Способ авторегулирования температуры воздуха, подаваемого в шахту, и его реализация

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проветривании шахт. Способ авторегулирования температуры воздуха, подаваемого в шахту, включает использование геотермального тепла воды шахтного водоотлива, при этом трубу водоотлива с радиаторами для увеличения площади теплообмена между водой и воздухом проводят через поверхностный тоннель длиной 30-50 м, расположенный перед калорифером, при этом труба выполнена не менее чем с двумя поворотами и установлена с постоянным уклоном не менее 0,02 по ходу течения воды. Способ позволяет существенно экономить тепловую энергию зимой и охладить теплый воздух летом. 2 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при проветривании угольных шахт.

Известен способ проветривания шахт с подачей атмосферного воздуха с отрицательной температурой в сети теплообменных выработок с большой поверхностью теплообмена за счет использования глубинных процессов теплоотдачи геотепла, аккумулированного в окружающих выработку горных породах, теплопроводность которых усилена увеличением в них влажности и установкой теплопроводных анкеров [1].

Недостаток способа заключается в том, что для использования подогрева воздуха геотермальным теплом необходимо проводить, специально оборудовать и поддерживать сеть горных выработок от поверхности до нижнего горизонта, что требует дополнительных капитальных затрат и текущего обслуживания.

Известен способ использования геотермальной энергии при проветривании шахт, который включает подачу в шахту атмосферного воздуха с отрицательной температурой, при этом в поток атмосферного воздуха непрерывно вводят шахтную воду через форсунки в виде факела в распыленном состоянии по всей площади потока и осуществляют теплообмен до момента достижения воздухом температуры не ниже 2°C, после чего подогретый воздух направляют в эксплуатационные выработки, а осевшую в водоподающем канале воду собирают и направляют в шахтный зумпф для последующего подогрева за счет использования глубинных процессов теплоотдачи геотермальной энергии от окружающих зумпф горных пород [2].

Недостаток способа заключается в том, что в факелы подается неочищенная шахтная вода с микронными взвесями, что усиливает пылеопасную обстановку в шахте, а при низких температурах, -20°C и ниже, из факелов воды будет выпадать снег, иней, при этом возврат воды в шахту грозит затоплением горных выработок, и количество подаваемой в факелы воды зависит от разности температур воды и воздуха.

Задачей предлагаемого изобретения является использование геотепла, содержащегося в откачиваемых из шахты водах для компенсации разности температур между подаваемым в шахту воздухом и водой водоотлива для снижения энергозатрат на подогрев воздуха на калорифере зимой и на охлаждение воздуха в холодильных установках летом.

Решение задачи достигается за счет того, что выдачу воды шахтного водоотлива производят по трубе, имеющей радиаторы для увеличения площади теплообмена между водой и воздухом и проходящей через поверхностный тоннель длиной 30-50 м, расположенный перед калорифером, при этом труба выполнена не менее чем с двумя поворотами и установлена с постоянным уклоном не менее 0,02 по ходу течения воды.

Реализация способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен общий вид установки, реализующий способ.

На фиг.2 показано сечение тоннеля с расположенной в нем трубой с четырьмя поворотами и радиаторами.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - поверхность шахты; 2 - шахтный ствол; 3 - вентиляционный шлюз; 4 - вентиляционный канал; 5 - главный вентилятор; 6 - калорифер (холодильная установка); 7 - тоннель; 8 - трубы водоотлива; 9 - угол наклона трубы водоотлива, обеспечивающий слив воды при отключении водоотлива, что исключает размораживание трубы в зимнее время; 10 - радиаторы на трубе в тоннеле; 11 - опоры труб в тоннеле.

Установка работает следующим образом. При температуре воздуха, поступающего в тоннель, равной температуре воды, установка находится в нейтральном режиме, т.е. отсутствует передача тепла между водой и воздухом.

При условии, что температура воздуха меньше температуры воды (t_возд<t_воды) происходит передача тепла от воды к воздуху, что снижает нагрузку на калорифер.

При условии, что температура воздуха больше температуры воды (t_возд>t_воды) происходит передача тепла от воздуха к воде, и воздух поступает в шахту охлажденным.

