осуществления многократного перекрёстного тока.
Электрические калориферы не нашли пока применения в угольной отрасли в связи с жёсткими требованиями безопасности и высокими текущими затратами на электроэнергию. Способ нагрева воздуха на основе применения контактных теплообменников, в которых теплопередача осуществляется путём непосредственного соприкосновения потоков греющего и нагреваемого энергоносителей, также не нашёл пока применения, так как характеризуется значительным расходом воды, достигающим в некоторых режимах 1700 т/ч [95] и ухудшает климатические условия в горных выработках.
Анализ отопления шахтных стволов показал, что для обеспечения требуемых микроклиматических параметров в стволе и уменьшения потерь тепловой энергии в надшахтных зданиях необходимо увеличить количество воздуха, проходящего тепловую обработку или температуру воздуха на выходе из калориферов. Так как существующие вентиляторы больше не могут обеспечивать увеличение производительности, для обеспечения требуемой температуры в стволе, на действующих установках была увеличена температура воздуха на выходе из калориферов. Это привело к ухудшению смешивания потоков холодного и горячего воздуха в стволе; к размораживанию системы теплоснабжения калориферов во время минимальных температур атмосферного воздуха; к образованию тепловых утечек в системах подготовки и подачи воздуха.
Снизить температуру воздуха на выходе из калориферных установок можно увеличением количества обрабатываемого воздуха, то есть изменением соотношения воздушных потоков, поступающих через
надшахтное здание и калориферную в ствол рудника. Однако существующие технологии подготовки воздуха не позволяют сделать это.
Для увеличения эффективности обогрева шахтных воздухоподающих стволов необходимо исследовать динамику воздушных потоков в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов и разработать технологические схемы, позволяющие обрабатывать максимальное количество воздуха в системах воздухоподготовки, а так же исследовать особенности процессов тепломассообмена в крупногабаритных калориферных установках при увеличении обрабатываемого количества воздуха и разработать методику расчета таких установок
1.1.2. Анализ технологии подготовки воздуха в летний период года
В летнее время в большинстве рудников возникают сложности ведения горных работ в связи с повышенным влагосодержанием атмосферного воздуха.
Поступающий летом в рудник теплый и влажный воздух, охлаждаясь в выработках, увлажняет стенки, кровлю и почву [121, 126]. Существующий температурный градиент приводит к тому, что молекулы водяного пара движутся вдоль линий температурного поля в сторону понижения температуры, поэтому влага, прежде всего, появляется на охлажденных поверхностях горного массива. В рудниках наблюдается положительный баланс влаги, т.е. в рудник вносится в течение года влаги больше, чем выносится исходящей струей [79, 80, 82]. В калийных рудниках в течение года скапливается до 30000 м3 влаги.
Соляные рассолы, образующиеся на поверхности выработок и оборудования, при избытке атмосферной влаги оказывают агрессивное воздействие на оборудование, нарушают взрывобезопасность и изоляцию электрооборудования, а также коммутационных и кабельных электрических сетей. В условиях повышенной гигроскопичности калийных пород необходимо исключить или свести к минимуму выпадение капельной влаги из потока. Проведенные метеорологические исследования показали, что в периоды устойчивой летней конденсации большая часть влаги оседает в околоствольных выработках, удаленных от воздухоподающего ствола на расстояние 1000-1500 метров, где в течение летнего периода конденсируется более 70 % всей влаги [50].
При движении атмосферного воздуха по воздухоподающим стволам и транспортным штрекам его микроклиматические параметры претерпевают существенные изменения, вследствие чего начинают происходить процессы выпадения влаги [12, 25, 62, 63, 78, 117, 118]. Изменения микроклиматических параметров воздуха начинаются уже на входе в воздухоподающий ствол. Наибольшее влияние оказывают количество и температура поступающего в ствол воздуха, температура горных пород и теплообмен между воздушным потоком и окружающими ствол горными породами, сжатие воздуха при опускании по стволу и условия, подачи в ствол обработанного в калориферах воздуха. При этом решающая роль обычно принадлежит температуре поступающего атмосферного воздуха и условиям подачи подогретого воздуха в ствол.
В тёплое время года поступающий в рудник воздух постепенно охлаждается до температуры нетронутого массива. Охлаждение воздуха начинается в воздухоподающем стволе и продолжается в главных транспортных выработках. При этом постепенное охлаждение при движении воздушного потока сопровождается конденсацией "излишней" влаги, что приводит к снижению влагосодержания и стабилизации относительной влажности воздуха вблизи критических значений, равных упругости водяных паров над поверхностью насыщенных рассолов соответствующего минерального состава.
С целью снижения поступления влаги в рудник, существующие при каждом воздухоподающем стволе калориферные установки могут быть использованы для охлаждения и осушения воздуха [1, 3, 4, 7, 75, 104]. Принцип действия таких установок заключается в подаче охлажденного хладоноси-
теля в трубки воздухонагревателей, где влажный воздух соприкасаясь с холодными стенками трубок подвергается осушению и охлаждению [20, 112]. Холодный рассол или другой хладоноситель из рассолосборника через фильтр насосом подается в теплообменник. Нагретый рассол по обратному трубопроводу сливается на поверхность рассолосборника. По перемычке часть отепленного рассола поступает в подающий трубопровод с целью предотвращения поступления в теплообменник рассола с температурой ниже 0С. Насосом в калориферную установку подается циркулирующая в этом кольце охлажденная вода. Осушенный воздух после воздухоохладителей по калориферному каналу поступает в ствол, где смешивается с необработанной частью воздуха. Сконденсировавшаяся влага собирается в поддоны и откачивается в рассолосборник. Преимущества данного метода заключаются в минимальной реконструкции калориферной и использовании её в течение всего года.
