Способ регулирования теплового режима шахт и рудников

 

Использование: кондиционирование рудничного воздуха Сущность изобретения: в теплообменной выработке, по которой подают вентиляционную струю, размещают емкости, заполненные жидкостью , температура замерзания которой равна средне-зимней температуре наружного воздуха Длина части выработки, в которой размещают емкости с жидкостью, определяют™ из математического выражения

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4404380/03 (22) 19.02.88 (46) 30.12.93 Еюп. Йя 47-48 (71) Институт горного дела Севера СО PAH (72) Галкин АФ. (73) Институт горного дела Севера C0 PAH (5ф СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО

РЕЖИМА ШАХТ И РУДНИКОВ (57) Использование: кондиционирование руднично(19) КЦ (и) 2005192 Cl (5Ц 5 Е И Г Р 00

ro воздуха Сущность изобретения: в теплообменной выработке, по которой подают вентиляционную струю, размещают емкости, заполненные жидкостью, температура замерзания которой равна средне-зимней температуре наружного воздуха

Длина части выработки, в которой размещают емкости с жидкостью, опредепяютгя из математического выражения.

ЬЭ

СР

1О

ЬЭ

2005192

". п0F р, м, где G — расход воздуха в выработке, кг/с;

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для регулирования теплового режима шахт, рудников и подземных сооружений.

Преимущественно способ может быть использован для регулирования теплового режима шахт, рудников и подземных сооружений, расположенных в районах с резко континентальным климатом, при резких суточных колебаниях температуры наружного воздуха в зимний период, Известен способ регулирования теплового режима с помощью энергетических установок, например калориферов ° работающих от шахтных котельных, или электрических, Недостатком данного способа является большая энергоемкость системы регулирования теплового режима.

Для снижения затрат энергии применяют системы регулирования, основанные на использовании теплообменных выработок, в конце которых устанавливается калорифер, Недостатком данного способа регулирования является сложность использования его в районах с резко континентальным климатом, при значительных колебаниях температур воздуха в зимний период. При расчете длины выработки и мощности калориферных установок необходимо ориентироваться на минимальные значения температуры наружного воздуха. чтобы избежать прорывов холодного воздуха в действующие выработки. Это повышает стоимость и энергоемкость системы регули рования. При расчете системы на среднеэимние значения температур снижается надежность работы системы регулирования и увеличения вероятность проникновения холодного воздуха в шахту.

Целью изобретения является повышение надежности работы системы регулирования теплового режима в период резких колебаний температур наружного воздуха в зимний период.

Указанная цель достигается тем, что в теплообменной выработке равномерно по длине размещают емкости с жидкостью, температура замерзания которой равна среднезимней температуре наружного воз. духа, причем длина выработки, на которои размещают емкости, определяется по формуле

Cp — теплоемкость влажного воздуха, Дж/кг С; 0- скрытая теплота замерзания жидкости, Дж/кг; р- плотность жидкости, кг/м;

А — коэффициент теплопро водности жидкости, Вт/м С;

F — поверхность части одной емкости, заполненной жидкостью, м;

n0 — количество емкостей, расположенных на одном метре длины выработки, 1/м, вся — среднезимняя температура наружного воздуха, С;

t — максимальное понижение температуры по отношению к среднеэимнему значению, С;

r- — длительность периода с наружной

20 температурой, равной Ь,с, Сущность изобретения заключается в следующем. В теплообменной выработке устанавливаются емкости, заполненные жидкостью с температурой замерзания, равной среднезимней температуре наружного воздуха. Для того, чтобы емкости не треснули при замерзании жидкости, в них встроены полые компенсаторы. которые могут сжиматься под действием внешних сил.

Емкости устанавливаются равномерно по длине выработки на расстоянии I от ее начала, величина которого определяется по расчетной формуле. При понижении 5 температуры наружного воздуха ниже среднезимнего значения жидкость в емкостях начинает замерзать. Выделяемое при этом тепло повышает температуру воздуха, приближая ее к среднеэимнему значению, Да40 же если считать, что темп понижения температуры по длине в обоих случаях одинаков(после достижения значения температуры воздуха равенства среднезимней температуре), то очевидно, что через опре45 деленный отрезок длины распределение температуры по длине выработки будет в обоих случаях одинаковым, т.е, на выходе получим постоянную температуру. При повышении температуры наружного воздуха происходит обратный процесс, т.е. жидкость начинает оттаивать, поглощая при этом энергию из воздуха и "охлаждая" его до среднезимнего значения. Вся система работает как фильтр, сбивая амплитуды колебаний температуры наружного воздуха, при этом систеМа является саморегулирующейся; на выходе всегда можно получить постоянную температуру воздуха в зимний период.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в следующем.

