Устройство для проветривания глубоких карьеров
DEVICE FOR AIR SUPPLY TO DEEP OPEN PITS

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, в частности к задачам проветривания глубоких карьеров.
Известно устройство для проветривания глубоких карьеров (см. патент РФ на полезную модель №153647, МПК Е21F 1/00, опубл. 27.07.2015), включающее эластичную вытяжную трубу с тороидальными камерами жесткости, расположенными по ее длине и заполненными легким инертным газом, приспособление для перемещения устройства, электронагревательные элементы с опорным каркасом, электросиловую установку в виде турбины и двигателя-генератора, теплообменник, выполненный из экранирующей пленки, кроме того, снабжено вертикальным телескопическим полым валом, размещенным в эластичной вытяжной трубе, на котором укреплено ветроколесо с криволинейными полостями и крыльчаткой, при этом профиль нижней поверхности крыла крыльчатки и профиль верхней поверхности криволинейной полости ветроколеса образуют при совместном движении полость в виде суживающегося конуса вращения, ось которого совпадает с осью телескопического полого вала, причем между крыльчаткой и ветроколесом в полом валу выполнены выпускные, а на уровне турбины предусмотрены впускные окна, кроме того, устройство дополнительно снабжено термогенератором, который состоит из корпуса в виде кольца, установленного над верхней тороидальной камерой жесткости с постоянно омываемой внутренней поверхностью вентилируемым воздухом и комплекта дифференциальных термопар, причем «горячие» концы дифференциальных термопар укреплены на внутренней поверхности корпуса в виде кольца, а «холодные» концы расположены по его внешней поверхности.
Недостатком является энергоемкость при длительной эксплуатации, обусловленная необходимостью осуществления внеплановых демонтажных работ по замене ветроколеса и крыльчатки из-за интенсивности коррозийного разрушения, в результате кавитационного воздействия парообразующих пузырьков атмосферной и технологической влаги, налипающих на наружные поверхности соответственно лопастей и крыльев.
Известно устройство для проветривания глубоких карьеров (см. патент РФ на изобретение №2630465, МПК Е21F 1/00, опубл. 08.09.2017. Бюл. №25), включающим эластичную вытяжную трубу с тороидальными камерами жесткости, расположенными по ее длине и заполненными легким инертным газом, приспособление для перемещения устройства, электронагревательные элементы с опорным каркасом, электросиловую установку в виде турбины и двигателя-генератора, теплообменник, выполненный из экранирующей пленки, кроме того, снабжено вертикальным телескопическим полым валом, размещенным в эластичной вытяжной трубе, на котором укреплено ветроколесо с криволинейными полостями и крыльчаткой, при этом профиль нижней поверхности крыла крыльчатки и профиль верхней поверхности криволинейной полости ветроколеса образуют при совместном движении полость в виде суживающегося конуса вращения, ось которого совпадает с осью телескопического полого вала, причем между крыльчаткой и ветроколесом в полом валу выполнены выпускные, а на уровне турбины предусмотрены впускные окна, причем устройство дополнительно снабжено термогенератором, который состоит из корпуса в виде кольца, установленного над верхней тороидальной камерой жесткости с постоянно омываемой внутренней поверхностью вентилируемым воздухом и комплекта дифференциальных термопар, причем «горячие» концы дифференциальных термопар укреплены на внутренней поверхности корпуса в виде кольца, а «холодные» концы расположены по его внешней поверхности, при этом нижняя поверхность крыла крыльчатки и верхняя поверхность ветроколеса покрыты нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.
Недостатком является энергоемкость процесса проветривания, особенно в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, приводящих к дополнительным электрозатратам на работу электронагревательных элементов из-за сверхнормативных потерь тепла в окружающую среду нагретым вентиляционным воздухом, перемещающимся по эластичной вытяжной трубе.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированной энергоемкости процесса проветривания глубоких карьеров в условиях изменяющихся погодно-климатических воздействий путем устранения дополнительных потерь тепла нагретым вентилируемым воздухом в окружающую среду за счет покрытия наружной поверхности вытяжной трубы с тороидальными камерами жесткости витыми пучками тонковолокнистого базальтового материала, продольно вытянутого от экранирующей пленки теплообменника до верхней тороидальной камеры жесткости включительно.