Поэтому в работе необходимо разработать математическую модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах воздухоподготовки для управления процессами тепломассообмена в рудниках.
1.2. Существующие методы расчета систем воздухоподготовки
на горных предприятиях
Существующие методы расчета систем воздухоподготовки включают в себя расчеты потокораспределения и температур энергоносителей, а также расчеты и выбор технологического оборудования.
Наибольшее распространение в настоящее время получили методы моделирования стационарных режимов теплоэнергетических установок, изложенные в работах Е.П. Шубина, Б.М. Левина [107], А.Ф. Краснощекова [67], М.И. Фильнея [101], Е.М. Минина [82], М.М. Шемаханова [106] и других ученых [8-11, 17, 18, 24, 30, 42]. Эти методы основаны на использовании уравнений материального и энергетического балансов. Решение этих уравнений относительно неизвестных температур энергоносителей позволяет рассчитать параметры стационарных режимов калориферных установок на всем диапазоне изменений независимых расходных и термодинамических величин энергоносителей.
Практические вычисления, выполняемые при совместном решении названных уравнений, вручную требуют выполнения трудоемких однообразных арифметических действий. Это приводит к необходимости использования уравнений более простой математической формы, что, в свою очередь, вызывает необходимость применения упрощающих допущений, существенно влияющих на точность результатов. Так, например, во многих методиках, использующихся при проектировании калориферных установок [15, 48, 68, 101], при расчете температур производится осреднение значений физических свойств потоков энергоносителей по объему теплообменников. Отсюда вытекает допущение о постоянстве коэффициента теплопередачи вдоль про-
странственной координаты, что также снижает точность получаемых результатов. Кроме того, эти методики не позволяют оценить текущие значения расходных и температурных параметров калориферных установок, необходимые для решения вопросов регулирования и эксплуатации.
Рассмотренные методики отличают друг от друга также определение температурного напора. Например, в работах [15, 67] температурный напор определяется как среднеарифметическая величина, а в других [93, 89, 90] -как среднелогарифмическая величина.
Применение современных электронно-вычислительных комплексов в теплотехнических расчетах позволило преодолеть трудоемкость однообразных вычислений и использовать более точные методы, учитывающие зависимость физических свойств энергоносителей от температуры, схему взаимного движения энергоносителей, изменение коэффициентов теплопередачи вдоль пространственной координаты. В применяемых методиках эти методы реализуются по-разному. Рассмотрим методы, изложенные в работах [60, 105, 106, 113, 120, 122-125]. В этих работах неявно учитывается зависимость физических свойств энергоносителей от температур. Поверхность теплообмена условно разбивается на отдельные интервалы (участки), и в пределах одного интервала физические свойства энергоносителей применяются постоянными, а расчеты температур энергоносителей производятся с привлечением итеративных процедур. Вычислительный алгоритм для определения неизвестных температурных и расходных параметров основан на совместном решении уравнений теплового и гидромеханического балансов, описывающих процессы теплопередачи на отдельных интервалах. Из всех величин, входящих в уравнения, лишь коэффициент совершенства схемы взаимного движе-
зо ния энергоносителей будет иметь значение, соответствующее всей поверхности теплопередачи. Неизвестные величины вычисляются последовательно для всех интервалов итеративными методами, позволяющими учесть изменения всех зависящих от температуры параметров.
Для определения конечных температур энергоносителей могут быть использованы уравнения теплопередачи и теплового баланса в дифференциальной форме [47]. Дифференцирование в этих уравнениях осуществляется относительно пространственной координаты. При решении дифференциальных уравнений методом конечных разностей [81 ] температурный напор можно определить как среднеарифметическую величину. Такой метод применяется в математических моделях стационарных режимов, описывающих процессы в паротурбинных установках [60, 83]. При разработке математических моделей стационарных режимов теплоэнергетических установок, представленных в форме дифференциальных уравнений и ориентированных на решение с помощью современных компьютеров, выполняются преобразования с целью упрощения моделей. Выражения, получаемые в результате преобразований, оказываются проще аналогичных выражений, полученных из уравнений теплопередачи и теплового баланса в алгебраической форме, но для их использования необходимо большое количество времени, так как для обеспечения заданной точности вычислений требуется значительное число температурных интервалов. Описанные методы расчета конечных температур энергоносителей реализованы в работах А.П. Клименко, Г.Е. Каневца, В.Я. Рыжкина, А.В. Щеглова [60, 83, 92, 111].
Ф.А. Вульман и Н.С. Харьков в своей работе [32] предусматривают выполнение необходимых вычислений для всей поверхности теплообмена,
но с учетом функциональных зависимостей коэффициентов теплопередачи от пространственной координаты и физических свойств энергоносителей от температур. При этом возникают трудности, связанные с определением характера зависимости переменного параметра по объему теплообменного аппарата, выбором аппроксимирующего его выражения и оценки потери точности при аппроксимации этих зависимостей. Поэтому в практике проектирования калориферных установок этот подход не нашел распространения.
При определении коэффициентов теплопередачи и гидравлических сопротивлений воздушного и гидравлического трактов возникает задача расчета температур стенок, разделяющих энергоносители, в любом сечении поверхности теплообмена. Эта задача решается с помощью уравнений Ньютона и теплопередачи [93]. Значения коэффициента теплопередачи в указанных уравнениях определяются из критериальных зависимостей, аппроксимируемых в рабочем диапазоне температур.
