УСТРОЙСТВО БОРЬБЫ С ТУМАНОМ НА РУДНИКАХ

Полезная модель относится к горному делу и может быть использована для безопасности ведения горных работ.
Известно устройство для механизации способа борьбы с туманом на рудниках (см. патент РФ №2209875, МПК Е01Н 13/00, E21F 3/00, 10.08.2003), содержащее вихревую трубу с патрубком выхода теплого воздушного потока и трубопроводом отвода «холодного» воздушного потока, расположенным в водоотводной канавке и соединенным с патрубком выхода подогретого воздуха, причем на внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока расположены направляющие, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, закрученной против часовой стрелки, а на внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха расположены направляющие, кривизна которых образована по положительному вращению винтовой линии, закрученной по часовой стрелке.
Недостатком является снижение эффективности в процессе длительной эксплуатации из-за уменьшения выходных отверстий патрубков, как выхода теплого воздуха, так и выхода подогретого воздуха из-за налипания на их внутренние поверхности загрязнений в виде ржавчины и/или окалины, образующихся при окислении движущимся сжатым воздухом, насыщенным парообразной и мелкодисперсной каплеобразной влагой, а это, в конечном итоге, препятствует более полному рассеиванию тумана в горной выработке. Известно устройство для борьбы с туманом на рудниках (см. патент РФ 2392441 МПК E21F 3/00, F01H 13/00, опубл. 20.06.2012, бюл. №17), содержит корпус патрубка выхода теплого воздушного потока и патрубка выхода подогретого воздуха выполнены из биметалла, при этом материал внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности, а материал внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности.
Недостатком является энергоемкость обеспечения безопасного ведения горных работ в темное время суток, когда необходимо осуществление дежурного освещения от электрической сети устройства для борьбы с туманом, особенно при выделении взрывоопасных газов из-за вероятного использования в проводной системе подачи электрического тока.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение безопасности ведения горных работ за счет устранения подачи электрического тока на дежурное освещение в темное время суток путем применения теплового потенциала вихревой трубы для выработки электрического напряжения посредством термоэлектрического генератора, использующего разность температур трубопроводов отвода теплого и «холодного» воздушного потоков.
Технический результат по обеспечению безопасности ведения горных работ при туманах на рудниках достигается тем, что устройство для борьбы с туманом на рудниках снабжено термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с проходным каналом для теплого воздушного потока, а также комплекта дифференциальных термопар, при этом «горячие» концы дифференциальных термопар укреплены внутри проходного канала для теплого воздушного потока, а их «холодные» концы укреплены внутри проходного канала для холодного воздушного потока, кроме того вход проходного канала для теплого воздушного потока соединен с выходом теплого воздушного потока вихревой трубы, а его выход соединен с трубопроводом отвода теплого воздушного потока, при этом вход проходного канала для холодного воздушного потока соединен с выходом холодного воздушного потока вихревой трубы, а его выход соединен с трубопроводом отвода холодного воздушного потока, расположенного в водоотливной канавке.
На фиг.1 показана принципиальная схема устройства для борьбы с туманом на рудниках; на фиг.2 - биметаллический патрубок выхода подогретого воздуха с направляющими, расположенными по отрицательному вращению винтовой линии, на фиг.3 - биметаллический патрубок выхода подогретого воздуха с направляющими, расположенными по положительному вращению винтовой линии.
Устройство для борьбы с туманом на рудниках включает компрессор (не показано), расположенный вне горной выработки 1 с туманом, где установлена вихревая труба 2 с одним выходом 3 теплого воздушного потока вверх и другим выходом 4 холодного потока вниз. Трубопровод 5 подачи сжатого воздуха от компрессора к вихревой трубе 2, патрубок 6 выхода теплого воздушного потока с направляющими 7, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, трубопровод 8, расположенный в водоотливной канавке 9, патрубок 10 выхода подогретого воздуха с направляющими 11, кривизна которых образована положительным вращением винтовой линии. Патрубки 6 и 10 выполнены из биметалла, при этом материал 12 внутренней поверхности патрубка 6 выхода теплого воздушного потока имеет коэффициент теплопроводности материала в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала 13 наружной поверхности, а материал 14 внутренней поверхности патрубка 10 выхода подогретого воздуха имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности материала 15 наружной поверхности.
