СИСТЕМА ПРОВЕТРИРОВАНИЯ НЕГЛУБОКОГО РУДНИКА

Полезная модель относится к горной промышленности, а именно к системам проветривания рудников глубиной до 500 м, и может быть использовано для энергосберегающего регулирования теплового режима и предохранения возникновения «воздушных пробок» в стволах.
Известна система проветривания рудников (Воропаев А.Ф. Тепловое кондиционирование рудничного воздуха в глубоких шахтах. М.: «Недра», М., с. 163.), в которой охлаждение подаваемого в рудник воздуха происходит на поверхности и осуществляющая закачку наружного воздуха в воздухоподающие стволы за счет разрежения, создаваемого главной вентиляторной установкой (ГВУ), работающей на всасывание и расположенной на выходе вентиляционного ствола, через который отработанный воздух выбрасывается в атмосферу. При этом весь подаваемый в рудник воздух охлаждается и осушается в поверхностной установке кондиционирования воздуха (УКВ).
Ввиду того, что на работу поверхностной УКВ расходуется довольно большое количество электроэнергии, принудительное снижение температуры воздуха, подаваемого в один из воздухоподающих стволов ниже требуемого для его охлаждения и осушения, является неэффективным с точки зрения энергосбережения.
Воздух в околоствольных дворах воздухоподающих стволов под действием барометрического сжатия нагревается и, проходя по подземным горным выработкам, вновь охлаждается до температуры подземных горных пород. В случае, если в поверхностной УКВ воздух не будет охлажден до температуры, при которой происходит его осушение, в руднике будет выпадать влага.
При работе поверхностных УКВ между воздухоподающими стволами будут возникать «отрицательные» тепловые депрессии. В результате их действия будет увеличиваться «отрицательная» общерудничная естественная тяга. Данный факт приведет к тому, что в рудник будет подаваться объем воздуха ниже требуемого для нормальной его работы. В результате возникнет необходимость увеличить производительность ГВУ, т.е. перевести вентилятор в область более высоких давлений, что послужит причиной увеличения энергопотребления на ее работу.
Наиболее близкой к заявляемой является система проветривания рудника, включающая сообщающиеся между собой два воздухоподающих и один вентиляционный стволы, ГВУ, размещенную на выходе вентиляционного ствола, две главные вентиляционные выработки, подходящие к вентиляционному стволу, а также поверхностную и подземную установки кондиционирования воздуха (Николаев А.В. Управление тепловыми депрессиями в системах вентиляции калийных рудников. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Пермь, 2012, с. 17, рис. 7, в).
Недостатки известной системы следующие.
Воздух, проходящий через УКВ, охлаждается в теплообменниках, по которым проходит хладоноситель. В результате воздух отдает тепло хладоносителю, нагревая его. Для дальнейшей работы УКВ хладоноситель необходимо охлаждать. Для этой цели в основном применяются воздушные охладители, состоящие из вентиляторов, подающих воздух на теплообменники, по которым проходит нагретый хладоноситель. После того как воздух охладит хладоноситель в теплообменниках, он нагревается, и его необходимо изолировать от охлажденной струи воздуха. В подземной УКВ системы - прототипа не предусмотрен путь выброса теплого воздуха, образующегося при охлаждении хладоносителя. Вели выброс тепла осуществлять в месте расположения УКВ, то его КПД будет стремиться к нулю, т.к. охлажденный воздух будет смешиваться с нагретым воздухом, выходящим из охлаждающих вентиляторов. При расположении охлаждающих вентиляторов на поверхности, КПД установки также будет низким, т.к. для охлаждения хладоносителя будет использоваться наружный теплый воздух.
Кроме того, снижение величины отрицательных тепловых депрессий, действующих между стволами, и общерудничной естественной тяги будет зависеть от хладопроизводительности УКВ. При снижении величины отрицательных тепловых депрессий, будет снижаться электроэнергия, потребляемая ГВУ. Однако, для работы УКВ также требуется большое количество электроэнергии. В связи с этим увеличение хладопроизводительности УКВ будет нецелесообразным с точки зрения энергосбережения. Поэтому система - прототип в целом не позволит компенсировать затраты электроэнергии на свою работу. Таким образом, отрицательное влияние теплого воздуха существенно снижает КПД системы в целом и увеличивает энергозатраты на проветривание рудника.
