ШАХТНАЯ КАЛОРИФЕРНАЯ УСТАНОВКА
MINE CALORIFIER INSTALLATION

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в системе вентиляции подземных горнодобывающих предприятий.
Известна шахтная калориферная установка, включающая нагнетательные вентиляторы и воздухоподогреватель с пластинчатыми электронагревательными элементами, закрепленными в нижней части калориферного канала, прилегающего к стволу шахты, и ориентированными по потоку воздуха, поступающему в калориферный канал. Указанные элементы выполнены с возможностью регулирования теплопроводности воздухоподогревателя изменением напряжения, приложенного к ним, а количество пластин рассчитано в зависимости от максимального отрицательного значения температуры наружного воздуха и его объема, поступающего в калориферный канал, при этом стенки нижней части калориферного канала, прилегающего к воздухоподающему стволу, выполнены по периметру с изоляционным слоем, а нагнетательные вентиляторы выполнены с возможностью изменения режима работы и регулирования процесса перемешивания воздуха, поступающего в воздухоподающий ствол шахты (патент RU №133877 от 27.10.2013).
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками изобретения - нагнетательные вентиляторы; пластинчатые элементы, закрепленные в нижней части калориферного канала, прилегающего к стволу шахты, и ориентированные по потоку воздуха, поступающему в калориферный канал.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, относится то, что в известной шахтной калориферной установке применяется вертикальное расположение пластинчатых электронагревательных элементов. При этом нагретый воздух (более легкий) практически в полном объеме будет скапливаться вверху калориферного канала. В нижней части калориферного канала будет проходить холодный воздух, после чего он попадет в ствол. В этом случае может возникнуть аварийная ситуация, связанная с попаданием холодного воздуха в ствол.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является шахтная калориферная установка, включающая нагнетательные вентиляторы и ряд пластинчатых элементов, установленных в нижней части калориферного канала, прилегающего к стволу шахты, и ориентированных по потоку воздуха. Установка снабжена закрепленной на пластинчатых элементах системой теплообменных трубок, образующей замкнутый контур циркуляции жидкого тепло- или хладоносителя, которая включает управляющие задвижки и устройства для охлаждения и нагрева тепло- или хладоносителя (патент RU №142085 от 20.06.2014). Данная установка принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками изобретения - нагнетательные вентиляторы; ряд пластинчатых элементов, установленных в нижней части калориферного канала, прилегающего к стволу шахты, и ориентированных по потоку воздуха; при использовании в качестве теплоносителя воды или химического вещества на пластинчатых элементах закреплена система теплообменных трубок, образующая замкнутый контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающая управляющие задвижки и регулирующие устройства для подачи теплоносителя.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной установки, принятой за прототип, относится то, что в известной шахтной калориферной установке применяется вертикальное расположение пластин. При этом нагретый воздух (более легкий) практически в полном объеме будет скапливаться вверху калориферного канала. В нижней части калориферного канала будет проходить холодный воздух, после чего он попадет в ствол. В этом случае может возникнуть аварийная ситуация, связанная с попаданием холодного воздуха в ствол.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности работы шахтной калориферной установки.
Технический результат заключается в снижении энергетических затрат на работу установки при использовании различных видов тепловой энергии, в обеспечении равномерного прогрева воздуха, подаваемого в ствол.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известной шахтной калориферной установке, включающей нагнетательные вентиляторы, ряд пластинчатых элементов, установленных в нижней части калориферного канала, прилегающего к стволу шахты, и ориентированных по потоку воздуха, при использовании в качестве теплоносителя воды или химического вещества на пластинчатых элементах закреплена система теплообменных трубок, образующая замкнутый контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающая управляющие задвижки и регулирующие устройства для подачи теплоносителя, согласно изобретению пластинчатые элементы расположены в калориферном канале параллельно стенкам нижней части калориферного канала с возможностью регулирования угла их наклона относительно друг друга и нижней части калориферного канала, при этом вентиляторы расположены в поверхностном здании и/или в калориферном канале до пластинчатых элементов и/или после пластинчатых элементов.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - установка пластинчатых элементов в калориферном канале параллельно стенкам нижней части калориферного канала; установка пластинчатых элементов в калориферном канале с возможностью регулирования угла их наклона относительно друг друга и нижней части калориферного канала; расположение вентиляторов в поверхностном здании и/или в калориферном канале до пластинчатых элементов и/или после пластинчатых элементов.
