книги / Рудничная вентиляция
..pdfвыделяется теплота, которая отводится охлаждающей водой, про ходящей через змеевик 7. Концентрированный раствор, получен ный в абсорбере, подается насосом 5 через теплообменник в гене ратор 1. В теплообменнике концентрированный раствор подогре вается слабым раствором LiBr, перетекающим из генератора в абсорбер. Затем рабочий цикл повторяется в прежней последо вательности.
5.3. Системы и схемы кондиционирования воздуха в шахтах
Различают общешахтные и местные СКРВ, а также средства индивидуальной тепловой защиты (СИЗ). Общешахтные СКРВ предназначены для охлаждения воздуха в очистных забоях и выработках, проветриваемых с помощью вентиляторов главного проветривания, и сооружаются с целью применения в течение всего периода существования шахты (стационарные системы). Общешахтные системы современных глубоких шахт и рудников состоят из холодильных установок, устройств для снижения дав ления хладоносителя (теплообменников высокого давления, ги дротурбин), воздухоохладителей (трубчатых или оросительных теплообменников), устройств для отвода за пределы шахты теп лоты, отнятой у воздуха в СКРВ, циркуляционных трубопрово дов, связывающих отдельные элементы СКРВ, насосного обору дования, КИП, средств автоматики. Стационарные системы клас сифицируются: по типу холодильных установок (парокомпрес сионные, абсорбционные), по расположению холодильной уста новки (на поверхности шахты или в одной из подземных вырабо ток), по расположению устройств для отвода теплоты конденса ции (на поверхности шахты или в одной из подземных выработок), по расположению воздухоохладителей (у входа в воздухопода ющий ствол, вблизи околоствольного двора — центральные схемы, у входа в участковый штрек — групповая схема, у входа в очист ной забой — местная схема). Современные СКРВ часто являются комбинированными, т. е. включают в себя холодильные уста новки, расположенные как на дневной поверхности, так и на подземных горизонтах, и воздухоохладители, расположенные в нескольких пунктах по ходу движения вентиляционной струи (многоступенчатые системы).
СКРВ с расположением холодильной установки на дневной поверхности или на рабочем горизонте, но с отводом на поверх ность теплоты конденсации являются обычно двухконтурными.
В первом контуре (высокого давления), состоящем из оборудова- - ния, расположенного на поверхности, и подземного устройства для снижения гидростатического давления (теплообменник вы сокого давления, гидротурбина), связанных между собой трубо проводами, рассчитанными на высокое давление, циркулирует первичный хладоноситель или конденсаторная вода первого кон тура.
Второй контур (низкого давления) предназначен для подачи вторичного хладоносителя от теплообменника (турбины) или подземной холодильной установки к воздухоохладителю либо (при подземной холодильной установке) для подачи конденсатор ной воды от теплообменника (турбины) к конденсаторам холо дильной установки. Отвод теплоты конденсации в подземных условиях осуществляется с помощью подземных градирен, раз мещаемых на исходящей вентиляционной струе, используемой в этих градирнях для охлаждения конденсаторной воды. В ка честве последней можно использовать шахтную воду, предвари тельно химически обработанную для снижения коррозийной агрессивности и жесткости. Подземные градирни соединяют с кон денсаторами холодильных установок трубопроводами. Трудности в обеспечении подземных холодильных установок конденсатор ной водой исключаются при применении выносных конденсато ров, расположенных на исходящей струе и охлаждаемых возду хом (воздушных конденсаторов).
