контрольная работа, Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах. контрольная работа. Занятие 3 Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах
 Скачать 293 Kb.
|
|
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 3 Расчет тепловыделений и борьба с избыточным теплом в шахтах Цель практического занятия - закрепление теоретических знаний, полученных при изучении раздела «Гелиофизические и метеорологические факторы», и овладение методикой расчета тепловыделений в выработки глубоких шахт и выбора технических решений по борьбе с избыточным теплом. Общие сведения. Климатические условия в подземных выработках, особенно в глубоких шахтах, как правило, отличаются от климатических условий на земной поверхности. Микроклимат горных выработок (т. е. действующее в них на организм человека сочетание температуры, влажности, скорости движения воздуха, его давления и температуры окружающих поверхностей) в значительной степени зависит от теплообменных процессов, происходящих на пути движения воздуха. Под воздействием этих процессов температура шахтного воздуха в выработках существенно повышается с увеличением глубины ведения горных работ. Нагревание воздуха, движущегося по горным выработкам, происходит в результате: теплообмена между потоком шахтного воздуха и окружающим выработки массивом горных пород, т. е. охлаждения пород; естественного адиабатического сжатия воздуха при движении его вниз по вертикальным и наклонным выработкам; изменения содержания влаги в воздухе; теплообмена между воздухом и подземной водой, текущей по выработкам; окисления угля, угольной пыли, сульфидных руд, крепежного леса и некоторых других веществ; охлаждения отбитых и транспортируемых масс угля и породы; работы горных машин и механизмов; выделения тепла осветительными установками, электрическими кабелями, трубопроводами сжатого воздуха, телом человека, а также действия других второстепенных факторов. Вызванное перечисленными факторами приращение температуры шахтного воздуха (оС = К), может быть определено из выражения  где Qi - суммарное количество теплоты, идущее на нагревание воздуха, кДж/ч; Ср - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгК); - плотность воздуха, кг/м3; V - объемный расход воздуха, м3/ч. Шахтный воздух уже при температуре свыше 25 С оказывает отрицательное тепловое воздействие на физиологию и гигиену труда подземных рабочих. При задержке отдачи телом человека накопившегося в нем тепла возникает перегрев организма, осложняющий протекание жизненных процессов. Чрезмерный перегрев организма вызывает ухудшение самочувствия человека, приводит к серьезным заболеваниям (в наиболее тяжелых случаях - к тепловому удару, или стрессу, или даже к смерти), увеличивает вероятность травматизма, снижает производительность труда. Изменение температуры воздуха (и других параметров микроклимата) в подземных выработках оказывает влияние также на физико-механические свойства горных пород и на безопасное состояние сооружений и выработок. Расчет выделения теплоты в выработки глубоких шахт ведется по следующим зависимостям. 1. тепловыделение при охлаждении горных пород. Количество теплоты Qохл, кДж/ч, выделяющееся вследствие охлаждения окружающих выработку горных пород, описывается уравнением Ньютона для конвективного теплообмена  ,где К - коэффициент нестационарного теплообмена между массивом горных пород и воздухом, кДж/(м2чК) (рассчитывается по формуле, приводимой ниже); Р и l - периметр и длина выработки, м; tп - естественная температура неохлажденных пород на данной глубине, (оС = К, расчет приводится ниже); tв= tпб - допустимая температура воздуха в выработке, оС (принимается согласно Правилам безопасности). Коэффициент К, кДж/(м2чК) определяется по формуле  где - коэффициент теплопроводности породы, кДж/(мчК) (принимается по табл. 3.1); 0 - суммарный коэффициент теплоотдачи от стен шахтной выработки к воздуху, кДж/(м2чК) (расчет ниже); Rэ - эквивалентный радиус выработки, м:  а - коэффициент температуропроводности породы, м2/ч:  (принимается по табл. 3.1); сп - удельная теплоемкость породы, кДж/(кгК) (принимается по табл. 3.1); п - плотность породы, кг/м3 (принимается по табл. 3.1); - расчетное время процесса теполообмена, ч (например, при длительности процесса теплообмена 4 года значение = 436524 = = 35040 ч).Таблица 3.1 Тепловая характеристика пород