Преимущества применения современных электронно-вычислительных
комплексов при расчетах температур энергоносителей очевидны. Кроме бы
стродействия, машинные методы позволяют проводить всесторонние иссле
дования, связанные с выбором рациональных режимов и параметров
энергоносителей теплопотребляющих установок. Однако методики,
применяемые в настоящее время при проектировании промышленных
калориферных установок и, в частности, горнорудных предприятий [48, 67,
68, 92, 101, 107], основаны на методах, не позволяющих использовать
вышеперечисленные преимущества автоматизации процессов
проектирования. В свою очередь, применение внеотраслевых методик расчета теплоэнергетических установок с помощью компьютерных программ для целей проектирования калориферных установок воздухоподающих
установок воздухоподающих стволов горных предприятий затруднительно, так как они не учитывают специфику калориферных установок.
В процессе проектирования технологических схем калориферных установок, являющихся неотъемлемой частью шахтных вентиляционных систем, возникает задача расчета потокораспределения в участках воздушного и гидравлического трактов.
Развитие теории вентиляционных и гидравлических сетей привело к появлению большого количества работ, основанных на применении аналитических и численных методов расчета.
М.М. Андрияшев [13] впервые предложил аналитическое решение задачи потокораспределения, основанное на методах последовательных приближений. Большой вклад в разработку этого метода внес также В.Г. Лобачев [77]. Итеративные методы, являющиеся в математическом отношении релаксационными методами последовательных приближений, широко известны и применяются у нас в стране и за рубежом. Сущность этих методов заключается в нахождении значений расходов на всех участках и давлений в узлах, удовлетворяющих с заданной точностью I и II законам Кирхгофа.
С появлением современных электронно-вычислительных комплексов и применением их для расчета более сложных гидравлических сетей, выявились недостатки итеративных методов. В некоторых случаях процесс вычислений имел медленную сходимость, либо вообще не сходился. Поэтому стали появляться различные модификации этих методов, рассчитанные на более широкий класс решаемых задач при большой размерности сетей.
В работах [26, 77] известная формула М.М. Андрияшева [13] на основании математических выкладок распространена на сеть с источниками тяги.
В работе [77] предлагается введение «полного поправочного расхода», учитывающего взаимное влияние колец. А.В. Хасилев и А.П. Меренков исследовали связь итеративных методов с известными численными методами и предложили обобщенные методы контурных расходов и узловых давлений [102]. Каждый из методов последовательных приближений имеет свою область применения, зависящую от размерности и класса решаемых задач, характера исходных данных, требуемой точности вычислений, и и используется в современной практике расчетов вентиляционных и гидравлических сетей. Причина широкого распространения этих методов заключается в простоте идеи, положенной в их основу, и вытекающей отсюда сравнительной несложности вычислений.
Применение аналитических методов расчета гидравлических и вентиляционных сетей, для получения решения в виде конечной формулы давало в результате аналитические выражения в радикалах [16, 23].
К методам второй группы относятся методы минимизации (максимизации) специальной функции, основаны на замене решения системы уравнений минимизацией искусственной функции. Эти методы отличаются, в основном, видом применяемой функции и способами поиска ее минимума.
Вариационный метод, предложенный Н.У. Койдой [61], заключается в нахождении минимума специальной функции, который достигается при значениях напоров в узлах сети и соответствующих расходах в участках сети, удовлетворяющих первому и второму законам Кирхгофа. Поиск минимума осуществляется с помощью метода целенаправленного перебора. Однако при расчете сложных сетей резко возрастает объем вычислений, что снижает эффективность метода.
В работах С. Цоя, А.Г. Евдокимова и других ученых [39, 41, 105] предлагаются различные способы представления топологии сетей и методы поиска экстремума. В работе [28] топология сети представлена в виде ориентированного графа, составлять уравнения законов сетей рекомендуется, используя матрицы инциденций дуг и контуров, и решать полученную систему методами последовательных приближений и градиентным методом. В монографии А.Г. Евдокимова [39] инженерные сети рассматриваются также как ориентированный связанный граф, и предлагается метод выбора дерева минимальной длины. Система уравнений законов сетей решается методами Ньютона, покоординатного спуска, модифицированным методом Ньютона и методом Ло-бачева-Кросса. В результате анализа полученных результатов автор отдает предпочтение методу Ньютона.
Решение задачи потокораспределения численными методами имеет большое теоретическое и методическое значение. Однако опыт их применения свидетельствует о том, что пока не существует универсального метода, который мог бы гарантировать эффективное получение результата при любых исходных данных.
Для решения данной проблемы необходимо разработать новые способы расчета систем воздухоподготовки, основанные на моделировании процессов теплопередачи с учетом аэростатического давления и изменения теплотехнических характеристик по всей длине теплообменных аппаратов.
1.3. Цели и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка новых систем подготовки атмосферного воздуха и управления микроклиматическими параметрами рудничного воздуха для обеспечения здоровых и безопасных условий труда в воздухоподающих стволах, околоствольных дворах и прилегающих к ним горных выработках.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: -исследовать динамику воздушных потоков в поверхностных комплексах воздухоподающих стволов- и разработать технологические схемы, позволяющие обрабатывать максимальное количество воздуха в системах воздухоподготовки;
-исследовать особенности процессов тепломассообмена в крупногабаритных калориферных установках при увеличении обрабатываемого количества воздуха и разработать методику расчета таких установок;
-изучить влияние аэростатического давления на тепломассообмен в однорядных крупногабаритных теплообменных аппаратах;
-разработать математическую модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах воздухоподготовки для управления процессами тепломассообмена в руднике;
-провести экспериментальные исследования процессов
тепломассообмена и движения воздуха в калориферных установках и надшахтных комплексах.