В качестве примера можно рассмотреть работу установки в зимнее время для шахты при подаче воздуха на проветривание в количестве Q_возд=2400 м³/мин или 40 м³/с, и подачей воды водоотлива Q_вод=180 м³/ч=3 м³/мин=0,05 м³/с. В тоннеле вода остывает от 10°С до 4°С, т.е. на 6°С воздух нагревается от отрицательной температуры -t_возд°С до +2°С.

Из уравнения теплового баланса

Q_вод·ρ_вод·С_вод·Δt_вод=Q_возд·ρ_возд·С_возд·T_возд,

при ρ_вод=1000 кг/м³; С_вод=4,18 кДж/(кг·К); Δt_воды=6°С; ρ_возд=1,29 кг/м³; С_возд=1,009 кДж/(кг·К) следует, что Δt_возд=24°С и Δt_возд=-22°С.

При температуре воздуха выше -22°С шахтный приток обеспечивает его нагрев до +2°C.

Следует рассмотреть условия теплопередачи при следующих технических данных трубы и радиаторов. Предполагаем, что труба имеет диаметр d_тр=0,3 м, r_тр=0,15 м, длина туннеля L_тун=30 м, при четырех поворотах общая длина трубы равна 30·5=150 м.

Скорость воды в трубе

Время пребывания воды в тоннеле

Площадь теплопередачи через стенки трубы

S_т.п..=π·d·l_тр=3,14·0,3·150=140 м².

Коэффициент теплопередачи [3] «текущая вода - металлическая стенка»

Количество тепла, передаваемого трубой каждую секунду при остывании на 6°С, составит

А=α·S·Δt=2,1·140·6=1760 кВт.

С другой стороны, это тепло должен воспринимать воздух. Коэффициент теплопроводности «воздух - гладкая стенка» [3] равен

α_возд=5,6+4υ_возд,

где υ_возд - скорость воздуха, м/с.

Скорость воздуха равна

где S_тон - площадь поперечного сечения тоннеля, м²;

Тогда

α_возд=5,6+4·4=21,6 кВт/(м²·К).

Время пребывания воздуха в тоннеле

Мощность - воспринимающая тепловой напор - должна быть не ниже

Для этого необходимо, чтобы площадь передачи тепла воздуху была равной

Так как

S=150 м·П,

где П - периметр трубы с радиаторами, то

Периметр самой трубы равен π·d_тр=3,14·0,3=0,94 м, то дополнительных 2,06 м получается за счет 8 радиаторов высотой не менее 0,13 м каждый (с учетом их двухстороннего обдува).

Следовательно, для условий Южного Кузбасса, где за последние десять лет средняя температура зимы равна -12,9°С, калориферную установку нужно будет включать только при пиковых понижениях температуры воздуха ниже -22°С.

Основное время воздух будет подогреваться в тоннеле геотермальным теплом, полученным от откачиваемой из шахты воды шахтного притока.

В летние месяцы вода шахтного притока будет охлаждать воздух, в нашем примере от +34°С до +18°С, что соответствует гигиеническим нормативам.

Уклон всех труб в тоннеле под углом 0,02 обеспечивает защиту от размораживания трубы в тоннеле на случай остановки водоотлива в зимнее время. При остановке вода самотеком освободит трубопровод.

Литература

1. Патент РФ №2166094, 7 E21F 1/00 от 17.06.1997 г. Способ проветривания шахтных выработок, опубл. 27.04.2001.

2. Патент РФ 2162945 7 E21F 1/00 от 26.06.1998 г. Способ использования геотермальной энергии при проветривании шахт, опубл. 10.02.2001.

3. Кухлинг X. Справочник по физике (пер. с нем.). - М.: Мир, 1982, с.470, табл.29.

Способ авторегулирования температуры воздуха, подаваемого в шахту, и его реализация, включающий использование геотермального тепла воды шахтного водоотлива, отличающийся тем, что трубу водоотлива с радиаторами для увеличения площади теплообмена между водой и воздухом проводят через поверхностный тоннель длиной 30-50 м, расположенный перед калорифером, при этом труба выполнена не менее чем с двумя поворотами и установлена с постоянным уклоном не менее 0,02 по ходу течения воды.