Технический результат заключается в создании системы проветривания неглубокого рудника, обладающей высоким КПД и низкими энергозатратами на охлаждение воздуха и работу ГВУ за счет предотвращения влияния теплого воздуха, исходящего из конденсатора подземной установки, на процесс кондиционирования воздуха, поступающего в подземную часть рудника и используемого для проветривания.
Сущность полезной модели заключается в том, что в системе проветривания неглубокого рудника, включающей сообщающиеся между собой два воздухоподающих и один вентиляционный стволы, главную вентиляторную установку (ГВУ), размещенную на выходе вентиляционного ствола, две главные вентиляционные выработки, подходящие к вентиляционному стволу, а также поверхностную и подземную установки кондиционирования воздуха, согласно π Л формулы, испаритель подземной установки расположен в околоствольном дворе воздухоподающего ствола, ближнего к вентиляционному стволу, а ее конденсатор - в одной из главных вентиляционных выработок.
КПД системы в целом зависит от КПД подземной УКВ при охлаждении поступающего воздуха. Заявляемое расположение испарителя подземной УКВ в околоствольном дворе воздухоподающего ствола, ближнего к вентиляционному стволу, а его конденсатора - в одной из главных вентиляционных выработок, позволяет организовать выброс теплого воздуха, образующегося в процессе охлаждении хладоносителя в исходящую через вентиляционный ствол струю воздуха. Конденсатор подземной УКВ необходимо располагать в одной из двух вентиляционных выработок, подходящих к вентиляционному стволу, в котором температура воздуха составляет 8-10°C, а не 20-30°C как на поверхности. Поэтому для охлаждения хладоносителя, нагретого в процессе охлаждения воздуха, потребуются значительно меньшие затраты электроэнергии, что позволит повысить КПД установки.
В процессе охлаждения хладоносителя теплый воздух выбрасывается в исходящую струю вентиляционного ствола, температура которого повышается, результатом чего является увеличение величины положительных тепловых депрессий, действующих между стволами. Величина температуры воздуха, нагретого за счет работы УКВ по охлаждению хладоносителя, будет зависеть от требуемой хладопроизводительности установки, т.е. чем больше температура, до которой необходимо охладить воздух в УКВ, тем больше температура воздуха, образующегося в процессе охлаждения хладоносителя, следовательно больше температура исходящего воздуха. В этом случае значительно увеличивается величина тепловых депрессий, действующих между стволами, и общерудничной естественной тяги, исключается возможность образования «воздушных пробок» в стволах и снижается электроэнергия., потребляемая ГВУ.
На фиг. 1 представлена схема заявляемой системы проветривания неглубокого рудника. На фиг. 2 - устройство кондиционирования воздуха (УКВ), используемое в заявляемой системе.
1 - первый воздухоподающий ствол;
2 - второй воздухоподающий ствол;
3 - вентиляционный ствол;
4 - трубопровод с хладоносителем;
5 - подземная часть рудника;
6 - главная вентиляторная установка (ГВУ);
7 - 1-я главная вентиляционная выработка, подходящая к вентиляционному стволу 3;
8 - 2-я главная вентиляционная выработка, подходящая к вентиляционному стволу 3;
9 - охлаждаемый воздух;
10 - нагретый воздух;
11 - регулирующий вентиль;
12 - охлажденный воздух;
13 - исходящая струя воздуха;
14 - испаритель поверхностной УКВ;
15 - испаритель подземной УКВ;
16 - конденсатор поверхностной УКВ;
17 - конденсатор подземной УКВ;
18 - воздух, нагретый в конденсаторе 16;
19 - воздух, нагретый в конденсаторе 17;
20 - нагнетающий вентилятор;
21 - теплообменник испарителя 14;
22 - теплообменник испарителя 15;
23 - охлаждающий вентилятор;
24 - компрессор испарителя 15.
Пример работы заявляемой системы.