Суммарный коэффициент теплоотдачи с поверхности горной выработки 0, кДж/(м2чК), находится их выражения  где к - конвективный коэффициент теплоотдачи от стен выработки к воздуху, кДж/(м2чК)  где v - скорость движения воздуха в выработке, м/с; Дэ - эквивалентный диаметр выработки, м:  и - коэффициент, учитывающий испарения влаги с мокрых стен выработки, кДж/(м2чК) где - коэффициент массоотдачи (коэффициент испарения), кг/(м2чК), принимается равным 0,01 - для стволов, 0,15 - для капитальных выработок, 0,03 - для лав; r - теплота парообразования воды, принимается r = 2256 кДж/кг. Температура горных пород в массиве tп , оС, на заданной глубине Н, м, от земной поверхности определяется по формулам:  или  где tп - температура пород нейтрального слоя (зоны с постоянной температурой пород) в данной местности; принимается примерно равной среднегодовой температуре воздуха на земной поверхности в данном районе, оС; tн = 8,5; 2,5; 2,5; 3,0 С для условий соответственно Донбасса, Кузбасса, Караганды и Мосбасса; Н0 - глубина (толщина) нейтрального слоя, м: Н0 = 20-40 м; Гст - геотермическая ступень данного района, м/оС: в среднем Гст составляет для угольных месторождений 30–40 м/ оС, рудных 50-140 м/ оС, нефтяных 15-20 м/ оС; - геотермический градиент, оС/м. 2. Тепловыделение при сжатии воздуха. Количество теплоты Qсж, кДж/ч, выделяющееся при движении воздуха вниз по вертикальным и наклонным выработкам, определяется выражением  где - плотность воздуха, кг/м3; Vв - количество воздуха, проходящего по выработке (объемный часовой расход воздуха), м3/ч:  ; v - скорость движения воздуха в выработке, м/с; S - площадь поперечного сечения выработки, м2; Н - глубина расположения выработки, м; для наклонной выработки  где lн - длина наклонной выработки; - угол наклона выработки, град. 3. Тепловыделение при окислительных процессах. Количество теплоты Qок, кДж/ч, образующееся при окислении угля, угленосных сланцев, сульфидных руд и древесины, подсчитывается по формуле А. Ф. Воропаева  где qок - тепловыделение в результате окислительных процессов, приведенное к скорости движения воздуха в выработке, V = 1 м/с, кДж/(м2ч); qок можно принимать равным 12-21 кДж/(м2ч). 4. тепловыделение от местных источников. К местным источникам теплоты относят электродвигатели, трансформаторы, светильники, электрические кабели, трубопроводы сжатого воздуха, пневматические двигатели, другие тепловыделяющие машины, механизмы и устройства, а также работы, производимые с применением бетона на участке выработки или в призабойной зоне, когда тепло выделяется при его отвердении. Расчетные формулы для определения количества теплоты от местных источников имеют следующий вид: 4.1. Тепловыделение при работе электродвигателей горных машин и освещения Qэд, кДж/ч  где Nпотр - потребляемая мощность электродвигателей и осветительных установок, кВт; kз - коэффициент загрузки оборудования во времени: kз = 0,8; э - к. п. д. электродвигателя: э = 0,95. 4.2. Тепловыделение в выработку (ствол, уклон, бремсберг и др.) при эксплуатации лебедок Qл, кДж/ч: - при подъеме груза лебедкой  - при спуске груза лебедкой  где Nл- установленная мощность электродвигателя лебедки, кВт; м - механический к. п. д.: м = 0,8. 4.3. Тепловыделение при работе трансформатора Qтр, кДж/ч  где Nтр - мощность трансформатора, кВт; ртр - тепловые потери трансформатора: ртр = 0,040,05. 4.4. Тепловыделение при затвердевании монолитной бетонной крепи Qб, кДж/ч  где qб - удельное выделение теплоты при отвердевании бетона, кДж/(м2ч); принимается qб = 200400 кДж/(м2/ч); Р - периметр выработки, м; lц - длина участка бетонирования, контактирующего с вентиляционной струей за один цикл проходки, м. 4.5. Тепловыделение при взрыве ВВ. В выработке большого сечения при использовании более 100 кт ВВ тепловыделение при взрыве Qвзр, кДж/ч, рассчитывается по формуле  где qвзр- удельное тепловыделение при взрыве 1 кг ВВ, кДж/кт; mз - масса заряда, кг. Рекомендуемые значения qвзр для применяемых ВВ:
4.6. Тепловыделение при работе шахтных вентиляторов происходит в результате работы электродвигателя, внутренних потерь энергии в вентиляторе и аэродинамического сжатия воздуха. Количество теплоты Qвен, кДж/ч, поступающее в выработку при работе вентилятора, выражается формулой  (3.1)где Vвс - количество воздуха, проходящего по выработке (секундный расход), м3/с; hв - депрессия выработки, Па;  (3.2)где в - коэффициент аэродинамического сопротивления трения выработки, Нс2/м4 = Па с2/м2; Р, l, S - периметр, длина и площадь поперечного сечения выработки, м, м, м2; v - средняя скорость движения воздуха по выработке, м/с;  в= 0,60,8; дв= 0,850,95 и п - к. п. д. соответственно вентиляторной установки, вентилятора, двигателя и редукторной (п= 1) или ременной (п = = 0,90,95) передач. Подставляя (3.2) в (3.1) и учитывая, что  м3/с,получим (кДж/ч)  4.7. Тепловыделение при работе людей Qл, кДж/ч  где qл - количество теплоты, выделяемое работающим человеком, кДж/ччел qл = 10502500 кДж/ччел.; nл - число одновременно работающих людей в выработке. 5. Общее тепловыделение в выработку Qобщ, кДж/ч, находится суммированием всех частных выделений теплоты  Способы искусственного охлаждения шахтного воздуха Целью искусственного охлаждения шахтного воздуха является отвод определенного («излишнего») количества теплоты от него при помощи охлаждающего вещества. Тепло от воздуха можно отвести путем соприкосновения последнего с какой-либо холодной поверхностью или путем смешения его с газообразной струей, имеющей температуру ниже температуры воздуха. Борьба с избыточным выделением теплоты в горные выработки ведется по нескольким направлениям: предохранение воздуха от нагревания при его движении к местам потребления; охлаждение воздуха без применения специальных холодильных машин; охлаждение воздуха с применением холодильных машин (кондиционирование). Способы предупреждения нагревания шахтного воздуха включают в себя следующее: увеличение количества подаваемого в выработки воздуха путем повышения мощности вентиляторных установок, увеличения скорости движения воздуха, расширения сечений воздухоподающих выработок; замена машин с электроприводам машинами с пневматическим приводом; тепло- и гидроизоляция стен выработок; теплоизоляция и тщательное уплотнение воздухоподающих трубопроводов; предупреждение возникновения интенсивных окислительных процессов; сокращение пути движения воздуха к местам потребления путем выбора соответствующей схемы проветривания, проведения дополнительных выработок и скважин; подача воздуха к местам потребления по специально пройденным выработкам, где скорость движения воздуха может быть существенно увеличена; замена восходящего проветривания очистных выработок нисходящим проветриванием (при соблюдении соответствующих требований ПБ). Для предотвращения нагревания воздуха без применения холодильных машин используются следующие способы: осушение воздуха сорбентами, т. е. веществами, способными поглощать влагу из воздуха (например, хлористым кальцием); охлаждение воздуха льдом; охлаждение воздуха жидким воздухам, при испарении которого поглощается значительное количество теплоты; охлаждение воздуха сжатым воздухам (например, от пневмо-кондиционеров); охлаждение воздуха водой: путем непосредственного соприкосновения охлаждающей воды с воздухом либо через поверхность труб, где воздух охлаждается в специальных теплообменниках; пропускание воздуха через тепловыравнивающие каналы путем подвода воздуха к стволу по горизонтальным выработкам, пройденным на глубине среднегодовой температуры. Наиболее эффективным является искусственное охлаждение воздуха в системах кондиционирования: в компрессорных и абсорбционных холодильных установках. Холодильные установки бывают передвижные и стационарные. Передвижные установки предназначены для охлаждения воздуха в тупиковых выработках или в отдаленных очистных забоях. Стационарные установки