Выбор принципиальной схемы общешахтного кондиционирова ния воздуха в шахте производится на основе технико-экономиче ского сопоставления ее различных вариантов. При этом стре мятся к обеспечению наименьшей стоимости единицы расходуе мой данной системой на охлаждение воздуха энергии (кВт-ч) при прочих равных условиях (эффективность, надежность, без опасность, удобство обслуживания и ремонта и т. п.), т. е. ре шают задачу оптимизации системы по фактору наименьшей стои мости. Основными характеристиками стационарной СКРВ яв ляются ее номинальная холодильная мощность Q (кВт) и эффек тивность Е. Под Q понимают обычно суммарную мощность агре гатов холодильной установки при условиях эксплуатации, ха рактеризуемых температурой кипения tQи температурой конден
сации fK |
рабочего тела (в парокомпрессионных |
установках). |
Q агрегата |
повышается с ростом tQи понижением |
tK, последняя |
зависит от температуры конденсаторной воды. Эффективность СКРВ определяется отношением теплоты, отнятой в единицу времени у воздуха во всех воздухоохладителях данной системы, к ее холодильной мощности при данных условиях. Обычно Е < \ из-за воздействия окружающей среды (теплообмен между холодоносителем и окружающим воздухом через стенки трубопроводов^ утечек хладоносителя, потерь, обусловленных гидравлически^ сопротивлением (диссипативные потери), снижения интенсивности теплообмена в воздухоохладителях и теплообменниках высокого давления из-за загрязнения поверхности трубок в них различными отложениями и шахтной пылью.
Повышение эффективности СКРВ достигается теплоизоляцией трубопроводов, их уплотнением, снижением гидравлического со. противления, применением эффективных конструкций теплоо§. менников и воздухоохладителей и их очисткой от загрязнений Для эффективного охлаждения воздуха непосредственно в лавд^
42
разработана и выпускаются компактные переносные воздухо охладители с оребренными поверхностями ВЛ-1-ВЛ-8.
При достаточно длительной эксплуатации данного горизонта предпочтение следует отдавать схемам с подземным расположе нием воздухоохладителей, обеспечивающим максимальное их при ближение к пунктам доставки охлажденного воздуха и размеще ния холодильных машин на поверхности.
Для уменьшения потерь холода при его доставке с поверх ности на глубокие горизонты и улучшения условий эксплуатации разработана и осуществлена технология, позволяющая связывать холодильные станции, установленные на поверхности, с подзем ными воздухоохладителями, не прибегая к прокладке трубопро водов в шахтных стволах и горных выработках. Для этого холо дильные станции или градирни соединяют с подземным теплооб менным оборудованием специально пробуренными скважинами, направленными к наиболее удаленным от воздухоподающих ство лов участкам шахтного поля, на которых охлаждается воздух. Скважины служат для подачи на глубокие горизонты хладоносителя или конденсаторной воды. Из прогрессивных зарубежных решений следует отметить применение в СКРВ винтовых холодиль ных компрессоров, гидротурбин, охлаждение технической воды, подаваемой в шахту с целью уменьшения испарения.
Для работы на поверхности шахты используют холодильные машины, выпускаемые промышленностью и работающие в том интервале температур, который соответствует шахтным условиям. Ввиду необходимости более глубокого охлаждени я воздуха при его обработке на поверхности температура испарения в таких машинах несколько ниже, чем в подземных машинах, и прини мается равной —5— |-15°С. Температура конденсации находится в пределах 30—50 °С.
Этим условиям наиболее соответствуют паровые компрессор ные хладоновые холодильные машины. При наличии дешевого или бросового водяного пара используются абсорбционные уста новки, отличающиеся простотой обслуживания и пониженным расходом электроэнергии.
Специально для шахт разработан абсорбционный бромисто литиевый холодильный агрегат АБХА-2500-2Б со ступенчатой регенерацией раствора, поддерживающий температуру на уровне +4 °С. По сравнению с установками, работающими по тради ционной схеме (см. рис. 5.3), на выработку единицы холода в нем расходуется меньше тепловой энергии в 1,6 раза и охлаждающей воды на 20 %.
К подземным холодильным машинам предъявляются допол нительные требования, такие, как компактность, удобство обслу живания и надежность работы, безвредность, взрыво- и пожаро безопасность хладагентов, повышение температуры их конденсации до 60 °С. В этой связи в качестве рабочих тел подземных холодиль ных установок практически могут быть выбраны лишь хладоны.