С помощью нагнетательных вентиляторов 20 охлаждаемый воздух 9 подают в теплообменник 21. Система из нагнетательного вентилятора 20 и теплообменника 21 представляет собой испаритель 14 поверхностной УКВ. В теплообменнике 21 воздух 9 охлаждается за счет теплообмена с хладоносителем, циркулирующим в трубопроводе 4. В качестве хладоносителя может использоваться, например, фреон или аммиак.
В испарителе 14 хладоноситель кипит за счет тепла, отнимаемого от охлаждаемого воздуха 9. Далее по трубопроводу 4 хладоноситель в газообразном состоянии поступает в компрессор 24 конденсатора 16 поверхностной УКВ, где он сжимается. Сжатие сопровождается соответствующим повышением температуры. В теплообменнике 22 конденсатора 16 хладоноситель охлаждается до температуры насыщения и, конденсируясь, переходит в жидкое состояние. Тепло нагрева и конденсации отводится охлаждающей средой за счет охлаждающих вентиляторов 23. Для регулирования скорости движения хладоносителя по трубопроводу 4 предназначен регулирующий вентиль 11. При изменении положения регулирующего вентиля 11 меняется величина давления хладоносителя в трубопроводе 4, тем самым регулируется хладопроизводительность поверхностной УКВ. Регулирующий вентиль 11 работает совместно с компрессором 24, настраивая УКВ на экономный режим работы. Аналогичным образом работает испаритель 15 и конденсатор 17 подземной УКВ.
Воздух 9 в рудник всасывается по двум воздухоподающим стволам 1 и 2 за счет разряжения, создаваемого ГВУ 6.
В первом воздухоподающем стволе 1 воздух охлаждается в испарителе 14 поверхностной УКВ до заданной температуры.
Во второй воздухоподающий ствол 2 подается наружный воздух 9. Охлаждение воздуха 9 до заданной температуры осуществляется в испарителе 15 подземной УКВ расположенном в околоствольном дворе воздухоподающего ствола 2.
Воздух 9 в испарителях 14 и 15 подземной и поверхностной УКВ охлаждается до температур, при которых происходит его полное осушение. Далее, осушенный воздух 12 двигается по подземным горным выработкам 5, при этом влаги на стенках горного массива не будет. В главную вентиляционную выработку 7, подходящую к вентиляционному стволу 3, выбрасывается нагретый в конденсаторе 17 подземной УКВ воздух 19. В случае небольшой глубины рудника до 400 м в одной из главных вентиляционных выработок, например 8, подходящих к вентиляционному стволу 3, может быть размещен конденсатор 16 поверхностной УКВ, который будет выбрасывать в вентиляционный ствол 3 нагретый в процессе работы конденсатора 16 поток воздуха 18. В этом случае будет наблюдаться дополнительный положительный эффект, заключающийся в повышении КПД поверхностной УКВ и увеличении величины положительной общерудничной естественной тяги.
ej
e1
e2
e3
Образующиеся в процессе работы поверхностной и подземной У КВ тепловые депрессии h будут положительными (+h; +h; +h), в результате чего исключается возможность образования «воздушной пробки» в одном из воздухоподающих стволов 1, 2, а увеличение величины положительной общерудничной естественной тяги позволит перевести режим работы ГВУ 6 в область более низких давлений, снизив тем самым ее энергопотребление.
3
Экспериментально и расчетным путем было установлено, при температуре наружного воздуха равной 21,5°C, атмосферном давлении 742,7 мм рт.ст. и объеме подаваемого в рудник глубиной 400 м воздуха, равном 500 м/с КПД заявляемой системы, по сравнению с прототипом, увеличится на 38,3%. КПД поверхностной УКВ увеличится на 64,0%.
При принятых параметрах на кондиционирование воздуха необходимо затратить 1400 кВт·ч электроэнергии. За счет действия положительной общерудничной тяги, т.е. при переводе ГВУ в область более низких давлений, затраты электроэнергии на работу главной вентиляторной установки снизятся на 813,2 кВт·ч. В этом случае электроэнергия, затрачиваемая на работу УКВ, за счет компенсации затрат электроэнергии, потребляемой ГВУ, снизится до 586,8 кВт·ч, т.е. примерно на 63%.