СПОСОБ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА В ШАХТАХ
METHOD OF AIR HEATING IN MINES

Изобретение относится к способам подогрева различных объектов и предназначено преимущественно для использования при подогреве воздуха, подаваемого в шахту.
Известен способ подогрева воздуха (патент РФ 2277205, МПК F24F 3/147), согласно которому воздух периодически подают вентиляторами из помещения на улицу и с улицы в помещение через устройство теплоаккумулирующей насадки со слоем сорбента со стороны вентиляционного объекта. Недостатком этого способа является сложность регулирования температуры входящего воздуха и невозможность использования в шахтах и тоннелях из-за недолговечности теплоаккумулирующего слоя.
Известен также способ нагрева воздуха с использованием электронагревательного элемента и послойной взаимовстречной подачей к нему воздуха (патент РФ 2280821, F24H 3/04). Недостатком этого способа является большое потребление электроэнергии и низкая экономичность.
Наиболее близким техническим решением является способ подогрева воздуха, подаваемого в шахту, предусматривающий подачу воздуха в ствол шахты через источник тепла, состоящий из парового калорифера (А.с. 907359, кл. F24H 3/02).
Недостатком известного способа является низкая эффективность из-за потерь тепла, значительные затраты на получение пара и низкая надежность. Использование в известном способе калориферной установки требует устройств для сжигания топлива, подогрева в нем воды до парообразного состояния и подачу его по трубопроводам к калориферу, установленному в стволе. В результате стоимость подогрева воздуха существенно возрастает, происходят потери тепла в трубопроводах. Кроме того, резко снижается возможность управления количеством тепла, передаваемого воздуху. Поэтому при резких перепадах температуры атмосферного воздуха в шахте могут создаваться некомфортные по метеорологическим параметрам условия.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности способа подогрева воздуха в шахтах.
Технический результат достигается тем, что в способе подогрева воздуха в шахтах, включающем подачу воздуха через источник тепла, согласно изобретению в качестве источника тепла используют горючий газ, сжигаемый в стволе в потоке поступающего в шахту воздуха, причем дополнительно внутреннюю поверхность ствола на протяжении горения горючего газа покрывают теплоизоляционным несгораемым теплоотражающим покрытием, а также измеряют расход и температуру поступающего в шахту воздуха, а расход горючего газа определяют по формуле
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>V</mi></msub><mi>c</mi><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
3
где G - расход горючего газа для сжигания в потоке воздуха, м/с;
V
3
G - расход воздуха, подаваемого в шахту, м/с;
с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);
3
ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м;
3
Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м;
1
t - температура воздуха, поступающего в шахту, К;
2
t - температура воздуха после подогрева, К.
Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве горючего газа используют метан, получаемый при дегазации угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства.
Сжигание горючего газа, например метана, водорода и других предельных и непредельных углеводородов непосредственно в потоке подаваемого в шахту воздуха позволит отказаться от котельных, трубопроводов для подвода пара или горячей воды. Одновременно предотвращается потеря тепла при транспортировке теплоносителя, так как все выделяемое при сжигании газа тепло отдается поступающему в шахту воздуху. Появляется возможность быстро изменять температуру воздуха, управляя расходом сжигаемого горючего газа.
Проведенный анализ показал, что сжигание горючих газов, например метана, происходит следующим образом
4
2
2
2
2
2
СН+2(O+3,76N)=СO+2НO+2·3,76N.
3
3
3
3
3
В результате этой реакции на сгорание 1 м метана требуется 9,52 мвоздуха, а образуется 1 м углекислого газа, 2 м водяного пара и 7,52 м азота.
3
Теплота сгорания метана равна 36000 кДж/м. Выделяемое при сжигании газа тепло расходуется на подогрев воздуха. Параметры воздуха после подогрева можно описать уравнением
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>ρ</mi><mi>V</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                               (1)</mtext></mrow>
3
где Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м;
с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);
3
ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м;
3
V - объем воздуха, м;
1
t - температура воздуха, поступающего в шахту, К;
2
t - температура воздуха после подогрева, К.
3
3
3
3
Принимая, что плотность воздуха равна 1,2 кг/м, удельная теплоемкость воздуха равна 1 кДж/(кг·К), а теплота сгорания метана равна 36000 кДж/м, подсчитаем количество подогретого воздуха при условии, что температура поступающего воздуха равна -40°С, а подогрев его осуществляется до +20°С. Подставляя исходные данные в уравнение (1), получаем, что сжигание 1 м метана достаточно для подогрева 500 м воздуха на 60 градусов (от температуры -40°С до +20°С).