Расположение нагревательных пластинчатых элементов параллельно стенкам нижней части калориферного канала обеспечит образование поэтажных участков, в которых равномерно распределяется тепловое поле, что позволит снизить энергетические затраты на работу установки и повысит эффективность ее работы.
За счет выбора месторасположения вентилятора (в поверхностном здании, до и/или после калориферной установки в канале), а также за счет возможности регулирования угла наклона пластинчатых элементов относительно друг друга и нижней части калориферного канала, обеспечивается более качественное регулирование смешивания нагретого в шахтной калориферной установке и подсасываемого через надшахтное здание холодного потоков воздуха, что позволит обеспечить равномерный прогрев воздуха, подаваемого в шахтный ствол, снизить энергетические затраты на работу установки и повысить эффективность ее работы.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков шахтной калориферной установки с получением указанного технического результата.
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 показана схема подачи воздуха через калориферную установку в воздухоподающий ствол.
На фиг. 2 - пластинчатый элемент, в который поступает либо вода, либо химическое вещество. На чертежах (фиг. 1-2) обозначены:
1 - наружный воздух;
2 - калориферный канал;
3 - воздухоподающий ствол;
4 - шахтная калориферная установка;
5 - пластинчатые элементы;
6 - трубки с теплоносителем;
7 - нагретый (охлажденный) воздух;
8 - подсасываемый наружный воздух;
9 - надшахтное здание;
10 - нагнетательные вентиляторы;
11 - поверхностное здание.
На фиг. 3 показано распределение температурных потоков в предлагаемой шахтной калориферной установке.
На фиг. 4 показано распределение температурных потоков в известной шахтной калориферной установке, взятой за прототип.
Шахтная калориферная установка 4 содержит нагнетательные вентиляторы 10 и ряд пластинчатых элементов 5, установленных в нижней части калориферного канала 2, прилегающего к воздухоподающему стволу 3 шахты, и ориентированных по потоку воздуха. Пластинчатые элементы 5 установлены в калориферном канале 2 параллельно стенкам нижней части калориферного канала 2. Для регулирования скорости нагретого потока воздуха 7 и степени его прогрева пластинчатые элементы 5 могут быть установлены с возможностью регулирования угла наклона каждого из пластинчатых элементов 5 относительно друг друга и нижней части калориферного канала 2. Количество пластин 5 рассчитано в зависимости от максимального отрицательного значения температуры наружного воздуха 1, его объема и геометрических размеров калориферного канала 2. Вентиляторы 10 могут быть расположены в поверхностном здании 11 и/или калориферном канале 2 до пластинчатых элементов 5 и/или после пластинчатых элементов 5.
Стенки нижней части калориферного канала 2, прилегающего к воздухоподающему стволу 3, могут быть выполнены по периметру с теплоизоляционным слоем. При использовании в качестве теплоносителя воды или химического вещества на пластинчатых элементах 5 закреплена система теплообменных трубок 6 (фиг. 2), образующая замкнутый контур циркуляции жидкого тепло- или хладоносителя, включающая управляющие задвижки и устройства для охлаждения и нагрева тепло- или хладоносителя (не показаны).
Шахтная калориферная установка работает следующим образом.
Наружный воздух 1 подается в калориферный канал 2, примыкающий к воздухоподающему стволу 3. В калориферном канале 2 расположена шахтная калориферная установка 4, состоящая из пластинчатых элементов 5, расположенных параллельно стенкам нижней части калориферного канала 2, в результате чего в калориферном канале 2 создаются поэтажные участки. Расстояние между пластинчатыми элементами 5 определяется таким образом, чтобы обеспечить равномерный прогрев наружного воздуха 1 с учетом эффекта конвективного подъема нагретого воздуха от одного пластинчатого элемента 5 к другому. В зависимости от ценовой политики для нагрева воздуха 1 в шахтной калориферной установке 4 может быть использован электрический ток, протекающий по пластинчатым элементам 5; вода или химическое вещество (например, этиленгликоль), проходящее по трубкам 6, для которых пластинчатые элементы 5 будут являться ребрами. Также в трубки 6 может подаваться теплоноситель, образованный в ходе сжигания органического топлива (например, природного газа).
