Создание безопасных температурных условий угольных шахт, основанных на методах рационального использования низкотемпературных вторичных энергоресурсов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СЕМИНАР 6

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© В.Б. Скрыпников, 2001

УДК 622.413.4:622.481

В.Б. Скрыпников

СОЗДАНИЕ БЕЗОПАСНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ УГОЛЬНЫХ ШАХТ, ОСНОВАННЫХ НА МЕТОДАХ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

В соответствии с требованиями правил безопасности в шахтах и рудниках, разрабатывающих месторождения с положительной температурой пород, воздух в зимний период должен поступать в шахту с температурой не ниже +2 °С. Максимально допустимые температуры воздуха в горных выработках также регламентированы и не должны превышать +26 °С.

Обеспечение указанных норм и требований сопряжено с необходимостью применения энергоёмких систем регулирования теплового режима шахт и рудников, в которых подогревается холодный атмосферный воздух на поверхности перед поступлением в выработки и охлаждается рудничный воздух на глубоких горизонтах.

Тепловая мощность, необходимая для нагрева воздуха, подаваемого в стволы шахт Центрального района Донбасса, в зависимости от температуры наружного воздуха достигает 10-15 МВт.

Холодильная мощность, необходимая для охлаждения воздуха в шахтах, в зависимости от горнотехнических условий достигает 10-12 МВт.

Создание менее энергоёмких систем теплохолодо-снабжения глубоких угольных шахт является актуальной научной проблемой.

Современные глубокие угольные шахты Донбасса, являясь потребителями тепла и холода, одновременно являются источниками выделений в атмосферу низкопотенциального тепла, осуществляя тепловое загрязнение окружающей среды, а естественный холод атмосферного воздуха в зимний период не находит должного применения. Находящиеся в эксплуатации на шахтах холодильные и компрессорные установки являются источниками выделений в атмосферу значительного количества низкопотенциального вторичного тепла - тепла конденсации и тепла сжатого воздуха, которое отводится в градирнях.

В настоящее время потоки тепла и холода, потребляемые шахтой с потоками низкопотенциального тепла, выбрасываемого шахтой в атмосферу, и потоками холода атмосферного воздуха не увязаны. Предложена идея не выбрасывать низкотемпературное тепло в атмосферу, а совместно с холодом атмосферного воздуха замкнуть их на шахту, используя как источник теплохолодоснаб-жения. Нагрев воздуха, подаваемого в шахту зимой можно осуществить, используя в качестве теплоносителя охлаждающую воду конденсаторов холодильных машин, промежуточных и концевых охладителей компрессорных установок, а также промежуточный холодоноситель шахтных холодильных установок. В качестве теплообменника используются контактные теплообменные аппараты.

Низкотемпературный холодоноситель может нагреть наружный воздух до значений температуры, позволяющей подавать его в ствол шахты. При этом теплоноситель охлаждается на столько, что возможно дальнейшее его использование в технологических циклах компрессорных и холодильных установок. Охлаждаемый наружным воздухом при его нагреве в контактном аппарате промежуточный теплоноситель становится потенциальным источником дополнительного холода, который целесообразно направить в систему холодоснабжения шахты. Для возможности использования низкопотенциального энергоносителя таким образом необходима соизмеримость количества отведенного от источника низкопотенциального тепла с потребностями шахтного ствола в тепле, а также наличие достаточной разности температур между низкопотенциальным энергоносителем и вентиляционным воздухом.

Оценка экономической эффективности использования тепла сжатия компрессорных установок зависит от распределения суммарных затрат между двумя продуктами: сжатым воздухом и теплом сжатия. Распределение энергозатрат в системах компримирования газов, вычисленное пропорционально эксергии выходящих продуктов позволяет получить формулы для определения доли затрат энергии на получение теплового потока:

Шс

(к-1)( кщ)

£

£1

Тед

2Т + еи

£

(к-1)( Щ

£2 £1

(1)

Т ед

где Тед - коэффициент работоспособности теплоты, отводимой охладителем после необратимого адиабатного процесса сжатия; теи - коэффициент работоспособности теплоты, отводимой охладителем после обратимого адиабатного процесса сжатия; k - показатель адиабаты;

£ - степень повышения давления в секции;

£ = Т0 / То.с. - коэффициент недоохлаждения воздуха

на всасе в секцию (То - температура воздуха на всасе в

О/-, ГТ1 „О

секцию, С; То.с. - температура окружающей среды, С); £2 = Т2/ То с. - коэф-

Затраты на получение теплоты сжатия:

Зс = Ш& • X3 (2)

где X 3 - суммарные энергетические и неэнергетические затраты.

Доля энергетических затрат составляет 75-85 % суммарных затрат. Доля затрат на получение теплоты сжатия для реальных значений коэффициентов недо-охлаждения воздуха на всасе в секцию и на выходе из охладителя составляет 0,17-0,19.

Для шахтной холодильной установки внешние потери эксергии - сбросное тепло конденсации.