2. ДИНАМИКА ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В ВОЗДУХОПОДГОТОВИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ РУДНИКОВ
Изучению динамики воздушных потоков в воздухоподающих стволах посвящены работы А.Е Красноштейна, Б.П. Казакова [64-66], Л.П. Северина [94], М.М. Шемаханова [106] и Ю.П. Ольховикова [84, 59]. Ими были описаны процессы подачи воздуха в ствол, определены направления и характер распространения неизотермических струй в сносящем потоке, установлены законы смешивания струй с различными термодинамическими характеристиками и их влияние на стенки и оборудование воздухоподающих стволов. Однако при разработке новых энергосберегающих систем воздухоподготовки перед нами появились новые задачи исследования динамики воздушных потоков в поверхностном комплексе шахтных воздухоподающих стволов.
Для обеспечения требуемых микроклиматических параметров в стволе и уменьшения потерь тепловой энергии в надшахтных зданиях необходимо увеличить количество воздуха, проходящего тепловую обработку, или температуру воздуха на выходе из калориферов. Так как существующие вентиляторы больше не могут обеспечивать увеличение производительности, для обеспечения требуемой температуры в стволе на действующих установках была увеличена температура воздуха на выходе из калориферов. Снизить температуру воздуха на выходе из калориферных установок можно увеличением количества обрабатываемого воздуха, то есть изменением соотношения воздушных потоков, поступающих через надшахтное здание и калориферную в ствол рудника. Для увеличения количества обрабатываемого воздуха необходимо:
- перевести подачу воздуха в ствол рудника на безвентиляторный режим;
*
снизить аэродинамическое сопротивление на пути обработанной части воздуха путем увеличения эффективного сечения калориферных каналов;
увеличить аэродинамическое сопротивление на пути атмосферного воздуха, поступающего в ствол через надшахтное здание и копер, для чего максимально их герметизировать.
При изменении технологии нагрева воздуха возникает задача расчета количественного соотношения струй и оценки возможности увеличения подаваемого количества воздуха в ствол за счет разряжения главной вентиляторной установки через калориферные каналы и устье ствола. Целью решения такой задачи служит подготовка исходных данных для расчета теплообменных аппаратов (калориферных установок) воздухоподготовительного комплекса рудника.
2.1. Динамика потоков в калориферных каналах, надшахтном здании
и воздухоподающем стволе
Подогретый воздух поступает в воздухоподающий ствол за счёт общешахтной депрессии. Обрабатывать весь вентиляционный воздух технологически сложно, поэтому часть атмосферного воздуха поступает через устье ствола из надшахтного здания без обработки, а вторая часть проходит через систему теплообменников, устанавливаемых по определённой технологической схеме. В этом случае депрессия для обоих потоков одна, и поэтому изменение расходов воздуха и параметров смеси зависит только от соотношения потерь депрессии на пути каждого из этих потоков. Задача определения соотношения расходов усложняется наличием трудноподдающихся определению местных сопротивлений, в частности сопротивлений «тройника» в месте смешения потоков, а также зависимостью плотности воздуха от температуры.
Система «ствол - надшахтное здание - калориферная» моделируется в виде тройника «3-1-2» (рис. 2.1). Смешивание потоков рассматривается как их суже-
9 Г Г 9
ние-расширение до выравнивания их скоростей v2 — v7 л давлений Р2 = Pj.
Потери энергии на смешивание потоков учитываются слагаемыми її и z2, которые определяются экспериментально {fі - сечения каналов, Lt - массовые расходы).
Рис. 2.1. Динамика воздушных потоков в системе «ствол - надшахтное здание
калориферная»
Аэродинамические сопротивления каналов считаются пропорциональными квадратам расходов с коэффициентами пропорциональности ,. Сопротивление калорифера, согласно справочным данным, пропорционально расходу в степени т, где коэффициент пропорциональности и показатель степени определяются конкретным типом калорифера. В методику расчетов заложена система калориферов, соединённых как последовательно, так и параллельно по воздуху. Сум-
марный коэффициент сопротивления системы калориферов рассчитывался по формулам:
]Г R = Rт - при последовательном соединении;
_1_ _1_
Y^Rj т = R т- при параллельном соединении,
где R,- - коэффициент сопротивления одного калорифера (APf = RtL2 ); атмосферное давление Ра и давление разрежения Р3 предполагались заданными. Система уравнений движения воздуха имеет вид:
Pl= Ра ~(к,+-^0,, (2.1)
2Plfl
Р2=Ра-(к2+-?—2)122-Щ, (2.2)
2Plfi
L3=L,+L2, (2.3)
pK+Pi = p+Ps+Zi, (2.4)
рА+р2=вА+Рз+^ (2.5)
Ц=\Ріїі- (2.6)
Уравнения (2.1) и (2.2) определяют потерю напора на сопротивление каналов, на приобретение воздухом кинетической энергии и, во втором уравнении, на сопротивление системы калориферов. Уравнение (2.3) есть уравнение непрерывности, (2.4) и (2.5) - уравнения сохранения полной энергии (кинетической и потенциальной) с учетом потерь на смешивание потоков, которые учитываются слагаемыми Zi и І2- Участок смешивания (до выравнивания давления к Р3) пред-
полагается достаточно коротким, чтобы его сопротивлением (к3) можно было пренебречь. Последнее уравнение (2.6) связывает массовые расходы и скорости воздуха. Плотности ph р2 и р3- это p(Tj), р(Т и р(Т3), где Tj, Т2 и Т3- температуры 1, 2 и 3 каналов соответственно. Очевидно, что после полного смешивания
Ljlj + L2±2
Т = 1з
Lj+L2
Система уравнений сводится к системе двух нелинейных уравнений, которые решаются численно методом двумерных секущих:
L] =L(Y2L22+RLm2), kj
2РзІз где k]=k1+z] и к2 = к2 +z2.
