Способ регулирования теплового режима шахт и рудников

ИЗ БРЕТЕНИ ТЕ О Ж Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Институт горного дела Севера СО РАН(73) Институт горного дела Севера СО РАН(54 СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГОРЕЖИМА ШАХТ И РУДНИКОВ(5 Ц 5 ЕИГ 00 го 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, определяются из математического выражения, м,где 68 - расход воздуха в выработке, кг/с; Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для регулирования теплового режима шахт, рудникови подземных сооружений.Преимущественно способ может бытьиспользован для регулирования тепловогорежима шахт, рудников и подземных сооружений, расположенных в районах с резкоконтинентальным климатом, при резких суточных колебаниях температуры наружноговоздуха в зимний период,Известен способ регулирования теплового режима с помощью энергетических установок, например калориферов,работающих от шахтных котельных, илиэлектрических, Недостатком данного способа является большая энергоемкость системы регулирования теплового режима.Для снижения затрат энергии применяют системы регулирования, основанные наиспользовании теплообменных выработок,в конце которых устанавливается калорифер,Недостатком данного способа регулирования является сложность использованияего в районах с резко континентальным климатом, при значительных колебаниях температур воздуха в зимний период. Прирасчете длины выработки и мощности калориферных установок необходимо ориентироваться на минимальные значениятемпературы наружного воздуха. чтобы избежать прорывов холодного воздуха в действующие выработки, Это повышаетстоимость и энергоемкость системы регули рования. При расчете системы на среднеэимние значения температур снижаетсянадежность работы системы регулированияи увеличения вероятность проникновенияхолодного воздуха в шахту,Целью изобретения является повышение надежности работы системы регулирования теплового режима в период резкихколебаний температур наружного воздуха взимний период.Указанная цель достигается тем, что втеплообменной выработке равномерно подлине размещают емкости с жидкостью,температура замерзания которой равнасреднезимней температуре наружного воз, духа, причем длина выработки, на котороиразмещают емкости, определяется по формуле Ср - теплоемкость влажного воздуха,Дж/кг С;Ь- скрытая теплота замерзания жидкости, Дж/кг;р- плотность жидкости, кг/м;А - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/м С;Г - поверхность части одной емкости,заполненной жидкостью, м;по - количество емкостей, расположенных на одном метре длины выработки, 1/м,1 ср - среднезимняя температура наружного воздуха, С;та - максимальное понижение температуры по отношению к среднеэимнему значению, С;т - длительность периода с наружной20 температурой, равной Ь, с,Сущность изобретения заключается вследующем. В теплообменной выработкеустанавливаются емкости, заполненныежидкостью с температурой замерзания,равной среднезимней температуре наружного воздуха. Для того, чтобы емкости нетреснули при замерзании жидкости, в нихвстроены полые компенсаторы. которые могут сжиматься под действием внешних сил.Емкости устанавливаются равномерно подлине выработки на расстоянии от ее начала, величина которого определяется по расчетной формуле. При понижении5 температуры наружного воздуха ниже среднезимнего значения жидкость в емкостяхначинает замерзать, Выделяемое при этомтепло повышает температуру воздуха, приближая ее к среднеэимнему значению, Да 40 же если считать, что темп понижениятемпературы по длине в обоих случаях одинаков(после достижения значения температуры воздуха равенства среднезимнейтемпературе), то очевидно, что через опре 45 деленный отрезок длины распределениетемпературы по длине выработки будет вобоих случаях одинаковым, т.е, на выходеполучим постоянную температуру. При повышении температуры наружного воздухапроисходит обратный процесс, т.е, жидкость начинает оттаивать, поглощая приэтом энергию из воздуха и "охлаждая" егодо среднезимнего значения, Вся системаработает как фильтр, сбивая амплитуды колебаний температуры наружного воздуха,при этом система является саморегулирующейся; на выходе всегда можно получитьпостоянную температуру воздуха в зимнийпериод.Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в следующем.2005192 10 водным раствором Сао 2. Изменяя концентрацию раствора, можно легко изменить еготемпературу замерзания. Для данного раствора необходимо взять концентрацию 25, чтобы температура замерзания была равна минус 30 С. Плотность раствора при этом будет 1240 кг/м, а скрытая теплота замерзания - 237 10 Дж/кг. Изменяя конзцентрацию раствора, можно добиться тем пературы замерзания в пределах 0-5 ООС, что полностью перекрывает весь диапазон возможных среднезимних температур на территории нашей страны. Определим по Формуле(8) расстояние, на котором устанав ливаются емкости (Ср=1050 Дж/кг С; Ь 0,6 Вт/м С). И=О Ср Ь 1=25 1050 (14,4-11,6)=73,5кВтЭто позволит избежать прорыва холодного воздуха в действующий выработки рудника,Рассмотрим аналогичную ситуацию впредлагаемом способе. Наличие емкостей сжидкостью 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 ввыработку при понижении температуры,воздуха до -40 С,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, Обьем 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 Е=2 л Й 0,9 6=1,8 л ВЬ(9) где Ь - высота емкости, м.Для нашего случая Р,85 и .По длине выработки емкости разместим через один метр, т.е. по=4/2=2,2/м.Расчетная среднезимняя температура воЗдуха в районе рудника равна минус 30 С. При этом возможны кратковременные в течение трех суток (72 ч = 259,2 10 з с) понижения температуры воздуха до минус 40 С, т,е. Ь=40 С. Для того чтобы "сбить" амплитуду колебаний и на выходе из выработки получить постоянную температуру воздуха, заполним емкости жидкостью, например 251050 . - 30+40 259,2101240237100,6 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 -ЗО С, Подтвердим этом расчетом, сравнения предложенного способа и базового объекта, за который принят прототип, Температура воздуха в конце выработки в базовом объекте может быть 15 20 25 определена по известной в горной теплофизике формуле,%с=Теасср-Те) ехр (- К г0ИСр), (10) где Те - температура горных пород в месте заложения выработки, "С;О - периметр выработки, м.Для рассматриваемого примера 0=14 м, Те=5 ОС. 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=-91,-ЗО+Б)ехр(-2,5 14 1000/25 1050)=-5-25 ехр (-1,32) 11,6 С При понижении температуры до -40 Стемпература 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 величинул 0=25 1050(-30+40) 259,2 10==68 10 кДж, По формуле(7) найдем среднюю глубинупромерзания жидкости в емкости 0,6 - ЗО + 40 259,2 10 7 3 10-2 1240 23 У 102005192 Составитель А,ГалкинТехред М.Моргентал Корректор М,Шароши Редактор А.Бер Тираж ПодписноеНПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, 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.3 10 2,85 2 605-240 м5а по формуле (2) - количество тепла,выделевшегося при замерзании 0=1340 237 10 э 240=70 106 кДж10Поскольку 0 ) О, то очевидно, что температура в конце выработки будет при предлагаемом способе больше или равнавышении температуота =-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 ботке равномерно по длине размещают емкости с жидкостью, температура замерзания которой равна среднезимней температуре наружного воздуха, причем длину выработки, на которой размещают емко сти, определяют из математического выражения6 С1=Ятср - та) г рЮ 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.В, 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;О - скрытая теплота замерзания жидкости, Дж/кг;р - плотность жидкости, кг/м;А - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/мС;Е - поверхность части одной емкости,заполненной жидкостью, м;по - количество емкостей, расположенных на 1 м длины вырабогки, 1/м;тср - среднезимняя температура воздуха, С;1 а - максимальное понижение температуры по отношению к среднезимнемузначению, С;г - длительность периода с наружнойтемпературой, равной Ь, с.