Местное кондиционирование в шахтах предусматривается для проводимых тупиковых выработок, а также выработок с норми рованными параметрами микроклимата, обособленных от обще шахтной вентиляционной системы (камер, складов и т. п.). Оно осуществляется, как правило, с помощью автономных воздухо охладительных агрегатов на основе парокомпрессорных холодиль ных установок или воздушных турбодетандеров. Установки пер вого типа выпускаются в СССР в виде передвижных шахтных кондиционеров с Q = 50-4-230 кВт. Охлажденный в таких агре гатах воздух подается в забои по трубам с помощью вентиляторов местного проветривания. Теплота конденсации автономных кон диционеров отводится за пределы выработки с помощью шахтной или технической воды. В турбодетандерах (Q = 15-ьЗО кВт) сжатый воздух из шахтной сети расширяется и охлаждается с превращением части энергии в механическую, чем достигается понижение температуры воздуха в месте выпуска в атмосферу выработки. Промышленностью выпускаются турбодетандеры типа РВК и ВВК. СИЗ предназначены для тепловой защиты организма человека, занятого тяжелой физической работой в забоях с вы сокой температурой и на других рабочих местах. В качестве СИЗ в СССР и за рубежом разработаны костюмы и жилеты с водяным охлаждением, ранцевые вихревые трубы, охлаждаемые головные уборы.
Холодильная мощность отечественных шахтных холодильных
агрегатов и кондиционеров при температуре испарения t0 = |
5 °С |
|||||
и температуре компенсации tK = 45 °С (для |
компрессорных |
ма |
||||
шин) |
составляет: |
|
|
|
кВт; КПШ-3 |
|
передвижных кондиционеров ВК-230—230 |
||||||
105 кВт; КПШ-40П с |
пневмоприводом — 52 |
кВт; |
|
|||
турбокомпрессорных |
холодильных |
машин |
ШХТМ-1300 |
|||
1500 |
кВт, ХТМФ-235М-2000 — 2325 |
кВт, |
ХТМФ-248-4000 |
|||
4650 кВт; поршневой холодильной машины МФ-220-1РШ — 255 кВт;
адсорбционной холодильной машины АБХА-2500-2В * — 2800 кВт.
Для стационарной работы на поверхности используются Ма шины ХТМФ-235М-2000, ХТМФ-248-4000, АБХА-2500-2В, а ма шины ШХТМ-1300 и МФ-220-1РШ устанавливаются на глубоких горизонтах.
* При температуре кипения хладагента 4,1 °С, температуре охлаждающей воды 26 °С, давлении горячего пара 0,7 МПа, расходе пара 4,4 т/ч.
Часть вторая
РУДНИЧНАЯ АЭРОМЕХАНИКА
Рудничная аэромеханика — раздел рудничной аэрологии, изу чающий законы движения воздуха, его газообразных и твердых примесей, а также тепла в шахтных вентиляционных потоках.
в.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ, ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
6.1.Основные физические характеристики воздуха
Давление воздуха — интенсивность сил, с которой воздух дей ствует по нормали на расположенные в нем поверхности; размер ность L-1MT-2, единица измерения — паскаль (Па).
Барометрическое (атмосферное) давление воздуха р равно сумме парциальных давлений сухого воздуха рсух и находящихся в нем паров воды рпар:
|
Р ~ Рсух Рплр- |
|
|
(6.1) |
|
Нормальное |
атмосферное давление |
равно |
101 325 Па. |
пара. |
|
Влажность |
воздуха — содержание |
в |
воздухе водяного |
||
Абсолютная влажность — количество |
водяного пара, |
содер |
|||
жащееся в единице объема воздуха; измеряется в г/м*. |
влаж |
||||
Относительная влажность — отношение |
абсолютной |
||||
ности воздуха к максимальной абсолютной влажности, насыща ющей воздух при данной температуре, или отношение парциаль ного давления водяного пара в воздухе к парциальному давлению пара, насыщающего воздух при данной температуре; измеряется в процентах. В шахтах относительная влажность обычно увели чивается по направлению движения воздуха и может достигать