2.2. Динамика воздушных потоков при подаче воздуха через два калориферных канала, расположенных в одной вертикальной площади
В настоящее время большинство систем воздухоподготовки требуют выполнения работ по реконструкции калориферных установок и перевода их на безвентиляторную подачу воздуха. В связи с тем, что при переводе систем на безвентиляторный режим падает скорость движения воздуха через теплообменные аппараты, и снижается коэффициент теплопередачи, для обеспечения в стволе требуемых правилами безопасности микроклиматических параметров увеличивают количество нагреваемого воздуха и снижают количество воздуха, поступающего в ствол через надшахтное здание и устье ствола. Работа безвентиляторных калориферных установок возможна только при благоприятных аэродинамических свойствах системы воздухоподготовки. Под благоприятными аэродинамическими свойствами можно понимать небольшие сопротивления движению потока воздуха на пути к стволу, хорошую герметизацию копра ствола, позволяющую обеспечить подачу значительной части воздуха через калориферные установки. А главное, сопротивление калориферных установок, включая сопротивления самих калориферов, утепленных клапанов, узлов воздухозабора и другого оборудования, находящегося в помещении калориферных, не должно превышать сопротивления движению, которое испытывает не подогреваемая часть воздуха. При большем количестве воздуха, проходящем через калориферные установки, потребуется установка большего числа калориферов, что в свою очередь ограничивается площадью уже существующих зданий калориферных. Существующие характеристики аэродинамических схем подготовки и подачи воздуха в шахту не всегда позволяют провести требуемые работы. С целью увеличения подачи обрабатываемого воздуха в шахту через калориферные установки
необходимо увеличить сечение для прохода воздуха в калориферных каналах. Для этого была поставлена задача создания математической модели системы воздухоподготовки с двумя калориферными каналами, расположенными друг над другом. Принципиальная схема системы воздухоподготовки подобного типа изображена на рисунке 2.2. Копер, в таком случае, должен быть достаточно герметичен, то есть плотно зашивается листами металла в помещении надшахтного здания.
Рис. 2.2. Схема движения воздуха в системе воздухоподготовки с двумя калориферными каналами
Математические выкладки аналогичны системе с одним калориферным каналом, но с учетом того, что система моделируется теперь двумя тройниками. Система уравнений баланса массовых расходов в этом случае имеет вид:
2Рз/і
(Ра-р3) = (Ґі +/2 +У + ^(А +2)2>
2Рз/і
2Рз/і Здесь величины со штрихом означают принадлежность к верхнему, а без штриха - к нижнему калориферным каналам соответственно.
2.3. Решение задачи определения аэродинамических параметров воздухоподготовительного комплекса
Решение задачи определения аэродинамических параметров воздухоподготовительного комплекса необходимо для выполнения теплотехнического расчета калориферных установок. Необходимыми для расчета аэродинамическими параметрами являются:
количество воздуха, проходящего подготовку в калориферных установках, и подаваемого в ствол через один или несколько калориферных каналов;
количество воздуха, поступающего в ствол без обработки через неплотности копра и надшахтного здания;
температура воздуха на выходе из калориферных установок, обеспечивающая при смешивании температуру, определенную едиными правилами безопасности.
Решение задачи следует разделить на несколько этапов:
определение геометрических характеристик системы воздухоподготовки;
определение тяги, создаваемой главной вентиляторной установкой в воз-духоподающем стволе после полного смешивания потоков;
определение аэродинамических сопротивлений копра, калориферных каналов, калориферов и другого технологического оборудования;
определение расчетной температуры наружного воздуха;
вычисление расходов воздуха, поступающего в ствол через калориферные каналы и копер;
расчет требуемой температуры воздуха на выходе из калориферных установок.
Определение геометрических характеристик системы воздухоподготовки
Для проведения расчетов необходимо знать точную геометрию мест движения и смешивания потоков. Для этого следует точно выбрать места для проведения замеров. Возможно несколько типов расположения в надшахтном здании и присоединения к стволу калориферных каналов. Все существующие системы по их геометрическим характеристикам можно разделить на три типа:
Один калориферный канал;
Два и более калориферных каналов, расположенных на одной высотной отметке;
Два и более калориферных каналов, расположенных на разных высотных отметках.
Замеры площади живого// сечения копра проводят в месте соединения копра со стволом над верхними калориферными каналами, если система имеет вид третьего типа, и в точке сопряжения копра со стволом, если система относится к первому или второму типу.
Площадь живого сечения калориферных каналов /2^/2' вычисляется как сумма площадей калориферных каналов, расположенных на одной высотной отметке.
Площадь сечения ствола f3 принимается согласно существующей технической документации.
В результате замеров получаем простую систему одного или нескольких тройников, работающих на разряжение и описанных в предыдущих главах (рис 2.1 и 2.2).
Определение тяги, создаваемой главной вентиляторной установкой в воздухоподающем стволе после полного смешивания потоков
Целью измерений является определение тяги АР3, создаваемой главной вентиляторной установкой в воздухоподающем стволе после полного смешивания потоков. Производится измерение разности давлений (депрессии) между атмосферой и стволом. В стволе замер необходимо проводить в месте полного смешивания нагреваемого и ненагреваемого потоков, которое определяется как сечение ствола, в котором все скорости равны. Замеры производят с помощью приборов, позволяющих измерять дифференцированное давление с точностью до 3-н5 Па.