Технический результат достигается тем, что устройство для проветривания глубоких карьеров включает эластичную вытяжную трубу с тороидальными камерами жесткости, расположенными по ее длине и заполненными легким инертным газом, приспособление для перемещения устройства, электронагревательные элементы с опорным каркасом, электросиловую установку в виде турбины и двигателя-генератора, теплообменник, выполненный из экранирующей пленки, кроме того, снабжено вертикальным телескопическим полым валом, размещенным в эластичной вытяжной трубе, на котором укреплено ветроколесо с криволинейными полостями и крыльчаткой, при этом профиль нижней поверхности крыла крыльчатки и профиль верхней поверхности криволинейной полости ветроколеса образуют при совместном движении полость в виде суживающегося конуса вращения, ось которого совпадает с осью телескопического полого вала, причем между крыльчаткой и ветроколесом в полом валу выполнены выпускные, а на уровне турбины предусмотрены впускные окна, причем устройство дополнительно снабжено термогенератором, который состоит из корпуса в виде кольца, установленного над верхней тороидальной камерой жесткости с постоянно омываемой внутренней поверхностью вентилируемым воздухом и комплекта дифференциальных термопар, причем «горячие» концы дифференциальных термопар укреплены на внутренней поверхности корпуса в виде кольца, а «холодные» концы расположены по его внешней поверхности, при этом нижняя поверхность крыла крыльчатки и верхняя поверхность ветроколеса покрыты нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом, при этом наружная поверхность вытяжной трубы с тороидальными камерами жесткости покрыта витыми пучками тонковолокнистого базальтового материала продольно вытянутого от экранирующей пленки теплообменника до верхней тороидальной камеры жесткости включительно.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для проветривания глубоких карьеров, на фиг. 2 – суживающийся конус вращения как элемент устройства для проветривания среды, на фиг. 3 – термогенератор, на фиг. 4 – нижняя поверхность крыла крыльчатки, покрытая нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, на фиг. 5 – верхняя поверхность криволинейной лопасти ветроколеса, покрытая нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, на фиг. 6 – расположение витых пучков тонковолокнистого базальтового материала, продольно вытянутых по наружной поверхности вытяжной трубы.
Устройство для проветривания глубоких карьеров содержит вытяжную трубу 1 с тороидальными камерами 2,расположенными по ее длине и заполненными легким инертным газом, энергосиловую установку 3, выполненную в виде двигателя-генератора 4 и турбины 5, распредпункт 6, а также электронагревательные элементы 7, закрепленные на сборном опорном каркасе 8, вертикальный телескопический полый вал 9, на котором укреплено ветроколесо 10 с криволинейными полостями 11 и крыльчаткой 12. В приспособлении для перемещения устройства в виде самоходного шасси 13 посредством стяжек 14 закреплен фигурный сегмент 15, связанный системой тросов с экранирующей пленкой 16 теплообменника, жестко скрепленного с тороидальной камерой 2 вытяжной трубы 1. При этом тороидальная камера 17, расположенная у основания вытяжной трубы 1, установлена соосно турбине 5 и снабжена клапаном 18 давления. А последняя камера жесткости 19 имеет аварийный клапан 20 и натяжные тросы 21 с крепежными кольцами 22. Опорный каркас 8 с нагревательными элементами 7 размещен внутри камеры 12. Вертикальный телескопический полый вал 9 размещен в эластичной вытяжной трубе 1 и своим основанием укреплен (не показано) к самоходному шасси 9 и имеет впускные окна 23 на уровне турбины 5, а выпускные окна 24 расположены между крыльчаткой 12 и ветроколесом 10, при этом профиль нижней поверхности 25 крыла крыльчатки 12 и профиль верхней поверхности 26 криволинейной лопасти 11 ветроколеса 10 выполнены дугообразными, т.е. таким образом, что создают при совместном круговом движении полость 27 в виде суживающегося конуса вращения, ось которого совпадает с осью телескопического полого вала 9.
Устройство для проветривания глубоких карьеров дополнительно снабжено термогенератором 28, который состоит из корпуса 29 в виде кольца, установленного над тороидальной камерой жесткости 19 с постоянно омываемой внутренней 30 поверхностью вентилируемым воздухом и комплекта дифференциальных термопар 31, укрепленных на внутренней 30 поверхности корпуса 29 в виде кольца, а холодные 33 концы расположены по его внешней поверхности 34, т.е. контактируют с воздухом окружающей среды. Нижняя поверхность 25 крыла крыльчатки 12 и верхняя поверхность 26 ветроколеса 10 покрыты нанообразной стеклоподобной пленкой, соответственно 35 и 36. Наружная поверхность 37 вытяжной трубы 1 с тороидальными камерами жесткости 2 покрыта витыми пучками 38 тонковолокнистого базальтового материала, продольно вытянутого от экранирующей пленки 16 теплообменника до верхней тороидальной камеры жесткости 19 включительно.
