Устройство для проветривания карьеров
QUARRY VENTILATION DEVICE

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, Бюл. №21), 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) содержащее 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 ухудшение экологической безопасности в процессе проветривания карьера из-за выброса загрязнений в окружающую среду через выпускные окна вертикального телескопического полого вала.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение экологической безопасности обслуживающего персонала при проветривании карьера при длительной эксплуатации за счет устранения выброса в окружающую среду загрязнений в виде как мелкодисперсных твердых, так и каплеобразных частиц через выпускные окна путем выполнения очистного устройства в виде псевдосферы, размещенной внутри вертикального телескопического полого вала и включающее размещенный у основания псевдосферы на внутренней поверхности желоб, который соединен с грязесборником, установленным на внешней поверхности вала.
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 выполнено очистное устройство в виде псевдосферы, расположенной внутри вертикального телескопического полого вала перед выпускными окнами и включающее размещенный у основания псевдосферы на внутренней поверхности желоб, который соединен с грязесборником, установленным на внешней поверхности вала.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для проветривания глубоких карьеров, на фиг.2 – очищающее устройство, выполненное в виде псевдосферы и расположенное внутри вертикального телескопического полого вала и размещенное перед выпускными окнами, 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.
Устройство для проветривания  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, причем горячие 32 концы 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.
Очистное устройство 37 выполнено в виде псевдосферы, расположено внутри вертикального телескопического полого вала 9 перед выпускными окнами 24 с выходным отверстием 38 и включающее размещенный у основания 39 псевдосферы на внутренней поверхности 40 желоб 41, который соединен с грязесборником 42, установленным на внешней поверхности 43 полого вала 9.
Устройство работает следующим образом.
Мелкодисперсные твердые и каплеобразные частицы, сопутствующие специфике разработке глубоких карьеров, поступают в вертикальный телескопический полый вал 9 через впускные окна 23 и выбрасываются через выпускные окна 24 в окружающую среду, загрязняя ее. Это снижает экологическую безопасность как обслуживающего персонала внутри карьера, так и близко размещенного населения (см. например, стр. 426 Охрана природы при разработке месторождений. Мартынов В.Г. и др. Технология взрывных работ. – М: Студент, 2011. – 436 с, ил).
При выполнении очистного устройства 37, расположенного внутри вертикального телескопического вала 9, мелкодисперсные твердые и каплеобразные частицы, поступающие из входных окон 23, перемещаются от его основания 39 к выходному отверстию 38.
Особенность выполнения очистного устройства 37 (см., например, Некоторые замечательные кривые, стр. 826. Выгодский Н.Я. Справочник по высшей математике. – М: Наука, 1966. – 872 с., ил.) приводит к тому, что частицы загрязнений по мере перемещения от основания 39 к выходному отверстию 38 оттесняются к внутренней поверхности 40. Здесь мелкодисперсные твердые и каплеобразные частицы коагулируют, укрупняются и стекают с минимальным гидравлическим сопротивлением в желоб 41, который соединен с грязесборником 42, установленным на внешней поверхности 43 вертикального телескопического полого вала 9. По мере накопления загрязнений в грязесборнике 42, они удаляются вручную или автоматически, не засоряя окружающую среду, что и обеспечивает экологическую безопасность эксплуатации в процессе проветривания глубоких карьеров.
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 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 укрупнения 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 возрастанию 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 обеспечении экологической безопасности процесса проветривания глубоких карьеров, что достигается путем удаления загрязнений, перемещающихся по вертикальному телескопическому полому валу в окружающую среду за счет отделения от вентилируемого воздуха мелкодисперсных твердых и каплеобразных частиц посредством очищающего устройства, выполненного в виде псевдосферы, расположенного перед выпускными окнами и включающего размещенный у основания псевдосферы на внутренней поверхности вала желоб, который соединен с грязесборником, установленным на внешней поверхности вала.