90—100 %. |
шахтного |
воздуха |
приведены |
|||
Тепловые характеристики |
||||||
в разд. 15. |
|
|
|
|
|
|
При нормальном атмосферном давлении плотность воздуха |
||||||
изменяется в зависимости от температуры: |
|
|
|
|
||
температура, °С |
—20 |
—10 |
0 |
10 |
20 |
40 |
плотность, кг/м9 |
1,39 |
1,34 |
1,29 |
1,24 |
1,2 |
1,12 |
Вязкость — свойство воздуха оказывать сопротивление каса тельным усилиям. Динамический коэффициент вязкости р (ко эффициент внутреннего трения) — сила трения между двумя
Т аб ли ц а 6.1
Зиачения кинематического коэффициента вязкости воздуха, MVC
Темпе- |
|
|
|
V■10е при давлении, |
гПа |
|
|
|
ратура, |
|
|
|
|
|
|
|
|
°С |
931 |
957,6 |
984,2 |
1010,8 |
1037,4 |
1064 |
1090,6 |
1117,2 |
— 5 |
13,61 |
13,23 |
12,88 |
12,54 |
12,21 |
11,91 |
11,62 |
11,35 |
0 |
14,1 |
13,71 |
13,34 |
13 |
12,65 |
12,34 |
12,04 |
11,75 |
5 |
14,61 |
14,21 |
13,82 |
13,46 |
13,12 |
12,79 |
12,47 |
12,18 |
10 |
15,13 |
14,71 |
14,3 |
13,93 |
13,57 |
13,23 |
12,91 |
12,6 |
15 |
15,65 |
15,22 |
14,8 |
14,41 |
14,05 |
13,7 |
13,76 |
13,04 |
20 |
16,19 |
15,74 |
15,32 |
14,91 |
14,53 |
14,17 |
13,82 |
13,5 |
25 |
16,72 |
16,26 |
15,82 |
15,4 |
15,04 |
14,63 |
14,28 |
13,94 |
30 |
17,28 |
16,8 |
16,35 |
15,92 |
15,51 |
15,12 |
14,75 |
14,41 |
35 |
17,85 |
17,35 |
16,89 |
16,44 |
16,02 |
15,62 |
15,24 |
14,87 |
40 |
18,42 |
17,91 |
17,43 |
16,97 |
16,53 |
16,13 |
15,73 |
15,35 |
слоями воздуха, отнесенная к единице площади, при градиенте скорости, равном единице (Па-с). Кинематический коэффициент вязкости (м2/с)
V = р/р. |
(6.2) |
Динамическая вязкость воздуха в зависимости от темпера
туры |
составляет: |
|
|
|
|
|
|
температура, вС |
—20 |
—10 |
0 |
10 |
20 |
40 |
|
р-10‘ |
(Па-с) |
1,59 |
1,65 |
1,71 |
1,77 |
1,81 |
1,9 |
Значения кинематического коэффициента вязкости воздуха при различных температуре и давлении приведены в табл. 6.1.
6.2. Аэростатика
Аэростатика — наука о равновесии воздуха.
Основное уравнение аэростатики (уравнение равновесия) в про
екциях на координатные оси имеет вид |
|
dp = р (X dx + Y dy + Z dz), |
(6.3) |
где p — давление; p — плотность воздуха; X, Y, Z — проекции объемной (массовой) силы, отнесенной к единице массы; х, у , г — координаты.
Если ось Oz направлена вертикально вниз и объемной силой является только сила тяжести, то уравнение (6.3) принимает вид
dp = |
pg dz, |
(6.4) |
где g — ускорение свободного |
падения. |
|
Одна из основных задач аэростатики — определение давления |
||
в неподвижном воздухе. Давление на нижней границе |
столба |
|
46
воздуха, имеющего высоту h, равно сумме давления на верхней границе столба и давления, создаваемого весом столба воздуха. Оно рассчитывается по барометрическим формулам:
для изохорического процесса (р = const)
|
|
Р = Ро + |
gph-, |
|
|
(6.5) |
|
для изотермического процесса |
(температура Т = |
const) |
|||||
|
р = р0 exp |
[h/(RT)h |
|
|
(6.6) |
||
для адиабатического и политропического процессов |
|
||||||
|
Р = |
Ро [1 + gpoh/fiPo) Iх, |
|
(6.7) |
|||
где ро, |
ро — давление |
и плотность на верхней границе |
столба |
||||
воздуха; |
R — газовая |
постоянная |
(для |
сухого воздуха |
R = |
||
= 29,27 м/градус); Т — абсолютная температура; Я = |
ke/(kc — 1); |
||||||
kc = Cp/cD (для адиабатического |
процесса |
kc = 1,41; для |
поли |
||||
тропического kc = п; |
п — показатель политропы); |
ср — тепло |
|||||
емкость |
воздуха при постоянном давлении; с„ — то |
же, при по |
|||||
стоянном объеме.
