ШАХТНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к горнодобывающей промышленности, в частности к охране труда, и может быть использована для пылеподавления в горных выработках путем увлажнения, коагуляции и последующего осаждения пыли.
Анализ причин и последствий аварий в горнодобывающей промышленности показывает, что наиболее сложные и опасные из них вызваны взрывами с участием угольной пыли. Присутствие угольной пыли при взрыве способствует увеличению силы взрыва и образованию токсичных газов высокой концентрации. Поэтому пылеподавление является важнейшей задачей при проведении любых видов горных работ.
Известны, так называемые, мокрые способы пылеподавления. Наиболее широко применяется орошение и туманообразование в запыленном пространстве. Для реализации указанных способов разработано и применяется на практике множество устройств - оросители, туманообразователи.
Примерами оросителей являются кольцевой ороситель ОКВ-7 и пылеподавитель гидрореактивный ПГР-30, производитель ОАО «Кемеровский экспериментальный завод средств безопасности», http://www.kezsb.ru/dust.htm.
Кольцевой ороситель ОКВ-7 предназначен для пылеподавления в очистных и подготовительных забоях, при комбайновом и буровзрывном способах выемки угля и
проведении подготовительных выработок. Он включает кольцевой коллектор с форсунками и штуцер подвода воды. Пыль смачивается и осаждается, проходя через водяную завесу из мелкодисперсных капель, а также за счет эжектирования запыленного воздуха факелом форсунок.
Пылеподавитель гидрореактивный ПГР-30 представляет собой осевой вентилятор с гидрореактивным приводом, рабочая жидкость которого (вода) на выходе формируется в виде оросительного факела. Пылеподавитель применяется для орошения очагов пылеобразования и обеспылевания воздуха в шахтах в различных технологических процессах добычи полезных ископаемых.
Примером туманообразователя является туманообразователь ФСТ-90, производитель ОАО «Кемеровский экспериментальный завод средств безопасности», http://www.kezsb.ru/dust.htm.
Туманообразователь ФСТ-90 предназначен для систем пылеподавления в горных выработках шахт, рудников, на обогатительных фабриках и других производствах, характеризующихся интенсивным пылевыделением. Работа туманообразователя основана на высокой скорости внешнего соударения струй, образующего при дроблении струй тонко диспергированное распыление воды в виде сплошного конуса.
Во всех приведенных выше устройствах пыль улавливается вследствие ее контакта с дробленной (распыленной, диспергированной) водой. При этом частички пыли смачиваются водой, утяжеляются, слипаются (коагулируют) и быстро оседают.
Указанные устройства имеют значительные размеры, что ограничивает возможности их применения в ограниченном пространстве горных выработок, требуют большого расходы воды на единицу объема пылевоздушной смеси. При этом неизбежно происходит увлажнение самого пылящего материала, что в большинстве случаев нежелательно. Кроме того, некоторые виды пыли, в том числе каменноугольная пыль, плохо смачиваются водой,
поэтому применение водяного орошения или водяного тумана не обеспечивает достижение должного эффекта. В подобных случаях к воде, подаваемой для орошения или туманообразования, добавляются специальные вещества, способствующие смачиванию пыли. Эти вещества носят общее название смачивателей. В качестве смачивателей используются мылонафт, сульфанол, сульфитно-спиртовую барду и другие сложные органические соединения.
Указанные обстоятельства по техническим и экономическим причинам ограничивают возможности применения пылеподавления в горных выработках средствами водяного орошения и туманообразования.
Как одно из средств пылеподавления применяют водяной пар. В отличие от водораспыления водяной пар хорошо смачивает взвешенную пыль, гораздо меньше увлажняет сам пылящий материал. Насыщенный водяной пар подают в пространство горной выработки, где он свободно расширяется. Происходит снижение температуры, конденсация насыщенных паров воды в пылегазовой среде. В результате конденсации водяного пара образующиеся при этом капли воды смачивают частицы пыли, что приводит к увеличению веса этих частиц. При случайном столкновении смоченных частиц пыли друг с другом происходит их слипание, т.е. реализуется процесс коагуляции и гравитационного осаждения пыли. Длительность нахождения пыли во взвешенном состоянии при реализации данного способа минимальна. Водяной пар проникает в самые труднодоступные места горной выработки. Основной проблемой применения водяного пара в целях пылеподавления в горных выработках является разработка парогенераторов, которые должны быть малогабаритными, взрывобезопасными и экономичными. Ясно, что обычные парогенераторы, основанные на сжигании органического топлива, в горных выработках применятся не могут по условиям взрывоопасности. Наиболее перспективными являются устройства, в которых реализован гидродинамический нагрев воды.
6
В качестве прототипа выбран шахтный парогенератор по патенту Российской Федерации №2039294, МКИ E 21 F 5/00, F 22 B 1/00, приоритет от 1992.08.20.