При использовании эксергии тепла конденсации для нагрева наружного воздуха, подаваемого в ствол шахты, фактический коэффициент эксергии шахтной холодильной машины имеет вид:

( гт, \ ( гр \

Qо ■

То

Т

-1

щ

н. ср.

+щ ■у<2к ■

Т

1 - о. с.

Т

к

N

(3)

уст

фициент недоохлаждения воздуха на выходе из охладителя (Т2- температура воздуха на выходе из охла-

дителя, С); щ - политропный КПД процесса сжатия.

Таблица 1

ЗНАЧЕНИЯ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ШАХТНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ ХТМФ-248-4000.

№ п/п Температура испарения ^ Эксергетический коэффициент Эксергетический коэффициент ^к Эксергетический коэффициент ^ф

1 -4 0,245 0,066 0,311

2 -2 0,231 0,0686 0,299

3 0 0,217 0,071 0,288

4 +2 0,201 0,073 0,274

5 +4 0,182 0,075 0,257

Таблица 2

РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАМЕРОВ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ.

Температура наружного воздуха Ц 0C Температура нагретого в теплообменнике воздуха 4с1, ^ Количество нагреваемого воздуха G, м/с Температура воды на входе в теплообменник ^ Температура воды на выходе из теплообменника Коэф-фици-ент орошения В Температура воздуха в стволе шахты, ^ Количество тепла, передаваемое наружному воздуху Q, кВт

-9 2 72 24,6 21,1 1,23 -3 1640

-7 4 72 25,7 21 0,96 -2,6 1727

-6 7,4 96 30,3 26,4 1,48 2,6 2217

-5,4 5 77,3 25,4 22 1,3 0 1686

-5 6,8 72 29,1 26,3 1,85 4,8 1992

-3 7 72 28,7 24,3 1,02 3 1761

-1,8 8,8 70 30 26,3 1,26 5,1 1934

0 9,5 60 31 26 0,39 3,8 649

-д—а- -о- Г (Л- --1П г- -г 1- л 1 ЛС">

Рис. 2. Расчетная схема установки:

а) схема подачи теплоносителя: ХМ - холо-

дильная машина; Кт - контактный теплообменник; 1 - подогрев воды перед Кт; 2 - подогрев воды после Кт; 3 - подогрев воды перед и после Кт; 4 - подогрев воды с расходом W1=W0=W; б) схема подачи воздуха в шахтный ствол: 1 -надшахтное здание; 2 - калориферная установка; 3 - форсуночная камера; 4 - сдвоенный клапан; 5 - вентилятор; 6 - канал подачи воздуха; 7 - канал подачи воздуха от калориферной установки; 8 - ствол шахты

или

Щф = Щ + Щ

(4)

Qо ■

Щх =-

Т

ч 1 н. ср.

-1

N

уст

щ ■у■ <2К-11 -

Щ =-

Т

Тк

N

уст

(5)

(6)

где Q0 - холодопроизводительность холодильной установки; Qк - производительность конденсатора; То. с. -температура наружного воздуха, нагреваемого перед подачей в ствол;

Тн. ср. - средняя температура рассола, охлаждаемого в испарителе; То - температура рудничного воздуха; Тк - температура воды на выходе из конденсатора; у -доля низкопотенциального тепла, используемого в контактном теплообменнике; - коэффициент использования потенциального тепла конденсации; -эксергетический коэффициент процесса охлаждения холодильной машины.

Использование бросового низкопотенциального тепла конденсации шахтной холодильной машины ХТМФ-248-4000 для нагрева наружного воздуха, подаваемого в ствол шахты в зимний период, повышает фактический коэффициент использования эксергии холодильной машины. Реальные значения коэффициентов ^ф, при условии полного использования тепла конденсации (у=1) приведены в табл. 1.

Расчётная технологическая схема системы тепло-холодоснабжения шахты бросовым низкопотенциальным теплом конденсации шахтной холодильной машины и компрессорной установки приведена на рис. 1.

Практическая апробация результатов исследований была осуществлена на шахте им. Ф.Э. Дзержинского производственного объединения "Дзержинскуголь", где был осуществлён обогрев ствола №4 сбросным низкопотенциальным теплом до температуры наружного воздуха -7 °С. Расчётная технологическая схема установки приведена на рис. 2. Результаты эксплуатации установки в различных режимах приведены в табл. 2.

Опыт эксплуатации установки в течение нескольких сезонов подтвердил работоспособность, надёжность способа утилизации сбросного низкопотенциального тепла холодильных и компрессорных установок в системе обогрева ствола шахты в осенне-зимний период.

1. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. - М.: Стройиздат, 1985. С. 285.

2. Калинин Н.В., Мареев А.А. Определение экономической эффективности утилизации теплоты сжатия в системах

компримирования газов. // Промышленная энергетика, 1988.- №11.- С.6-9.

3. Опытно-промышленная установка для обогрева ствола шахты низкопотенциальным теплом компрессорных установок. / Скрыпников

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

В. Б., Глебов В. Д., Воробьёв Е. А.// Уголь Украины.- 1993. №3.- С.41-43.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