Формула (6.5) справедлива при градиенте температуры 3,37 °С на 100 м вертикальной глубины, формула (6.7) — для адиабатиче ского процесса при градиенте температуры 1 °С на 100 м.
В состоянии механического равновесия температура зависит от вертикальной координаты линейно. В этом случае при поли-
тропическом процессе |
|
In (р/р0) = W(ahR)] In l(T0 + a,,h)/T0], |
(6.8) |
где ah — изменение температуры на 1 м глубины; Т0 — темпера тура на верхней границе столба воздуха.
При отсутствии заметных эффектов сжатия применим закон Паскаля: изменение давления в одной точке вызывает такое же изменение давления во всех других точках.
Согласно закону Архимеда, на находящееся в воздухе тело действует выталкивающая сила Р, направленная вертикально вверх и численно равная весу воздуха в объеме тела:
P = |
gpQ, |
(6.9) |
где Q — объем тела; р — средняя плотность |
воздуха на уровне |
|
расположения тела. |
W < Р оно всплывает, при W = |
|
Следовательно, при весе тела |
||
= Р тело находится в равновесии и при W > |
Р тело опускается. |
|
Атмосферное давление в шахте неоднозначно: в более глубоких выработках оно больше, чем в менее глубоких (см. формулы (6.5)—(6.8)). Изменение атмосферного давления на поверхности вызывает такое же по величине и знаку изменение давления воз духа в шахте. Работа вентилятора изменяет атмосферное давление в шахте: при всасывающем способе вентиляции оно меньше, при нагнетательном — больше давления в неподвижном воздухе.
6.3. Основные понятия н определения для потока воздуха в горной выработке
Виды давления. В шахтных вентиляционных потоках суще ствует статическое рст и динамическое (скоростное) рта (ск) давление.
Первое создается внешними силами (атмосферным давлением на поверхности, вентилятором) и весом столба воздуха, запол няющего выработки от поверхности до данной точки в потоке; оно практически постоянно в поперечном сечении выработки. Статическое давление численно равно потенциальной энер гии единицы объема воздуха. Динамическое (скоростное) дав ление определяет кинетическую энергию единицы объема воз духа:
Рдвя = Р«2/2, |
(6-10) |
где р и и — соответственно плотность и скорость воздуха. Статическое давление действует во всех направлениях, ско
ростное — только в направлении скорости потока (не действует на плоскости, параллельные потоку).
Полное давление в какой-либо точке
Р о Р с т “Ь Р дин- ( 6 .Н )
Депрессией называется разность давлений (энергий) в двух точках потока. Различают депрессию статическую (разность ста тических давлений), динамическую (разность динамических дав лений) и полную (разность полных давлений).
Режимы движения. Существуют два режима движения: лами нарный и турбулентный. Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением частиц воздуха по параллельным траекториям. Перемешивание в потоке происходит в результате взаимопроникновения молекул. При турбулентном режиме дви жение частиц воздуха хаотично, перемешивание обусловлено взаимопроникновением отдельных объемов воздуха и поэтому происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном ре жиме.
При стационарном ламинарном движении скорость воздуш ного потока в точке постоянна по величине и направлению; При турбулентном движении ее величина и направление переменны во времени.
Турбулентность является следствием внешних (заносимых
впоток) или внутренних (генерируемых в потоке) возмущений. Турбулентность шахтных вентиляционных потоков, как правило, внутреннего происхождения. Ее причина — вихреобразовайия при обтекании потоком неровностей стен выработки и предметов
ввыработках.