В случае использования в качестве теплоносителя воды или химического вещества шахтная калориферная установка 4 может применяться для охлаждения воздуха 1 в теплое время года.
Кроме нагретого воздуха 7 в воздухоподающий ствол 3 поступает наружный воздух 8, не прошедший воздухоподготовку, подсасываемый через надшахтное здание 9.
Наружный воздух 1 в калориферный канал 2 подается при помощи нагнетательных вентиляторов 10, расположенных в поверхностном здании 11 и/или в калориферном канале 2 до пластинчатых элементов 5 и/или после пластинчатых элементов 5. В этом случае, возможно более качественно регулировать смешивание нагретого 7 в шахтной калориферной установке 4 и подсасываемого через надшахтное здание 9 холодного потоков воздуха 8. Также для регулирования скорости нагретого потока воздуха 7 и степени его прогрева пластинчатые элементы 5 могут быть установлены с возможностью регулирования угла наклона каждого из пластинчатых элементов 5 относительно друг друга и нижней части калориферного канала 2.
Калориферный канал 2 по периметру оснащен теплоизоляционным слоем. В качестве теплоизоляционного слоя может быть использовано термостекло (thermo glass).
Для обоснования эффективности предлагаемой конструкции шахтной калориферной установки (ШКУ) в программе ANSYS CFX было произведено моделирование процесса нагрева воздуха в ней (фиг. 3), а также в установке, состоящей из вертикальных пластинчатых нагревательных элементов (фиг. 4).
В расчетах были приняты следующие условия: температура воздуха, поступающего в ШКУ (температура наружного воздуха), равна -36°С; требуемое значение температуры на выходе - +5°С; количество пластинчатых нагревательных элементов - 5 шт.
Геометрические размеры калориферного канала в обоих вариантах были приняты одинаковыми.
В результате математического моделирования было установлено, что при вертикальном расположении пластинчатых нагревательных элементов в калориферном канале возникают воздушные потоки с различной температурой (фиг. 4). Максимально нагретый воздушный поток протекает в верхней части калориферного канала, а минимально нагретый - в нижней его части. При расчете среднего значения температуры воздуха, учитывая объемы воздушных потоков и их температуру, на выходе калориферного канала действительно получается значение температуры воздуха, равное +5°С. Однако наличие в калориферном канале воздушного потока с отрицательной температурой (фиг. 4) свидетельствует о том, что в стволе данный поток может не смешаться с нагретым потоком воздуха, в результате чего в нем будут присутствовать зоны с отрицательной температурой. Данная ситуация недопустима с точки зрения Правил безопасности.
Моделирование процесса нагрева воздуха пластинчатыми нагревательными элементами, расположенными параллельно стенкам нижней части калориферного канала, показало, что в канале воздух во всех зонах прогревается практически до одной температуры (фиг. 3).
Незначительное отклонение наблюдается у стенок калориферного канала, где нагрев осуществляется только за счет работы одного пластинчатого нагревательного элемента. В случае оснащения калориферного канала по периметру теплоизоляционным материалом или тем более термостеклом (thermo glass) в данных зонах воздух нагреется до более высокой температуры.
На выходе калориферного канала, при расположении пластинчатых нагревательных элементов параллельно стенкам нижней части калориферного канала, в процессе моделирования была получена требуемая по условиям заданная температура воздуха - +5°С. При этом температура нагрева пластинчатых нагревательных элементов на 28% меньше температуры, необходимой для нагрева в шахтной калориферной установке, взятой за прототип.
При использовании в качестве теплоносителя электрического тока температура нагрева пластинчатых нагревательных элементов примерно на 12% меньше температуры, необходимой для нагрева в шахтной калориферной установке, состоящей из вертикальных пластинчатых электронагревательных элементов, при аналогичных параметрах наружного воздуха, требуемого значения температуры воздуха на выходе из установки, геометрических размерах калориферного канала и количества и толщины пластинчатых нагревательных элементов.
Таким образом, предлагаемая конструкция шахтной калориферной установки позволит равномерно прогревать воздух, подаваемый в ствол. При этом нагревать пластинчатые элементы шахтной калориферной установки потребуется до меньшей температуры, т.е. затрачивать на ее работу меньшее количество энергоресурсов. Это свидетельствует об эффективной работе шахтной калориферной установки. Кроме того, преимущество установки состоит в том, что ее можно использовать при различных видах тепловой энергии.