2005192

Q=Gb Ср (tap-ta) t:, Дж (1) Согласно предлагаемому способу, это 35 количество. холода должно быть затрачено на фазовый переход жидкости, содержащейся в емкостях, при ее замерзании.

Q =Р (Ч, Дж (2) 40 где V — объем замерзающей жидкости за заданный промежутуок времени, м .

Объем жидкости определяется по очевидной формуле .45 (3) V=S n.F м где 3 - глубина промерэания жидкости в единичной емкости за время т, м;

rr — общее количество емкостей, единицы.

Глубина промерзания определяется из решения следующего балансового уравне- 55 ния;

А — I,=s=р 1,, Дж/с м

0T, dS 2

dx dT (4) Размещение в выработке емкостей с жидкостью, имеющей температуру замерзания, равную среднезимней температуре наружного воздуха, позволяет при понижении темпера уры воздуха ниже среднезимней, 5 обеспечить компенсацию дополнительно вносимого холода теплом, выделяющимся при замерзании жидкости. Это повышает надежность работы системы регулирования, так как температура воздуха на выходе из выработки останется приблизительно постоянной: все отклонения от средней температуры будут "погашены" путем включения дополнительных источников энергии — замерзающей в емкостях жидкостью.

Кроме того, длина выработки, на которой размещаются источники, определяется из математического выражения. Это позволяет избежать размещения в выработке 20 лишних емкостей с жидкостью, так как после повышения температуры в выработке от

ta до tgp нужды в дополнительных источниках энергии нет, Вывод расчетной формулы.

Общее количество холода, привносимое воздухом в горную выработку эа определенный промежуток времени при понижении его температуры от tQp до 7 определяется по формуле где Х вЂ” кодрдината по глубине емкости, Изменение температуры по глубине емкости примем линейным

T=0,5(асср-ь)+0,5(асср-Ь)х/S, С

Подставляя выражение (5) в выражение (4), придем к обыкновенному дифференциальному уравнению, интегрирование которого в пределах от 0 до S и от 0 до г дает

S с - fdt=2 f SdS

Р о о (с> откуда (7) Подставляя полученное выражение в формулу (3) и приравняв формулы (1) и (2), после преобразований получим окончательную расчетную формулу G. с

AoF P м (8) Здесь учтено, что n=l по, где по - кэличество емкостей на одном метре длины выработки, 1/м,.

Рассмотрим конкретный пример использования способа для регулирования теплового режима северного рудника с массовым расходом воздуха 25 кг/с. Регулирование теплового режима осуществляется с помощью теплообменной выработки, длина которой равна 1000 м, в конце которой установлен калорифер с мощностью, рассчитанной на подогрев воздуха до температуры .+2 С от температуры ty, получаемой при подаче в выработку воздуха с температурой, равной ее среднезимнему значению.

Для того, чтобы избежать прорывов холодного воздуха в основные выработки рудника, согласно предлагаемому способу размещаем через каждый метр выработки четыре емкости — металлические цилиндры диаметром 0,5 м и высотой 2,1 м (металлические бочки, поставленные оДна на другую с вырезанным дном у верхней и крышкой у нижней, сваренные между собой). Сверху цилиндр закрываем крышкой со встроенной в нее запаянной снизу и открытой сверху полихлорвиниловой гибкой трубой, которая будетслужить компенсатором при расширении замерзающей жидкости, т.е. снижать давление на стенки цилиндра. 1еплообмене Ф °

2005192

-5-25 ехр (-1,32)11,6 С.водным раствором CaCI2. Изменяя концентрацию раствора, можно легко изменить его температуру замерзания. Для данного раствора необходимо взять концентрацию

25, чтобы температура замерзания была равна минус 30 С. Плотность раствора при этом будет 1240кг/м, а скрытая теплота замерзания — 237 10 Дж/кг. Изменяя конз центрацию раствора, можно добиться тем- 35 пературы замерзания в пределах 0-50ОС, что полностью перекрывает весь диапазон возможных среднезимних температур на территории нашей страны. Определим по формуле(8) расстояние, на котором устанав- 40 ливаются емкости (Ср=1050 Дж/кг С; А 0,6

Вт/и Ос).

45 ная выработка трапециевидной формы имеет высоту 2,4 м, ширину в кровле 3 м, в почве

4 м. По ширине выработки емкости размещаем равномерно. Объем жидкости в емкости с учетом того, что компенсатор должен иметь объем 10 от объема емкости, составляет 0,9 объема емкости, Тогда поверхность теплообмена определится по формуле

F =2 л. R 0,9 И =1,8 7г и h,,(9) где h — высота емкости, м.

Для нашего случая F-2,85 и .

По длине выработки емкости разместим через один метр, т.е. no=4/2=2,2/м.

Расчетная среднезимняя температура во духа в районе рудника равна минус 30 С.