Определение аэродинамических сопротивлений копра, калориферных каналов, калориферов и другого технологического оборудования
Для выполнения расчета аэродинамических параметров системы воздухоподготовки необходимо знать аэродинамические сопротивления копра, калориферных каналов, калориферов и другого технологического оборудования обеспечивающего подачу воздуха в рудник.
Аэродинамические сопротивления каналов и копра считаются пропорциональными квадратам расходов с коэффициентами пропорциональности &,-. Сопротивление калорифера, согласно справочным данным, пропорционально расходу в степени т, где коэффициент пропорциональности и показатель степени определяются конкретным типом калорифера. В методику расчётов заложена система калориферов, соединённых как последовательно, так и параллельно по воздуху. Суммарный коэффициент сопротивления системы калориферов рассчитывался по формулам:
2_,R = R - при последовательном соединении;
«
^Rj"1 = R т- при параллельном соединении,
где Л,-- коэффициент сопротивления одного калорифера (Л/* = RL2).
Определение расчетной температуры наружного воздуха
Расчетную температуру наружного воздуха 7} для систем обогрева стволов согласно единым правилам безопасности следует принимать как температуру «абсолютно минимальную» из СНиП 2.04.05-91.
Вычисление расходов воздуха, поступающего в ствол через калориферные каналы и копер
Расходы воздуха, поступающего в ствол через калориферные каналы и копер, - это основные параметры системы, необходимые для проведения последующих теплотехнических расчетов и оценки возможностей системы при переводе на энергосберегающий безвентиляторный режим подачи воздуха в рудник.
Расчет для двух и более калориферных каналов, расположенных на одной высотной отметке выполняется согласно системе уравнений, приведенных в разделе 2.1:
L]=L(Y2L22+RLm2), kj
2Рз/з
где Li - расход воздуха через надшахтное здание и копер, м3/мин; L2 - расход воздуха через калориферные каналы, м3/мин; Ра— атмосферное давление, Па;
Р3 - давление в воздухоподающем стволе после полного смешивания потоков, Па; «
R - сопротивление системы калориферов, Па*мин/м3;
т - коэффициент, учитывающий характер течения воздушных потоков в конкретном типе калориферов;
Рз— плотность воздуха в стволе, кг/м ; /з - площадь сечения ствола, м2;
/С і — /С j >Zf И К2 — К 2 "г Z 2}
где к] и к2 - коэффициенты пропорциональности копра и калориферных каналов;
Zi и Z2 - потери энергии на смешивание потоков из копра и калориферных
каналов.
Расчет для двух и более калориферных каналов, расположенных на разных
% высотных отметках, выполняется согласно системе уравнений, приведенных в
Анализ технологии подготовки воздуха в летний период года
В летнее время в большинстве рудников возникают сложности ведения горных работ в связи с повышенным влагосодержанием атмосферного воздуха.
Поступающий летом в рудник теплый и влажный воздух, охлаждаясь в выработках, увлажняет стенки, кровлю и почву [121, 126]. Существующий температурный градиент приводит к тому, что молекулы водяного пара движутся вдоль линий температурного поля в сторону понижения температуры, поэтому влага, прежде всего, появляется на охлажденных поверхностях горного массива. В рудниках наблюдается положительный баланс влаги, т.е. в рудник вносится в течение года влаги больше, чем выносится исходящей струей [79, 80, 82]. В калийных рудниках в течение года скапливается до 30000 м3 влаги.
Соляные рассолы, образующиеся на поверхности выработок и оборудования, при избытке атмосферной влаги оказывают агрессивное воздействие на оборудование, нарушают взрывобезопасность и изоляцию электрооборудования, а также коммутационных и кабельных электрических сетей. В условиях повышенной гигроскопичности калийных пород необходимо исключить или свести к минимуму выпадение капельной влаги из потока. Проведенные метеорологические исследования показали, что в периоды устойчивой летней конденсации большая часть влаги оседает в околоствольных выработках, удаленных от воздухоподающего ствола на расстояние 1000-1500 метров, где в течение летнего периода конденсируется более 70 % всей влаги [50]. При движении атмосферного воздуха по воздухоподающим стволам и транспортным штрекам его микроклиматические параметры претерпевают существенные изменения, вследствие чего начинают происходить процессы выпадения влаги [12, 25, 62, 63, 78, 117, 118]. Изменения микроклиматических параметров воздуха начинаются уже на входе в воздухоподающий ствол. Наибольшее влияние оказывают количество и температура поступающего в ствол воздуха, температура горных пород и теплообмен между воздушным потоком и окружающими ствол горными породами, сжатие воздуха при опускании по стволу и условия, подачи в ствол обработанного в калориферах воздуха. При этом решающая роль обычно принадлежит температуре поступающего атмосферного воздуха и условиям подачи подогретого воздуха в ствол.
В тёплое время года поступающий в рудник воздух постепенно охлаждается до температуры нетронутого массива. Охлаждение воздуха начинается в воздухоподающем стволе и продолжается в главных транспортных выработках. При этом постепенное охлаждение при движении воздушного потока сопровождается конденсацией "излишней" влаги, что приводит к снижению влагосодержания и стабилизации относительной влажности воздуха вблизи критических значений, равных упругости водяных паров над поверхностью насыщенных рассолов соответствующего минерального состава.