располагаются как на земной поверхности, так и в подземных условиях. Хладопроизводительность (холодильная мощность) отечественных шахтных холодильных агрегатов и кондиционеров составляет: передвижных кондиционеров ВК-230 - 230 кВт, КПШ-3 – 105 кВт, КПШ-40 - 47 кВт, КПШ-40П с пневмоприводом - 52 кВт; турбокомпрессионных холодильных машин ШХТМ-1300 - 1500 кВт, ХТМФ-235М-2000 - 2325 кВт, ХТМФ-248-4000 - 4650 кВт; поршневой холодильной машины МФ-220-1РШ - 255 кВт; абсорбционной холодильной машины АБХА-2500-2В – 2800 кВт. Для стационарной работы на поверхности используются машины ХТМФ-235-2000, ХТМФ-248-4000, АБХА-2500-2В, а машины ШХТМ-1300 и МФ-220-1РШ устанавливаются на глубоких горизонтах. Охлаждение шахтного воздуха с применением холодильных машин становится необходимым, когда общее тепловыделение в выработку Qобщ превышает тепловыделение в нее, допускаемое Правилами безопасности, Qпб, т. е. при условии  Поскольку эти количества теплоты описываются формулами:  и  то критерий необходимости кондиционирования воздуха в выработке может быть записан в виде соотношения  где Vтеп - количество воздуха, которое необходимо подать в выработку по тепловому фактору без охлаждения воздуха, м3/ч;  где ср - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кгК) ср = 0,241 ккал/(кгК)4,1868 кДж/ккал = 1,009 кДж/(кгК); - плотность воздуха, кг/м3; t - перепад температур между выходящим (отработанным) и входящим (свежим) воздухам, проходящим по выработке, К (оС): для стволов  для подземных выработок  При необходимости кондиционирования воздуха следует выбрать тип кондиционера, рассчитать потребное количество кондиционеров и проверить правильность их установки. Требуемая хладопроизводительность кондиционера Nк’, кВт, находится по формуле  К установке принимают кондиционер хладопроизводительностью  При установке кондиционера в выработке (обычно одного) температура смеси за кондиционером tсм , оС (=К), определяется соотношением  Достаточность установки кондиционера проверяется по условию  Если  , то необходимо установить более мощный кондиционер.Пример расчета. Исходные данные:
Для обеспечения возможности выполнения расчета тепловыделений по приведенным выше формулам принимаем дополнительно следующие данные (параметры):
Подсчитываем количества теплоты, выделяющиеся в выработку. 1. Тепловыделение при охлаждении горных пород  кДж/(м2чК); кДж/(м2чК); кДж/(м2чК); = 1,57 кДж/(м2чК);  50 оС; кДж/ч.2. Тепловыделение при сжатии шахтного воздуха  м3/ч; кДж/ч.3. Тепловыделение при окислительных процессах  кДж/ч.4. Тепловыделение от местных источников: - при работе электродвигателей горных машин и освещения  кДж/ч;- при спуске груза лебедкой  кДж/ч;- при работе трансформатора  кДж/ч;- при работе шахтных вентиляторов  кДж/ч;- при затвердевании монолитной бетонной крепи  кДж/ч;- при работе людей  кДж/ч.5. Общее тепловыделение в ствол  Находим количество воздуха, необходимое для проветривания выработки по тепловому фактору без охлаждения воздуха  м3/ч.Проверяем условие достаточности расхода воздуха по тепловому фактору  В рассматриваемом случае это условие не выполняется, так как  Следовательно, требуется искусственное охлаждение воздуха при помощи холодильных машин. Определяем требуемую хладопроизводительность холодильной машины  кВт.Принимаем Nк = 2550 кВт. Температура смеси теплого и охлажденного воздуха за кондиционером составит  о,что удовлетворяет требованиям ПБ. Варианты заданий Перечень вариантов заданий к расчету тепловыделений в горные выработки приведен в табл. 3.2. Таблица 3.2 Исходные данные для расчетов тепловыделений
Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте климатические условия в горных выработках глубоких шахт. 2. Как осуществляется теплоотдача тела человека в окружающую среду? 3. Какой микроклимат в выработках глубоких шахт считается допустимым? 4. Перечислите виды (формы) нагревания воздуха, движущегося по горным выработкам. 5. Как выполняется тепловое кондиционирование воздуха в горных выработках? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
38,5 м2,
0,00477 м2/ч,
0,035 м /оС,