При этом возможны кратковременные в течение трех суток (72 ч = 259,2. 10з с) понижения температуры воздуха до минус 40 С, т.е. =40 Ñ. Для того чтобы "сбить" амплитуду колебаний и на выходе из выработки получить постоянную температуру воздуха, заполним емкости жидкостью, например — :.л.+. ..а

2 ° 2,85 1240 ° 237 ° 103 0,6

Таким образом, на расстоянии 605 м через каждый метр размещаем по четыре емкости размерами, указанными выше. Это даст возможность получить на выходе из теплоаккумулирующей выработки постоянную температуру воздуха при понижении ее до -40 С, т.е. получить такую же температуру, как и при входе в выработку воздуха с температурой -30 С. Подтвердим этом расчетом, сравнения предложенного способа и базового объекта, за который принят прототип, Температура воздуха в конце выработки в базовом объекте может быть

Ф определена по известной в горной теплофизике формуле.

Ь=Те фср Те) ехр (- Kz 0 I/G Ср), (10) где Те — температура горных пород в месте заложения выработки, C;

U — периметр выработки, м.

Для рассматриваемого примера 0=14 м, Те=5ОС. Коэффициент нестационарного теплообмена определяется по специальным формулам и в данном случае равен 2,5 Вт/м С.

Температура воздуха в конце выработки в базовом объекте равна ь=-БЕЗО+5)ехр(-2,5 14 1000/25 1050)=

При понижении температуры до -40 Ñ температура в конце выработки равна

Ь= -5+(-40+5) ехр (-2,67) = -14,4 С

Легко показать, что для того, чтобы повысить температуру воздуха до -11,6 С— темйературы на которую рассчитан калори фер, установленный в конце выработки, его установочная мощность должна быть увеличена на величину л

N=G Ср Л t=25 1050 (14,4-11,6)=73,5 кВт

Это позволит избежать прорыва холодного воздуха в действующий выработки рудника.

Рассмотрим аналогичную ситуацию в предлагаемом способе. Наличие емкостей с жидкостью должно обеспечить при понижении температуры на входе до -40 С температуру на выходе, равную приблизительно

-11,6 С или чуть выше, но не ниже. Проверим это. По формуле (1) находим дополнительное количество холода, вносимое в выработку при понижении температуры воздуха до -40 С.

0=25 1050(-30+40) 259,2. 10 =

=68 10 кДж.

По формуле(7) найдем среднюю глубину промерзания жидкости в емкости

0,6 — 30 +40 259,2 . 10 -2

1240 23T 10

2005192

Составитель А,Галкин

Техред М.Моргентал Корректор М.Шароши

Редактор А.Бер

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3426

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

По формуле (3) определим объем замерзшей жидкости (п=п,1) Ч-7.3 10 2,85 2 605-240 м

5 а по формуле (2) — количество тепла, выделевшегося при замерзании

0 =1340 237 10 240=70 10 кДж

Поскольку 0 > О, то очевидно, что температура в конце выработки будет при предлагаемом способе больше или равна

-11.6 С. При повышении температуры до о т =-20 С произойдет оттаивание жидкости и охлаждение вентиляционной струи, причем на выходе из выработки температура

Формула изобретения 20

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ШАХТ И РУДНИКОВ, включающий подачу вентиляционной струи через теплообменную выработку, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе системы регулирования в период резких колебаний температур наружного воздуха в зимний период, в выра- 30 ботке равномерно по длине размещают емкости с жидкостью, температура замерзания которой равна среднезимней темпераTуре наружного воздуха, причем длину выработки, на которой размещают емко- 35 сти, определяют из математического выражения

GaC

I= <(tср — taj i, ÐЮ.м. °

40 воздуха будет чуть выше или равна -11,6 С, т.е. расчетной температуре при определении установленной мощности калорифера.

Таким образом, по сравнению с прототипом способ позволяет при колебаниях температура воздуха на входе в выработку получить на выходе приблизительно постоянную температуру воздуха и избежать прорыва холодного воздуха в действующие выработки без увеличения установочной мощности калорифера, (56) Ю.B. Дядькин и др. Горная -еплофизика, Л.: 1976, с. 67 — 72.

Ю.Д. Дядькин. Основы горной теплофи- эики. М.: Недра, 1968, с. 206. где 68 - расход воздуха в выработке, кг/с;

Ср - теплоемкость влажного воздуха, Дж/кг С;

L0 - скрытая теплота замерзания жидкости, Дж/кг; р — плотность жидкости, кг/м;

А - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м С; 1

F - поверхность части одной емкости, заполненной жидкостью, м;

n0 - количество емкостей, расположенных на 1 м длины вырабогки, 1/м;

t

ta - максимальное понижение температуры по отношению к среднезимнему значению, С; г - длительность периода с наружной температурой, равной ta, с.