Устройство для охлаждения воздуха в локальной рабочей зоне подземной выработки

Полезная модель относится к горной промышленности, а именно к устройствам для охлаждения воздуха, и может быть использована для нормализации микроклимата по тепловому фактору в локальных рабочих зонах горных выработок при выполнении горноспасательных и аварийно-восстановительных работ, а также в местах расположения высокоэнергетических силовых агрегатов для очистных забоев и подготовительных выработок, создающих значительные техногенные тепловые потоки, нагревающие воздух в стесненном рабочем пространстве.
Известен шахтный воздухоохладитель, включающий теплоизолированную емкость, расположенный внутри нее теплообменник с входным и выходным коллекторами, концы которого развальцованы в стенках теплоизолированной емкости, эжектор, всасывающий канал которого сообщен с выходным коллектором теплообменника, газоотводящий трубопровод и баллоны высокого давления, наполненные сжиженной углекислотой и соединенные с внутренней полостью теплоизолированной емкости посредством газоотводящего трубопровода с гидравлическим замком (SU, А.С. №1717844 А1, МПК E21F 3/00 (2006.01), опубл. 07.03.1992 г.).
В известном устройстве поступающий в теплообменники воздух, обладающий низкой теплопроводностью, имеет ламинарное движение, что приводит к его неравномерному охлаждению, поскольку преимущественно охлаждение происходит только внешних слоев. При этом во внутреннем объеме емкости при испарении углекислоты, сублимированная часть льда частично оседает на поверхности теплообменников, а значительная его часть - на внутренней поверхности емкости, что приводит к неравномерному теплообмену, не обеспечивая интенсивного охлаждения. Кроме того, эксплуатация известного устройства сопряжена с выбросом в атмосферу углекислого газа с созданием парникового эффекта, сопровождающегося повышением температуры и снижением содержания кислорода. В результате не обеспечивается нормализация микроклимата по тепловому фактору в локальной рабочей зоне горной выработки большого объема в течение длительного времени.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство для охлаждения воздуха в локальной рабочей зоне подземной горной выработки, содержащее теплоизолированный корпус в виде параллелепипеда с выполненными в двух противоположных боковых стенках входным и выходным люками для прохода воздуха, при этом внутренний объем корпуса разделен по высоте установленными параллельно верхней и нижней его стенкам воздухонепроницаемыми перегородками с проемами на нечетное количество теплообменник камер, в каждой из которых параллельно перегородкам расположены на направляющих выдвижные перфорированные полки с размещенными на них аккумуляторами холода в виде капсул из термопластичного полимера, например полиэтилена, формой в виде сплющенного цилиндра с размещенным в них водным льдом (Процесс теплообмена воздушной струи при контакте с нетающим льдом. Подвигин К.А. Вестник академии гражданской защиты (Научная электронная библиотека «Elibrary.ru» «Вестник академии гражданской защиты», научный журнал. - Донецк: ГОУВПО «Академия гражданской защиты» МЧС ДНР, выпуск 4 (24), стр. 56-61, от 29.12.2020 г. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/contents.asp, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. Рус.)).