Термоэлектрический генератор 16 выполнен в виде корпуса 17 с проходным каналом для теплого воздушного потока 18 и с проходным каналом для холодного воздушного потока 19, а также комплекта дифференциальных термопар 20. «Горячие» концы 21 дифференциальных термопар 20 укреплены внутри проходного канала для теплого воздушного потока 18, а их «холодные» концы 22 укреплены внутри проходного канала для холодного воздушного потока 19. Вход 23 проходного канала для теплого воздушного потока 18 соединен с выходом 3 теплого воздушного потока вихревой трубы 2, а выход 24 проходного канала для теплого воздушного потока 18 соединен с трубопроводом отвода теплого воздушного потока 25. Вход 26 проходного канала для холодного воздушного потока 19 соединен с выходом 4 холодного воздушного потока вихревой трубы 2, а выход 27 проходного канала для холодного воздушного потока 19 соединен трубопроводом отвода холодного воздушного потока 8, расположенного в водоотливной канавке 9.
Устройство для борьбы с туманом на рудниках работает следующим образом. По трубопроводу 5 подачи сжатый воздух от компрессора (не показано) поступает в вихревую трубу 2, где разделяется на два потока: теплый и холодный. После этого по выходу 3 вверх теплый воздушный поток разделяется на 2 части.
В вихревой трубе 2 в зависимости от давления сжатого воздуха при термодинамическом расслоении наблюдается разность температур между теплым и холодным потоками от 40°С и выше (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в технике, г.Самара. 1995 г. - 357 с). Меньшая часть теплого воздушного потока из выхода 3 вихревой трубы 2 через вход 23 поступает в проходной канал для теплого воздушного потока 18 корпуса 17 термоэлектрического генератора 16, где контактирует с «горячими» концами 21 комплекта дифференциальных термопар 20, и далее через выход 24 направляется в трубопровод отвода теплого воздушного потока 25. В тоже время меньшая часть холодного воздушного потока из выхода 4 вихревой грубы 2 через вход 26 поступает в проходной канал для холодного воздушного потока 19 корпуса 17 термодинамического генератора 16, где контактирует с «холодными» концами 22 комплекта дифференциальных термопар 20, а далее через выход 27 направляется в трубопровод отвода холодного воздушного потока 8, расположенного в водоотливной канавке 8.
В результате контакта теплого воздушного потока с «горячими» концами 21, а холодного воздушного потока с «холодными» концами 22 комплекта дифференциальных термопар 20, при использовании в качестве термопар, например, хромель-копеля возникает термо-ЭДС до 6,96 MB (см., например, Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.- 230 с). Это позволяет получить напряжение на выходе термоэлектрического генератора 16 в пределах 12-36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / под общ. ред. В.М.Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1980 г. - 560 с), что вполне достаточно для дежурного освещения устройства для борьбы с туманом и/или питания схем автоматизации и контроля процесса рассеивания тумана. В результате устраняется необходимость использования подачи электроэнергии через провода от электрической сети, когда в условиях образования тумана возрастает вероятность увлажнения электрических проводов с последующим возникновением аварийных ситуаций из-за искообразования оборудования при нарушении электроизоляции, а это ухудшает условия безопасного ведения торных работ. Вторая большая часть теплого воздушного потока из выхода 3 вихревой трубы 2 по трубопроводу отвода теплого воздушного потока 25 направляется в выработку 1 с туманом.
При перемещении теплого воздушного потока по направляющим 7, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, закручивается против часовой стрелки.
В связи с тем, что во всасываемом в компрессор атмосферном воздухе постоянно находится значительное количество как парообразной, так и мелкодисперсной влаги, то по мере движения сжатого в вихревой трубе 2, теплого воздушного потока вверх, наблюдается интенсивное окисление внутренней поверхности вихревой трубы 2 с образованием перемещающихся частиц твердых загрязнений в виде окалины и ржавчины. Все данные частицы направляются в патрубок 6 выхода теплого потока, где и залипают на внутренней поверхности 12 и соответственно на направляющих 7, тем самым уменьшая полезную поверхность выходного отверстия патрубка выхода теплого воздушного потока 6, что приводит к увеличению скорости потока поступающего в выработку 1. А это приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления патрубка 6, т.е. к дополнительным энергозатратам процесса удаления тумана, при невысокой эффективности его рассеивания из-за проскока части теплого воздушного потока 3 без контакта с туманообразной массой в горной выработке 1.