Количество кислорода в образующейся смеси равно
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>в</mi></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mi>к</mi><mi>в</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>V</mi><mi>c</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                         (2)</mtext></mrow>
к
где С - количество кислорода в смеси воздуха и продуктов горения, %;
в
3
V - объем подаваемого воздуха, м;
кв
С - концентрация кислорода в атмосферном воздухе, % (21%);
с
3
V - объем подогретого воздуха (смесь подаваемого воздуха и продуктов сгорания), м.
Подставляя исходные данные в формулу (2), получаем, что концентрация кислорода в подогретом воздухе при самых неблагоприятных метеорологических условиях равна 20,6%, что соответствует требованиям правил безопасности.
Для расчета расхода горючего газа, необходимого для подогрева подаваемого воздуха, составим уравнение теплового баланса
<mrow><mi>Q</mi><mi>G</mi><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>ρ</mi><mi>G</mi><mi>v</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                                (3)</mtext></mrow>
3
где G - расход горючего газа для сжигания в потоке воздуха, м/с;
V
3
G - расход воздуха, подаваемого в шахту, м/с;
с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);
3
ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м;
3
Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м;
1
t - температура воздуха, поступающего в шахту, К;
2
t - температура воздуха после подогрева, К.
Расход горючего газа, необходимого для подогрева атмосферного воздуха, получаем из уравнения (3):
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>V</mi></msub><mi>c</mi><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mtext>.                                                               (4)</mtext></mrow>
Для повышения эффективности способа в качестве горючего газа для подогрева воздуха используют метан, получаемый при дегазации угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства.
Способ осуществляют следующим образом. Для подогрева атмосферного воздуха, подаваемого в шахту в зимний период, в вентиляционный ствол подводят, например, трубопровод с метаном, откачиваемым из угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства, снабженный источником зажигания газа. Концентрация метана в подаваемом газе должна превышать верхний концентрационный предел взрываемости. Внутреннюю поверхность вентиляционного ствола на всем протяжении горения подаваемого газа покрывают теплоизоляционным несгораемым теплоотражающим покрытием для снижения потерь выделяемого тепла и предотвращения пожара. Для расчета расхода горючего газа измеряют расход и температуру поступающего в шахту воздуха.
3
3
3
Пример применения способа. В результате сезонного похолодания температура подаваемого в шахту воздуха снизилась до -20°С. Для поддержания требуемых метеорологических условий в шахте возникла необходимость подогревать поступающий воздух до температуры +20°С. Нагрев воздуха осуществлялся за счет сжигания метана, получаемого при дегазации угольного пласта и вмещающих пород, в потоке воздуха, поступающего в шахту. Расход подаваемого в шахту воздуха равен 6000 м/мин. Теплота сгорания метана 36000 кДж/м. Принимая, что плотность воздуха равна 1,2 кг/м, удельная теплоемкость воздуха равна 1 кДж/(кг·К), подсчитывают расход горючего газа по формуле
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>G</mi><mi>V</mi></msub><mi>c</mi><mi>ρ</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mtext>Q</mtext></mfrac><mo>,</mo></mrow>
3
где G - расход горючего газа для сжигания в потоке воздуха, м/с;
V
3
G - расход воздуха, подаваемого в шахту, м/с;
с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);
3
ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м;
3
Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м;
1
t - температура воздуха, поступающего в шахту, К;
2
t - температура воздуха после подогрева, К.
3
Расчет показал, что для подогрева подаваемого воздуха до температуры +20°С необходимо сжигать в потоке воздуха метан с расходом 8 м/мин. Для безопасного сжигания метана внутреннюю поверхность ствола на протяжении горения горючего газа покрывают теплоизоляционным несгораемым теплоотражающим покрытием. Расчеты и последующие замеры показали, что температура воздуха после нагрева равнялась 20°С, а концентрация кислорода в нагретом воздухе равнялась 20,7%, что соответствовало требованиям правил безопасности. Таким образом, применение предложенного изобретения позволило повысить эффективность подогрева воздуха за счет снижения расхода на вспомогательное оборудование (котельная, калорифер) и уменьшения потерь тепла в окружающее пространство.
Применение предложенного способа позволяет повысить эффективность подогрева воздуха, подаваемого в шахту, и снизить затраты на создание благоприятного микроклимата на рабочих местах.