Эксплуатация известного устройства не обеспечивает устойчивую нормализацию микроклимата рабочей зоны по тепловому фактору в необходимом ее объеме в течение продолжительного времени, что вызвано недостаточным охлаждением потока воздуха в процессе прохождения его через внутренний объем устройства. Это вызвано тем, что при контакте воздуха с гладкой поверхностью капсул в виде сплющенного цилиндра осуществляется низкий конвективный теплообмен, обусловленный ламинарным движением воздуха и малым временем его контакта с капсулами, имеющими невысокую поверхность теплообмена и недостаточную температуру водного льда (при атмосферном давлении 760 мм рт.ст. температура составляет - 1°С), а также отводом охлажденного воздуха из устройства с низкой скоростью.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования устройства охлаждения воздуха в локальной рабочей зоне подземной горной выработки, в которой за счет конструктивных особенностей обеспечивается интенсификация охлаждения потока воздуха при его прохождении через внутренний объем устройства путем улучшения конвективного теплообмена за счет создания турбулентного движения потока воздуха при контакте с капсулами пониженной температуры с большей площадью поверхности и его дополнительного охлаждения с увеличением скорости на выходе, что приводит к устойчивой нормализации микроклимата по тепловому фактору в локальной рабочей зоне горной выработки большого объема в течение длительного времени.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для охлаждения воздуха в локальной рабочей зоне подземной горной выработки, содержащем теплоизолированный корпус в виде параллелепипеда с выполненными в противоположных боковых стенках входным и выходным люками для прохода воздуха, внутренний объем которого разделен по высоте установленными параллельно верхней и нижней стенкам корпуса перегородками с проемами на теплообменные камеры, в каждой из которых параллельно перегородкам расположены выдвижные перфорированные полки с размещенными на них аккумуляторами холода, выполненными в виде капсул из термопластичного полимера с размещенным в них льдом, согласно полезной модели капсула выполнена с поперечными пережимами вдоль ее продольной оси, образующими ячейки в виде вытянутого эллипсоида вращения, а в качестве льда размещен водосоляной лед, при этом в теплообменной камере со стороны выходного люка установлено взаимосвязанное с ним сопло Лаваля.
Интенсификация охлаждения обеспечивается улучшением конвективного теплообмена за счет изменения геометрии поверхности капсулы, вызывающей турбулентное движение потока воздуха, увеличения площади контактной поверхности, размещения в капсуле водосоляного льда с пониженной температурой, а также за счет дополнительного охлаждения при попадании в сопло Лаваля с увеличением скорости на выходе из устройства. При контакте потока воздуха с поверхностью капсул в местах ее пережимов и при обтекании ячеек в виде вытянутого эллипсоида происходит его завихрение, вызывающее турбулентное движение потока, приводящее к снижению его скорости, которая наряду с повышенной площадью контакта приводит к увеличению времени контакта воздуха с капсулой, заполненной водосоляным льдом и, как следствие, к улучшению конвективного теплообмена. Далее поток воздуха подвергается дополнительному охлаждению за счет снижения абсолютной температуры и давления при прохождении сопла Лаваля с увеличением скорости на выходе из устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство охлаждения воздуха в локальной рабочей зоне подземной горной выработки, продольное сечение; на фиг. 2 - ячейка капсулы, продольное сечение.
Устройство содержит выполненный в виде параллелепипеда корпус 1, выполненный из оцинкованной листовой стали с теплоизолирующим слоем 2 из пенополистирола. В противоположные боковые стенки 3 и 4 вмонтированы входной и выходной люки 5 и 6 соответственно для прохода воздуха с откидными крышками 7, две другие противоположные боковые стенки выполнены съемными.
Внутренний объем корпуса 1 разделен по высоте установленными параллельно верхней и нижней стенкам 8, 9 воздухонепроницаемыми перегородками 10 с проемами 11 на нечетное число теплообменных камер 12. При этом верхняя теплообменная камера взаимосвязана с входным люком 5, а нижняя камера с выходным люком 6. С внутренней стороны противоположных боковых стенок 3 и 4 расположены металлические направляющие 13, на которых размещены выдвижные перфорированные полки 14, например решетчатые.
На каждой полке 14 размещены капсулы 15, выполненные из термопластичного полимера, например полиэтилена толщиной не менее 150 мкм. Капсулы 15 выполнены с поперечными пережимами 16 вдоль ее продольной оси, образующими ячейки 17 в виде вытянутого эллипсоида вращения. В капсулах 15 размещен водосоляной лед 18 с концентрацией NaCl - 23% (при атмосферном давлении 760 мм рт.ст. температура плавления/кристаллизации водосоляного льда составляет -21°С). Капсулы 15 расположены на полках 14 теплообменных камер 12 по длине полки 14 в один слой и в несколько рядов по ее ширине, причем нижний слой капсул расположен на поверхности нижней стенки 9 корпуса 1. В нижней теплообменной камере со стороны выходного люка 6 установлено взаимосвязанное с ним сопло Лаваля 19.