В соответствии с описанием изобретения шахтный парогенератор состоит из заторможенной гидромуфты, электродвигателя, связанного с приводным валом гидромуфты. Электродвигатель и гидромуфта установлены в едином корпусе, который закреплен на раме. Гидромуфта имеет входной канал для подачи воды и выходной канал, соединенный с устройством отвода пара, которое выполнено в виде клапана. Сама гидромуфта содержит корпус, в полости которого установлены подвижный (вращающийся) и неподвижный диски. Подвижный диск закреплен на приводном валу гидромуфты.
Шахтный парогенератор работает следующим образом. Вращение ротора электродвигателя передается подвижному диску, который захватывает имеющуюся в гидромуфте рабочую жидкость (воду), создавая ее непрерывное вихревое движение. За счет взаимодействия подвижного диска с рабочей жидкостью последняя нагревается, кипит и превращается в пар, в результате чего давление в гидромуфте возрастает. Процесс нагрева ускоряется за счет наличия неподвижного диска, который установлен с зазором по отношению к подвижному диску. При достижении уровня давления, на которое рассчитан клапан выпуска пара, последний открывается, выпуская пар в горную выработку. Подпитка гидромуфты водой по мере выкипания происходит через входной канал гидромуфты.
Описанное устройство по существу относится к гидродинамическим теплогенераторам, работающим на принципе заторможенной гидравлической муфты, которые в настоящее время широко применяются в автономных системах теплоснабжения и нагрева жидкости в технологических системах. Нагревание жидкости в гидродинамическом теплогенераторе происходит не за счет прямого преобразования электрической энергии в тепловую, а путем преобразования энергии движущейся жидкости в тепловую энергию в условиях устойчивой гидродинамической кавитации. Как правило, гидродинамический
теплогенератор содержит полый корпус с входным каналом для подвода нагреваемой жидкости и выходным нагнетательным каналом для отвода нагретой жидкости. Внутри корпуса, как правило, соосно установлены вращающийся ротор и неподвижный статор. Ротор закреплен на приводном валу, который соединен с двигателем. Статор неподвижно установлен в корпусе или является неподвижной частью корпуса. Ротор представляет собой центробежное колесо, в большинстве случаев выполненное с радиальными лопатками со стороны статора. Статор выполнен с соответствующими радиальными лопатками со стороны ротора. Между лопатками ротора и статора имеется зазор.
Сама жидкость является одновременно и рабочим телом и носителем тепловой энергии. Зона кавитации находится внутри потока, что не допускает разрушения рабочих органов и не создает шумового эффекта.
Примерами таких теплогенераторов являются гидродинамические теплогенераторы (гидротермеры) типа УГД, производимые Обществом с ограниченной ответственностью «ГИДРОТРАНСМАШ», Украина, http://home.skif.net/~gtm/UGD.html.
Указанные гидродинамические теплогенераторы имеют незначительные габариты, высокий КПД, большой ресурс и надежность конструкции. Не требуют химической подготовки воды. Могут применятся для нагрева любых жидкостей до нескольких сот °С при избыточном давлении и для получения технологического пара.
Учитывая изложенное выше, общими признаками заявляемого решения и прототипа можно считать: шахтный парогенератор, включающий гидродинамический теплогенератор с входным и выходным каналами, привод гидродинамического теплогенератора, устройство отвода пара.
Конструкция шахтного парогенератора, выбранного в качестве прототипа, не обеспечивает получение высоких значений КПД, характерных для теплогенераторов данного типа. Объясняется это следующим. Как следует из описания прототипа «за счет трения
между подвижным диском и рабочей жидкостью последняя нагревается, кипит и превращается в пар, в результате чего давление в гидромуфте (гидродинамическом теплогенераторе) возрастает. При достижении уровня давления, на которое рассчитан клапан выпуска пара, последний открывается, выпуская пар в горную выработку». То есть парообразование происходит непосредственно в гидромуфте (гидродинамическом теплогенераторе), из которой пар поступает в горную выработку. Однако известно, что гидродинамические теплогенераторы рассматриваемого типа работают эффективно (обеспечивают высокий КПД) только при соблюдении оптимального гидродинамического режима работы. Этот режим исключает наличие газовой (паровой) зоны в гидродинамическом теплогенераторе. При образовании такой зоны теплогенератор переходит в неустойчивый режим работы, КПД теплогенератора резко снижается.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования шахтного парогенератора, в котором за счет конструктивных особенностей исполнения обеспечивается устойчивый режим работы теплогенератора, чем обеспечивается повышение КПД шахтного парогенератора.
Поставленная задача решается тем, что шахтный парогенератор, включающий гидродинамический теплогенератор с входным и выходным каналами, привод гидродинамического теплогенератора, устройство отвода пара, в соответствии с полезной моделью, дополнительно содержит двухфазный жидкостный аккумулятор тепла с жидкостной и паровой зонами, при этом входной и выходной каналы теплогенератора соединены с жидкостной зоной аккумулятора тепла, а устройство отвода пара соединено с паровой зоной аккумулятора тепла.