Устройство работает следующим образом.
Наличие в течение суток изменения температуры окружающей среды, особенно наряду с атмосферными осадками, приводит к интенсификации тепловых потерь, нагреваемого электронагревательными элементами 7 вентилируемого воздуха через наружную поверхность 37 вытяжной трубы 1, что требует дополнительных энергозатрат для поддержания заданного температурного режима вентилируемого воздуха и, соответственно, эффективной работы устройства для проветривания глубоких карьеров.
Выполнение покрытия витыми пучками 38 тонковолокнистого базальтового материала наружной поверхности 37 вытяжной трубы 1 тороидальными камерами 2, расположенными по ее длине, обеспечивает не только тепловую защиту от потери тепла в окружающую среду, но и при расположении витых пучков 38 продольно вытянутыми от экранирующей пленки 16 теплообменника до верхней тороидальной камеры жесткости 19 включительно осуществляет аккумулирование тепловой энергии (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины. – Киев: Техника, 1971. – 76 с., ил.).
Следовательно, теплота, по мере движения по вытяжной трубе 1 потока вентилируемого воздуха, нагретого электронагревательными элементами 7 не только передает через наружную поверхность 37 витыми пучками 38, но и в связи их расположения продольно вытянутыми от экранирующей пленки 16 теплообменника до верхней тороидальной камеры жесткости 19, аккумулируется в покрытии тонковолокнистом базальтовом материале.
Когда наблюдается понижение температуры окружающей среды вследствие изменения в течение суток под воздействием атмосферных осадков и/или временных переходов: утро, день, вечер, ночь, а так же с наличием солнечной радиации или без нее. Теплота саккумулированная в покрытии из витых пучков 38 тонковолокнистого базальтового материала возвращается через наружную поверхность 37 вентилируемому воздуху, поддерживая заданный температурный режим.
В результате, устраняется необходимость дополнительного нагревания вентилируемого воздуха электронагревательными элементами 7 при изменяющихся воздействиях окружающей среды на устройство проветривания глубоких карьеров, что поддерживает нормированную энергоемкость ее при длительной эксплуатации.
Специфика работы горнодобывающей промышленности, особенно на глубоких карьерах, обусловлена наличием высокой концентрации загрязняющих твердых частиц в окружающей среде, которые наряду с каплеобразными частицами атмосферной и технологической влаги являются ядрами конденсации водяного пара, налипающего в виде паровых пузырьков на внешнюю поверхность крыла крыльчатки 12, так и ветроколеса 10, что приводит к их коррозийному разрушению.
При  этом налипание паровых пузырьков на нижнюю поверхность 25 крыла крыльчатки 12 и на верхнюю поверхность 26 криволинейной полосы 11 ветроколеса 10 приводит к интенсификации их коррозийного разрушения.
Это обусловлено тем, что вокруг ветроколеса 10 в процессе совместного вращения с крыльчаткой 12 образуется зона разрежения и здесь в месте «схлопывания» паровых пузырьков резко снижается давление. В результате наблюдается кавитационное разрушение (см., например, стр. 38, Попов В.М. Водоотливные установки / Справочное пособие. – М.: Недра, 1990. – 254 с., ил.) материала ветроколеса 10 и крыльчатки 12, что и требует последующего внепланового ремонта и, как следствие, возрастание энергоемкости эксплуатации устройства для проветривания глубоких карьеров.
При покрытии нижней поверхности 25 крыла крыльчатки 12 и верхней поверхности 26 ветроколеса 10 нанообразной стеклоподобной пленкой, соответственно 35 и 36, образовавшиеся паровые пузырьки скользят без укрепления и «схлопывания» (см., например, Литвинова В.А., Саврук Е.Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом // Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике». – Томск: ТСЧХ НГАУ, Вып. 12, 2010. – с. 299-301) и сбрасывания в окружающую среду. Следовательно, устранение условия образования кавитационного разрушения материала ветроколеса 10 и крыльчатки 12 приводит к появлению надежности работы устройства.