Для подачи охлаждаемого воздуха во внутренний объем устройства предусмотрено размещение у передней боковой стенки корпуса вентилятора местного проветривания (на чертеже не показан) для взаимосвязи с устройством посредством гибкого вентиляционного трубопровода 20, подсоединяемого к входному люку 3. Для направления охлажденного воздуха в локальную рабочую зону подземной горной выработки предусмотрен подсоединяемый к выходному люку 4 воздушный трубопровод 21. Устройство смонтировано на платформе 22 шахтной вагонетки для транспортирования по железнодорожным путям 23 с помощью электровозов, лебедок или вручную.
Устройство работает следующим образом.
Для подготовки устройства к работе вручную открываются крышки 7 люков 5 и 6, вмонтированных в боковые стенки 3, 4 корпуса 1 с теплоизолирующим слоем 2. Посредством гибкого вентиляционного трубопровода 20 вентилятор местного проветривания соединяется с входным люком 3 устройства. Поток охлаждаемого воздуха по трубопроводу 20 подается через входной люк 3 в верхнюю теплообменную камеру 12, где разделяется на отдельные потоки, которые перемещаясь вдоль верхней стенки 8 и расположенных на направляющих 13 перфорированных полок 14, контактируют с поверхностью капсул 15, размещенных на полках 14. Выполнение полок 14 перфорированными обеспечивает наиболее полный контакт воздуха с капсулами 15. Двигаясь вдоль ячеек 17 в виде вытянутого эллипсоида вращения и проходя места пережимов 16, воздушный поток сталкивается и обтекает их, в результате чего возникает его завихрение и поток приобретает турбулентное движение. По мере продвижения турбулентного потока воздуха по теплообменной камере и его контакта с поверхностью капсул происходит постепенное охлаждение воздуха. Турбулентное движение потока воздуха наряду со значительной площадью поверхности теплообмена и низкой температурой размещенного в капсуле 15 водосоляного льда 18 обеспечивают улучшение конвективного теплообмена, интенсифицируя процесс охлаждения. Размещение в капсуле водосоляного льда обеспечивает снижение его температуры плавления за счет того, что кроме процесса плавления также протекает процесс растворения соли в воде, сопровождаемый понижением температуры плавления водосоляного льда. Кроме снижения температуры плавления водосоляного льда также происходит увеличение длительности этого процесса, что приводит к увеличению длительности рабочего цикла устройства и снижению температуры воздуха подаваемого в локальную рабочую зону.
Воздух из верхней теплообменной камеры 12 через проемы 11 воздухонепроницаемых перегородок 10 последовательно перетекает в нижележащие камеры и подвергается дальнейшему охлаждению. Попадая в нижнюю камеру и контактируя в процессе перемещения с капсулами, размещенными на полках и поверхности нижней стенки 9, воздух направляется в сопло Лаваля 19, где происходит его дополнительное охлаждение за счет снижения абсолютной температуры и давления со значительным увеличением его скорости. Перемещаясь далее через воздушный трубопровод 21, с высокой скоростью интенсивно охлажденный поток воздуха поступает в горную выработку. При истечении охлажденного потока воздуха из воздушного трубопровода 21 с большой скоростью, он попадает в спутный поток горячего воздуха горной выработки и постепенно смешивается с ним, охлаждая локальную рабочую зону значительного объема. Сниженная температура и увеличенная скорость воздушного потока на выходе из устройства позволяют устойчиво нормализовать микроклимат по тепловому фактору при температуре спутного потока горячего воздуха в выработке до 34°С со скоростью до 2 м/с на расстоянии до 6 м.