Указанные признаки являются существенными признаками заявляемой полезной модели.
Причинно-следственная связь существенных признаков полезной модели с достигаемым техническим результатом (обеспечение устойчивого режима работы теплогенератора) вытекает из следующего.
Выполнение шахтного парогенератора в виде гидродинамического теплогенератора с входным и выходным каналами, привода гидродинамического теплогенератора, двухфазного жидкостного аккумулятора тепла с жидкостной и паровой зонами, в котором входной и выходной каналы теплогенератора соединены с жидкостной зоной аккумулятора, а устройство отвода пара соединено с паровой зоной аккумулятора тепла, обеспечивает устойчивый режим работы гидродинамического теплогенератора, а следовательно и высокий КПД (до 95%). В такой конструкции нагреваемая жидкость (вода) постоянно циркулирует по замкнутому контуру «жидкостная зона двухфазного аккумулятора - входной канал теплогенератора - теплогенератор - выходной канал теплогенератора - жидкостная зона двухфазного аккумулятора», что исключает возможность образования паровой (газовой) зоны в теплогенераторе и обеспечивает устойчивый гидродинамический режим его работы. При этом пар отводится в пространство горной выработки из паровой зоны двухфазного аккумулятора не влияя на режим работы теплогенератора.
Ниже приводится подробное описание заявляемого шахтного парогенератора со ссылками на чертежи, на которых приведены:
Фиг.1 - схематическое изображение шахтного парогенератора.
Фиг.2 - схематическое изображение гидродинамического теплогенератора.
Шахтный парогенератор включает гидродинамический теплогенератор 1 с входным 2 и выходным 3 каналами, привод гидродинамического теплогенератора 1, выполненный в виде электродвигателя 4, устройство отвода пара 5, двухфазный жидкостный аккумулятор тепла 6 с жидкостной 7 и паровой зонами 8. Входной канал 2 и выходной канал 3 теплогенератора 1 соединены с жидкостной зоной 7 двухфазного аккумулятора тепла 6.
Устройство отвода пара 5 соединено с паровой зоной 8 двухфазного аккумулятора тепла 6. Двухфазный аккумулятор тепла 6 имеет штуцер 9 для подпитки системы водой. Электродвигатель 4 соединен с приводным валом 10 теплогенератора 1 через муфту 11. Электродвигатель 4, гидравлический теплогенератор 1, двухфазный жидкостный аккумулятор тепла 6 закреплены на едином основании 12.
Гидродинамический теплогенератор 1 включает корпус 13, приводной вал 10, ротор 14, который закреплен на приводном валу 10 и установлен в корпусе 13 с возможностью вращения. Ротор выполнен в виде колеса с радиальными лопастями 15. Неподвижная часть 16 корпуса 13 с радиальными лопастями 17 образует статор гидродинамического генератора. Между лопастями 15 ротора 14 и лопастями 17 статора имеется зазор 18. Входной канал 2 служит для подвода нагреваемой воды. Выходной канал 3 служит для отвода нагретой воды.
Шахтный парогенератор работает следующим образом. Электродвигатель 4 через муфту 11 вращает приводной вал 10 теплогенератора 1. Вместе с валом 10 вращается закрепленный на нем ротор 14. Теплогенератор 1, реализуя насосную функцию, перекачивает воду по замкнутому контуру ««жидкостная зона 7 двухфазного аккумулятора тепла 6 - входной канал 2 теплогенератора 1 - теплогенератор 1 - выходной канал 3 теплогенератора 1 - жидкостная зона 7 двухфазного аккумулятора тепла 6». Вода нагревается. Нагревание воды в гидродинамическом теплогенераторе происходит за счет преобразования энергии движущейся жидкости в тепловую энергию в условиях устойчивой гидродинамической кавитации. Зона кавитации находится внутри потока, что препятствует разрушению рабочих органов теплогенератора и не создает шумового эффекта. Сама вода является одновременно и рабочим телом и носителем тепловой энергии.
Часть нагретой воды в двухфазном аккумуляторе тепла 6 преобразуется в пар, который при повышенном давлении скапливается в паровой зоне 8 двухфазного аккумулятора тепла 6. Из паровой зоны 8 пар подается в пространство горной выработки
через устройство отвода пара 5. Важнейшим фактором является то, что предлагаемая конструкция позволяет регулировать подачу пара в пространство горной выработки в широких пределах, не нарушая оптимальный гидродинамический режим работы теплогенератора.
Пар смешивается с воздухом и движется вместе с ним вдоль выработки, проникает в самые труднодоступные места горной выработки, например в закрепное пространство, где находятся значительные отложения угольной пыли во взрывоопасном состоянии. Охлаждаясь, пар превращается в конденсат, увлажняет, коагулирует и осаждает угольную пыль, переводя ее в невзрывоопасное состояние. По мере расхода воды выполняют подпитку системы через штуцер 9.
При использовании описанного шахтного парогенератора достигается высокая эффективность пылеподавления, экономичность и безопасность работы.