Введение к работе
Актуальность работы. Калориферные установки (КУ) являются наиболее энергоемкими объектами систем теплоснабжения шахт. На их долю приходится до 70-90% всего потребляемого на шахте тепла. Общий расход первичного топлива на нагрев воздуха только по шахтам Кузбасса составляет около 500 тыс. т условного топлива в"год. Шесте с тем, для подогрева шахтного приточного воздуха в условиях Сибири, Урала и Крайнего Севера преимущественно применяются безвентиляторные КУ, построенные по типовым проектам 50-60-х годов. Процесс управления и контроля за их работой практически сводится к обеспечению незамерзания как отдельных калориферных секций так и всей установки в целом- При низком коэффициенте теплопередачи 10-13 Вт/(м?К), вместо нормативных 20-25 Вг/(м*К), это приводит к снижению энергетической эффективности работы всей системы теплоснабжения шахты, перерасходу топлива и повышению уровня загрязнения окружающей среды. Аварии на КУ приводят к нарушению нормальной работы горного предприятия, а иногда, и полной его остановке. Кроме прямых убытков, связанных с восстановительными и ремонтными работами, убытками от снижения уровня добычи и реализации угля, подобные аварии ведут к снижению производительности труда, увеличению простудных заболеваний шахтеров, повышению затрат на медицинское обслуживание и, как следствие, к росту социальной напряженности в обществе.
Применение новых видов оборудования, технологий, материалов, рациональных структур и режимов работы КУ в значительной степени сдерживается отсутствием методики оценки эффективности энергетических превращений. Это позволяет сделать зксергетический метод термодинамического анализа, который уже более трех десятилетий успешно применяется в химии, металлургии, "большой" энергетике и других отраслях промышленности для оценки количества и качества протекающих в системе анергетических превращений.
Эксергия характеризует максимальную работоспособность потока энергоносителя. Она определяет превратимость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях. Использование эксергетического метода для сравниваемых вариантов КУ позволяет выявить для совершенствования те элементы, в которых происходят наибольшие потери работоспособной энергии и которые, в конечном счете, в наибольшей степени влияют на перерасход топлива
Поэтому исследование шахтных КУ с использованием эксергетического анализа является актуальным.
Цель работы - повышение энергетической эффективности шахтной калориферной установки, как элемента топливно-энергетического комплекса горного предприятия.
Идея работы заключается в использовании эксергетического анализа для оценки эффективности шахтных калориферных установок и путей их совершенствования.
Задачи исследований:
провести анализ и разработать классификацию существующих и перспективных способов расчета и подогрева шахтного вентиляционного воздуха;
разработать методику оценки энергетической эффективности шахтных КУ с точки зрения эксергетического подхода;
разработать алгоритмы расчета и программы для ПЭВМ, обеспечивающие многофакторное математическое моделирование термодинамических, гидромеханических и физических процессов для наиболее распространенных в настоящее время НУ;
на- основе численного эксперимента-установить особенности влияния различных факторов технологической структуры и режимов работы КУ на эффективность преобразования энергии в системе;
результаты исследований использовать при разработке методики инженерного расчета, проектирования и реконструкции шахтных КУ.
Научные положения, разработанные автором и их новизна.
выявлены закономерности взаимосвязи основных .параметров, определяющих структуру, режим работы-.и эффективность шахтных КУ;
установлено, что все конструктивные (тип и модель калориферов, их число в стояке и во всей установке, диаметры труб гидравлической разводки) и технологические независимые переменные (температуры теплоносителя и вовдуха, их расходы, давление теплоносителя и его потери в системе) оказывают существенное "влияние на энергетическую эффективность КУ;
установлено, что абсолютная величина эксергетических потерь, обусловленная конечной разностью температур при теплообмене между теплоносителями, является определяющей для суммарных эксергетических потерь в шахтной КУ. Она более чем на порядок выше эксергетических потерь от гидравлических сопротивлений и на два порядка выше потерь, обусловленных излучением, в окружающую среду;
установлено, что потери от гидравлических сопротивлений по воздушному тракту КУ сравнимы с потерями эксергии в результате радиации тепла в окружающую среду;
установлено, . чтоэксергетический КПД, определяемый с учетом
- Б -потерь от недорекуперации, более чем в три раза ниже значения эк-сергетического КПД процесса с замкнутым циклом, где подобные потери отсутствуют;
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач; использованием классических положений и методов теории тепломассообмена, опытом применения эксергетического анализа в промышленной теплоэнергетике, химии, металлургии и других отраслях промышленности для обоснования математических моделей термо- и гидродинамических-процессов' в КУ; применением методов системного анализа, планирования эксперимента, математической статистики, теории вероятности и математического моделирования сложных систем; достаточным объемом численного эксперимента и сопоставимостью его результатов с результатами аналитического решения тестовых задач.
Научное значение работы состоит в выявлении закономерностей и взаимосвязей, основных параметров, определяющих структуру, режим работы и эффективность шахтных КУ.
фактическая ценность работы 'заключается в том, чао ее результаты позволили:
разработать методику инженерного расчета шахтных КУ с применением ПЭВМ по критерию зксергетической эффективности;
применять для расчета калориферов разработанные модели и программы;
расчитывать величину эксергетических потерь в КУ;
повысить качество проектирования и эффективность эксплуатации шахтных калориферов.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в "Мэтодике инженерного расчета шахтных калориферных установок" и рекомендованы АООТ "Лэнинскуголъ"для практического применения на шахтах общества На основании данных исследований была реконструирована КУ шахты "Кузнецкая".
Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались и обсуждались: на областной научно-практической конференции "Мэлодые ученые Кузбасса народному хозяйству" (г. Кемерово, 1990), в Московском горном институте (г. Мэсква, 1991), научных семинарах кафедры "Стационарные и транспортные машины" КузГТУ (г. Кемерово, 1992, 1994, 1996), техническом совещании главных механиков шахт АООТ "Лэнинскуголь" (г. Ленинск-Кузнецкий, 1996).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, че-
тырех глав, заключения и содержит 162 страницы машинописного текста, 59 рисунков, 7 таблиц, списка литературы из 170 наименований и 2 приложений.