Критерием устойчивости турбулентного режима является число Рейнольдса:
Re = uDh, |
(6.12) |
где и — средняя скорость движения воздуха в выработке; D — гидравлический диаметр выработки;
|
|
D = 4S/P; |
(6.13) |
|
S — площадь |
поперечного |
сечения выработки; Р — периметр |
||
поперечного сечения |
выработки; v — кинематический |
коэффи |
||
циент вязкости |
воздуха. |
которого турбулентное |
движение |
|
Число Рейнольдса, |
выше |
|||
устойчиво, называется критическим. Для горных выработок оно равно 1000—1500, для гладких труб — 2300. В горных выработ ках движение воздуха, как правило, турбулентное; при фильтра ции возможен как ламинарный, так и турбулентный режим.
6.4. Закон сохранения массы. Уравнение неразрывности
Закон сохранения массы гласит, что масса любого объема воздуха в процессе движения остается постоянной, т. е.
|
|
|
АМШ = d (pQ)/d* = 0, |
|
(6.14) |
|||
где |
М — масса |
объема Q; |
t — время; |
р — средняя |
плотность |
|||
воздуха в объеме й. |
|
|
|
|
|
|||
|
Уравнение неразрывности (6.14) тождественно следующим |
|||||||
уравнениям в проекциях скорости потока: |
|
|
||||||
|
в декартовых координатах х, у, г |
|
|
|
||||
|
|
dp/dt + |
д (ри)/дх + |
д (рv)/dy + |
д (рw)/dz = 0; |
(6.15) |
||
|
в цилиндрических координатах х, г, 0 (ось Ох направлена |
|||||||
вдоль оси цилиндра, ось Or — вдоль радиуса его |
поперечного |
|||||||
сечения, 0 — угол поворота |
оси |
Or от |
начального |
положения) |
||||
|
dp/dt -f р [ди/дх + dvr/dr + |
(1/г) dvg/âQ -+- vr/r] = |
0, |
(6.16) |
||||
где |
и, |
v, vr, w — проекции |
скорости соответственно |
на оси Ох, |
||||
Оу, |
Or, |
Oz; ve — проекция скорости на |
направление, |
перпенди |
||||
кулярное к плоскости хОг; |
г — расстояние от оси |
цилиндра до |
||||||
рассматриваемой |
точки вдоль оси Or. |
|
|
|
||||
Частные случаи. При стационарном движении воздуха пере менной плотности (изменение температуры в направлении движе
ния; dp/dt = 0) |
|
d (ри)/дх -f d (рv)/ây + d (рw)ldz = 0. |
(6.17) |
При стационарном движении воздуха постоянной плотности
(несжимаемая жидкость; |
dp/dt = |
0 р = const) |
|
du/âx + |
dv/ày -f |
âw/dz = 0. |
(6.18) |
и, |
и} |
Рис. 6.1. Схема к уравнению расхода воздуха для участка с разветвлением
При стационарном движении в прямолинейной выработке по стоянного сечения (р = const; dp/dt = 0; v = w = 0; dv/dy =
= dw/dz = 0)
ди/дх = 0; и =const. |
(6.19) |
В соответствии с законом сохранения массы увеличение ско рости потока в одном направлении сопровождается уменьшением
еев другом направлении. Уравнение расхода
UiSi = ^ц 5 ц , |
(6.20) |
где Ui — средняя скорость в первом поперечном сечении вы работки; Sх — площадь первого поперечного сечения выработки; и1Ъ 5 ц — то же, для второго сечения (сечения выбираются произвольно).
Уравнение (6.20) применимо для участка выработки, где нет разделения потока или слияния нескольких потоков. Если между первым и вторым сечениями имеется п разветвлений (слияний) потока, то
UiSj = ^IISJX + 5J dh(tiiSi), |
(6.21) |
t=\ |
|
где i — номер потока, отделяющегося от рассматриваемого участка выработки или подходящего к нему.
Слагаемые под знаком суммы в правой части уравнения (6.21) берутся с плюсом, если соответствующие им потоки отделяются на рассматриваемом участке, и с минусом, если они вливаются. Так, для схемы, изображенной на рис. 6.1,
UiSi = UnSii + UiSi — u2S2+ w3S8,
Si, Sa, Sg, ulf u2, u3 — площади и скорости соответственно в се чениях 1—У, 2—2 и 3—3.