Для устранения данного явления корпус патрубка 6 выполнен из биметалла таким образом, что материал внутренней поверхности 12 имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности 13. В этом случае при разности температур (температура внутренней поверхности 12 патрубка 6, контактирующей с теплым воздушным потоком, выше, чем температура внешней поверхности 13, контактирующей с воздухом окружающей среды в горной выработке 1 материалов биметалла между внутренней 12 и наружной 13 поверхности возникает максимальный температурный градиент (см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980 г. - 469 с), направленного действия к внешней поверхности 12.
Возникающая в этом случае величина термовибрации достигает значений, обеспечивающих устранение возможности залипания твердых частиц загрязнений (ржавчины и окалины) на внутреннюю поверхность 12 и на направляющие 7 патрубка 6 (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы, Пермь: Наука, 1991 г. - 487 с. ил.). В результате наблюдается поддержание нормированных размеров выходного отверстия патрубка 6, т.е. обеспечивается полное конденсирование теплого воздушного потока 3 с туманообразной массой в горной выработке 1. При этом твердые частицы загрязнений, выбрасываемые из патрубка 6 являются дополнительными «ядрами конденсации» мелкодисперсной и парообразной влаги, что также способствует более интенсивному рассеиванию тумана в горной выработке 1.
Кроме этого под действием теплого, закрученного против часовой стрелки, вращающегося потока сжатого воздуха в горной выработке 1 с туманом рудничный воздух нагревается, а туман интенсивно рассеивается по всему пространству горной выработки 1, начиная от выходного патрубка 6 теплого воздуха.
Одновременно большая часть холодного воздушного потока из выхода 4 после разделения в вихревой трубе 2 направляется по трубопроводу 8, расположенному в водоотливной канавке 9, где нагревается и поступает в горную выработку 1 с туманом уже как поток подогретого воздуха. Подогретый воздух, насыщенный паро- и каплеобразной 25 влагой, интенсивно окисляет внутреннюю поверхность трубопровода 8, образуя на ней ржавчину и/или окалину, которая с движущимся потоком воздуха перемещается в патрубок 10, где, проходя по направляющим 11, кривизна которых образована положительным вращением винтовой линии, закручивается по часовой стрелке, что приводит к рассеиванию тумана по выработке 1, начиная от выходного отверстия патрубка 10 выхода подогретого воздуха.
В связи с тем, что воздух в трубопроводе 8 нагревается от воды, находящейся в водоотливной канавке 9, температура воды в данном случае выше, чем температура воздуха. Корпус патрубка 10 выхода подогретого воздуха выполняется из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности 15 выше коэффициента теплопроводности материала внутренней поверхности 14. В этом случае в материале внутренней поверхности 15 биметаллического корпуса патрубка 10 возникает максимальный температурный градиент (для данной разности температур воды и подогретого воздуха), направленного действия в сторону внутренней поверхности 14, т.к. теплота от воды водоотливной канавки более интенсивно проходит материал наружной поверхности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала внутренней поверхности 14 патрубка 10. Соприкосновение закрученных в противоположных 4 направлениях вращениях теплого и подогретого потоков сжатого воздуха с твердыми частицами загрязнений приводит к образованию множества отдельных микрозавихрений в рудничном воздухе по всему объемному пространству выработки 1. В результате осуществляется полное устранение образования застойных зон в выработке с туманом, т.е. наблюдается более полное рассеивание тумана.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что обеспечение безопасности ведения горных работ при эксплуатации устройства борьбы с туманом на рудниках осуществляется путем устранения необходимости подачи для дежурного освещения электрической энергии по проводам от электрических сетей, что достигается использованием температурного перепада теплого и холодного потоков вихревой трубы посредством термоэлектрического генератора, выполненного в виде корпуса с двумя проходными каналами и комплекта дифференциальных термопар.