С целью снижения поступления влаги в рудник, существующие при каждом воздухоподающем стволе калориферные установки могут быть использованы для охлаждения и осушения воздуха [1, 3, 4, 7, 75, 104]. Принцип действия таких установок заключается в подаче охлажденного хладоноси 27теля в трубки воздухонагревателей, где влажный воздух соприкасаясь с холодными стенками трубок подвергается осушению и охлаждению [20, 112]. Холодный рассол или другой хладоноситель из рассолосборника через фильтр насосом подается в теплообменник. Нагретый рассол по обратному трубопроводу сливается на поверхность рассолосборника. По перемычке часть отепленного рассола поступает в подающий трубопровод с целью предотвращения поступления в теплообменник рассола с температурой ниже 0С. Насосом в калориферную установку подается циркулирующая в этом кольце охлажденная вода. Осушенный воздух после воздухоохладителей по калориферному каналу поступает в ствол, где смешивается с необработанной частью воздуха. Сконденсировавшаяся влага собирается в поддоны и откачивается в рассолосборник. Преимущества данного метода заключаются в минимальной реконструкции калориферной и использовании её в течение всего года.
Поэтому в работе необходимо разработать математическую модель процессов осушения и охлаждения атмосферного воздуха в системах воздухоподготовки для управления процессами тепломассообмена в рудниках.
Динамика воздушных потоков при подаче воздуха черездва калориферных канала, расположенных в одной вертикальной площади
Изучению динамики воздушных потоков в воздухоподающих стволах посвящены работы А.Е Красноштейна, Б.П. Казакова [64-66], Л.П. Северина [94], М.М. Шемаханова [106] и Ю.П. Ольховикова [84, 59]. Ими были описаны процессы подачи воздуха в ствол, определены направления и характер распространения неизотермических струй в сносящем потоке, установлены законы смешивания струй с различными термодинамическими характеристиками и их влияние на стенки и оборудование воздухоподающих стволов. Однако при разработке новых энергосберегающих систем воздухоподготовки перед нами появились новые задачи исследования динамики воздушных потоков в поверхностном комплексе шахтных воздухоподающих стволов.
Для обеспечения требуемых микроклиматических параметров в стволе и уменьшения потерь тепловой энергии в надшахтных зданиях необходимо увеличить количество воздуха, проходящего тепловую обработку, или температуру воздуха на выходе из калориферов. Так как существующие вентиляторы больше не могут обеспечивать увеличение производительности, для обеспечения требуемой температуры в стволе на действующих установках была увеличена температура воздуха на выходе из калориферов. Снизить температуру воздуха на выходе из калориферных установок можно увеличением количества обрабатываемого воздуха, то есть изменением соотношения воздушных потоков, поступающих через надшахтное здание и калориферную в ствол рудника. Для увеличения количества обрабатываемого воздуха необходимо:- перевести подачу воздуха в ствол рудника на безвентиляторный режимснизить аэродинамическое сопротивление на пути обработанной части воздуха путем увеличения эффективного сечения калориферных каналов;- увеличить аэродинамическое сопротивление на пути атмосферного воздуха, поступающего в ствол через надшахтное здание и копер, для чего максимально их герметизировать.
При изменении технологии нагрева воздуха возникает задача расчета количественного соотношения струй и оценки возможности увеличения подаваемого количества воздуха в ствол за счет разряжения главной вентиляторной установки через калориферные каналы и устье ствола. Целью решения такой задачи служит подготовка исходных данных для расчета теплообменных аппаратов (калориферных установок) воздухоподготовительного комплекса рудника. 2.1. Динамика потоков в калориферных каналах, надшахтном зданиии воздухоподающем стволеПодогретый воздух поступает в воздухоподающий ствол за счёт общешахтной депрессии. Обрабатывать весь вентиляционный воздух технологически сложно, поэтому часть атмосферного воздуха поступает через устье ствола из надшахтного здания без обработки, а вторая часть проходит через систему теплообменников, устанавливаемых по определённой технологической схеме. В этом случае депрессия для обоих потоков одна, и поэтому изменение расходов воздуха и параметров смеси зависит только от соотношения потерь депрессии на пути каждого из этих потоков. Задача определения соотношения расходов усложняется наличием трудноподдающихся определению местных сопротивлений, в частности сопротивлений «тройника» в месте смешения потоков, а также зависимостью плотности воздуха от температуры.
Система «ствол - надшахтное здание - калориферная» моделируется в виде тройника «3-1-2» (рис. 2.1). Смешивание потоков рассматривается как их суже 9 Г Г 9ние-расширение до выравнивания их скоростей v2 — v7 л давлений Р2 = Pj.
Потери энергии на смешивание потоков учитываются слагаемыми її и z2, которые определяются экспериментально {fІ - сечения каналов, Lt - массовые расходы).
Математическая модель теплообмена в системах воздухо-подготовки для рудников
Существующие методы расчёта теплообмена воздуха и калорифера основаны на простом усреднении температуры воздуха и воды, т.е. при расчёте теплообмена предполагается, что температура воздуха равна арифметическому среднему между начальной и конечной температурой, и аналогично для воды. Такой подход достаточно груб, поскольку предполагает линейную зависимость температуры от координаты, а это не так, тем более, если рассматривается система последовательно подключённых по воде или последовательно расположенных по воздуху калориферов. Кроме того, чтобы прогнозировать замерзание калорифера, нужно знать не среднеарифметическую температуру воды и даже не интегрально среднюю, а температуру в конце последнего хода калорифера (или последовательной цепочки калориферов, если они соединены последовательно), поскольку именно там чаще всего происходит замерзание.