Нагретый вентилируемый воздух перемещается по эластичной вытяжной трубе 1 перед выбросом в окружающую среду, омывает внутреннюю поверхность 30 корпуса 29 в виде кольца и контактирует с «горячими» 32 концами дифференциальных термопар 31. Одновременно «холодные» 33 концы дифференциальных термопар 31 конвертируют с холодным воздухом окружающей среды, в результате, при использовании в качестве термопар, например, хромель – капель возникает термоЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванов Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 230 с., ил.). Это позволяет получать напряжение на выходе термоэлектрического генератора 28 в пределах 12-36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / под общ. ред. В.М. Зорина. – М.: Энергоатомиздат, 1980. – 560 с., ил.), что вполне достаточно для дежурного освещения устройства для проветривания глубоких карьеров в ночное время или при наличии тумана. В результате обеспечивается энергосберегающая эксплуатация устройства для проветривания глубоких карьеров, путем устранения необходимости использования подачи энергии для дежурного освещения из электрических сетей. Кроме того, в условиях образования тумана возрастает вероятность увлажнения электрических проводов протянутых по длине эластичной вытяжной трубы, все это устраняется при помощи термоэнергетического генератора, использующего тепло вентилирующего воздуха для производства электрической энергии.
Устройство доставляют в зону карьера, нуждающуюся в проветривании, и монтируют в ней. Пуск и работа установки в режиме «Проветривание» осуществляют следующим образом. Через клапан 18 давления сжатый воздух заполняет тороидальную камеру 17, расположенную у основания трубы 1 до выбранных для режима работы размеров. В вытяжную трубу 1 подают инертный газ, заполняющий камеры 2 жесткости, приводя, таким образом, вытяжную трубу 1 в вертикальное рабочее положение. Одновременно полый вал 9 телескопически выдвигается, поднимая синхронно с вытяжной трубой 1 ветроколесо 10 и крыльчатку 12. От внешней электросети распредпункт 6 включает электронагревательные элементы 7 и двигатель 4 электросиловой установки 3, который приводит в движение турбину 5, перемещающую поток воздуха по вытяжной трубе снизу вверх. Часть вентилируемого воздуха на уровне турбины 5 поступает во впускные окна 23 полого телескопического вала 9, и он перемещается внутри вала 9, после чего выбрасывается через выпускные окна 24 в полость 27, которая выполнена в виде суживающегося конуса вращения. В результате движения части потока вентилируемого воздуха по суживающемуся конусу 27 изменяется его скорость и наблюдается скоростной перепад между основной массой вентилируемого воздуха, выходящего из отверстия вытяжной трубы 1, и части вентилируемого воздуха, выходящего из полости 27. Это приводит к образованию вокруг ветроколеса 10 зоны разрежения, которая в конечном итоге способствует увеличению скорости движения вентилируемого потока воздуха, движущегося по вытяжной трубе 1. По достижении потоком вентилируемого воздуха постоянной скорости по всей высоте вытяжной трубы 1, т.е. при наступлении стационарного режима движения, турбину 5 выключают и открывают клапан 18 тороидальной камеры 17. Давление воздуха в тороидальной камере 17 падает, ее стенки под действием подъемной силы смыкаются, обеспечивая максимальную ширину входного отверстия на уровне турбины 5. По мере естественного прогревания воздуха под экранирующей пленкой 16 от солнечной энергии на распредпункте 6 последовательно автоматически отключаются обогреватели, после чего установка работает в автономном режиме (используя энергию, вырабатываемую вращающимся ветроколесом 10, солнечную энергию и в зависимости от климатических зон геотермальное тепло) на проветривание. Связь ветроколеса 10 с электросиловой установкой 3 (не показана) позволяет энергию, вырабатываемую ветроколесом 10, аккумулировать и использовать, например, для светового оконтуривания устройства для проветривания в ночное время или в условиях плохой видимости, а также частично в качестве покрытия энергозатрат на выработку сжатого воздуха или откачку дренажных вод из карьера и т.д.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в поддержании нормированных энергозатрат на нагрев вентилируемого воздуха в условиях изменяющихся температурных воздействиях окружающей среды, путем устранения тепловых потерь при его движении по вытяжной трубе, за счет покрытия наружной поверхности с тороидальными камерами жесткости витыми пучками тонковолокнистого базальтового материала, продольно вытянутого от экранирующей пленки теплообменника до верхней тороидальной камеры включительно.