Сначала рассматривалась система, состоящая из одного калорифера. За основу бралась следующая формула теплообмена:где z - координата по ходу воздуха; х - координата по ходу воды; j - плотность потока тепла от воды к воздуху; Tw - температура воды; Tv - температура воздуха;к - коэффициент теплообмена (зависит от скоростей движения воды и воздуха). Пусть выделен некоторый «эшелон» воздуха сечением AS и длиной AL (по оси z), проходящий через теплообменник с начальной скоростью vv=vv(x), которая является неизвестной функцией х и подлежит определению (под начальной скоростью подразумевается скорость воздуха до соприкосновения с теплообменником, поскольку после нагрева скорость становится больше в результате расширения воздуха). Заданным и неизменным считается только общий массовый расход воздуха qo- AS считается достаточно маленьким, чтобы температуру на данном участке теплового контакта можно было считать постоянной. Для того чтобы определить температуру этого участка воздуха после теплового контакта, нужно определить количество тепла AQ, полученное выделенным объёмом воздуха AV=ASxAL, и использовать формулу баланса теплосодержания:где Qv0, Qvk - начальное и конечное теплосодержание выделенного объёма воздуха, a Q = cvpvV, где с„ р„ V- удельная теплоёмкость, плотность иобъём воздуха (произведение pvV не меняется после нагрева). AQ опеделяется как точное интегральное среднее за время теплового контактаогде AF - площадь поверхности участка теплообмена. Подставляя (3.1) и(3.2) в (3.3) и дифференцируя по z, получаем дифференциальное уравнениедля у: 623.2. Исследование компоновочных решений секций калориферных установок
Расчёт для системы калориферов аналогичен расчету одного калорифера. Для простоты предположим, что калориферы в системе одинаковые и что ряды калориферов (последовательные по воздуху) подключены параллельно по воде, а ряды содержат равное количество последовательных по воде цепочек калориферов, содержащих равное количество калориферов. В большинстве случаев на практике реализуется именно эта ситуация. В этом случае система распадается на По подсистем, содержащих пгх/гко калориферов, здесь п0 - количество последовательных по воде цепочек калориферов в каждом ряду, пко - количество калориферов в каждой цепочке ии,- количество рядов. Расчёт сводится к рассмотрению только одной подсистемы, т.к. для остальных будет то же самое. В данном случае в расчёте фигурирует уже не реальный калорифер, а эквивалентный последовательной цепочке, т.е. калорифер, у которого в пко раз больше ходов (и L, соответственно, в пк0 раз больше) и в пко раз больше сечение по воздуху. В остальном - всё то же самое. Ограничимся рассмотрением одного ряда калориферов по воздуху. При этом предполагается, что калориферы, находящиеся друг над другом, подключены последовательно по воде, составляя один эквивалентный калорифер по вертикали, - это важно для расчёта вертикальной стратификации скорости. Количество горизонтальных подсистем калориферов значения не имеет, но все они должны быть подключены к воде независимо (т.е. параллельно), чтобы не оказывать влияния друг на друга.
Исследование процессов осушения атмосферного воздуха в теплообменных аппаратах
Математическое описание осушения воздуха в калориферных установках позволяет проводить оценку работы калориферных установок в летний период года в зависимости от различных характеристик внешних факторов, таких как относительная влажность и температура наружного воздуха, температура и количество хладагента. Для оценки эффективности используется величина выпадающей влаги, те есть количество удаленной влаги из атмосферного воздуха в процессе осушения.
Расчет выполнялся на модели существующей калориферной установки ствола №1 рудника РУ-4 ПО «Беларуськалий». Установка работает по «безвентиляторной» технологии подачи воздуха в рудник и состоит из 54 калориферов КСк4-12 установленных в один ряд по воздуху.
С целью определения параметров хладагента, подаваемого в установку и обеспечивающего максимальную эффективность осушения, построены графики зависимости выпадения влаги от относительной влажности атмосферного воздуха при различных температурах и объемах поступающего в систему хладагента (рисунки 4.1 и 4.2).
Температура поступающего в систему хладагента влияет на интенсивность выпадения влаги в установке. Из рисунка 4.1 видно, что чем ниже начальная температура хладагента, тем выше количество выпадающей влаги при прочих равных условиях и характеристиках установки. Также на процесс тепломассообмена в калориферных установках влияет и количество подаваемого в них хладагента. Чем выше это количество, тем интенсивней про 90
На рисунке 4.4 показано количество выпадающей влаги при осушении воздуха на существующих безвентиляторных калориферных установках РУ-4 ПО «Беларуськалии» для расчетной температуры наружного воздуха. На рисунке видно, что количество выделяющейся влаги тем больше, чем выше относительная влажность наружного воздуха. Для расчетных параметров летнего воздуха выделение влаги в калориферных установках 4-го рудоуправления составит 3 г/м3, а общее количество выпавшей влаги составит 2 тонн/час. 4.3. Влияние осушения в теплообменных аппаратахна выпадение влаги из рудничного воздуха в стволахи околоствольных выработкахПосле охлаждения и осушения в системе воздухоподготовки воздух подается в ствол, где с ним происходят естественные процессы нагрева и изменения относительной влажности.
На рисунке 4.5 показаны основные процессы подготовки воздуха и подачи его в рудник. Так линия «Н-Н -А» отражает процесс осушения воздуха в калориферных установках, линия «Н-Н » характеризует процесс охлаждения воздуха без выделения влаги, а «Н -А» - охлаждение воздуха с выделением влаги. Далее происходит подача воздуха в ствол и смешение обработанного воздуха после калориферных установок с воздухом, поступающим из надшахтного здания. На рисунке 4.5 этот процесс изображен линией «А-С». После охлаждения и смешения воздух подается в шахту по воздухоподающему стволу, где нагревается вследствие действия на него давления (процесс «С-В»), и с параметрами точки «В» поступает непосредственно в околоствольный двор шахты.
В околоствольном дворе происходит соприкосновение воздуха с горными выработками, сопровождающееся сложным теплообменом. При этом воздух начинает охлаждаться при постоянном влагосодержании, и на некотором расстоянии от ствола начинается выпадение влаги.
