Перспективы использования природных источников энергии для подогрева наружного воздуха на угольных шахтах

7. Kantorovich L.V., Akilov G.P. Funkcional'nyj analiz. M.: Nauka, 1977. 742s.

8. Makarov Je.S., Gvozdev A.E. Teorija plastichnosti dilatirujushhih sred. Moskva-Tula: Izd-vo «Grif i K», 2000. 358 s.

9. Soprjazhennye polja v uprugih, plasticheskih, sypuchih sredah i metallicheskih trudnodeformiruemyh sistemah: monografija / Je.S. Makarov, V.Je. Ul'chenkova, A.E. Gvozdev, N.N. Sergeev, A.N. Sergeev// Tula: Izd-vo TulGU, 2016. 526 s.

10. Osobennosti protekanija processov razuprochnenija pri gorjachej deformacii aljuminija, medi i ih splavov / A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, D.N. Bogoljubova, N.N. Sergeev, I.V. Tihonova, D.A. Provotorov//Materialovedenie. 2014. № 6. S. 48-55.

11. Vlijanie deformacionnoj povrezhdaemosti na formirovanie mehanicheskih svojstv malouglerodistyh stalej / G.M. Zhuravlev, A.E. Gvozdev, N.N. Sergeev, D.A. Provotorov//Proizvodstvo prokata. 2015. № 12. S. 9-13.

12. Mnogourovnevyj podhod k probleme zamedlennogo razrushenija vyso-koprochnyh konstrukcionnyh stalej pod dejstviem vodoroda / V.P. Baranov, A.E. Gvozdev, A G. Kolmakov, N.N. Sergeev, A.N. Chukanov//Materialovedenie. 2017. № 7. S. 11-22.

13. Variant opredelenija maksimal'nogo plasticheskogo uprochnenija v instrumen-tal'nyh staljah / G.M. Zhuravlev, A.E. Gvozdev, A.E. Cheglov, N.N. Sergeev, O.M. Gubanov // Stal'. 2017. № 6. S. 26-39.

14. Temperature distribution and structure in the heat-affected zone for steel sheets after laser cutting / A.E. Gvozdev, N.N. Sergeyev, I.V. Minayev, I.V. Tikhonova, A.N., Khonelidze D.M. Sergeyev, D.V. Maliy, I.V. Golyshev, A.G. Kolmakov, D.A. Provotorov // Inorganic Materials: Applied Research. 2017 T. 8. № 1. R. 148-152.

15. On friction of metallic materials with consideration for superplasticity phenomenon / A.D. Breki, A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, N.E. Starikov, D.A. Provotorov, N.N. Sergeyev, D.M. Khonelidze // Inorganic Materials: Applied Research. 2017. T. 8. № 1. R. 126-129.

УДК 622.4.012

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОДОГРЕВА НАРУЖНОГО ВОЗДУХА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

С.Г. Гендлер, Е.С. Шипика

Изложены научно-методические основы использования природных источников теплоты - шахтной воды и дренируемого метана в системах подогрева наружного воздуха. Разработана принципиальная схема подогрева наружного воздуха в зимнее время на основе этих источников теплоты. Определены рациональные области вовлечения шахтной воды и метана в процесс подогрева наружного воздуха.

Ключевые слова: природные источники энергии, наружный воздух, шахтная вода, теплотворная способность метана.

Подземная добыча угля в России в основном осуществляется в регионах с суровым климатом, что определяет необходимость подогрева наружного воздуха зимой перед подачей его в горные выработки. При не-

обходимых для проветривания шахт количествах воздуха, достигающих

3 0

500 м /с и более, его температуре на поверхности - 20...-25 С, тепловая мощность калориферных установок может достигать 17-22 мВт, При этом, температура используемого для подогрева наружного воздуха теплоносителя будет составлять 60... 120 °С. Энергетические затраты такой величины приводят как к повышению себестоимости добычи угля, так и к ухудшению экологической обстановки в тех районах, где для выработки тепловой или электрической энергии используется в качестве топлива уголь [8].

Альтернативой традиционным источникам энергии являются, так называемые, природные, возобновляемые источники, в частности атмосферой воздух, солнечная энергия, энергия ветра, тепловая энергия, аккумулированная в гелиотермозоне и поверхностном слое гидросферы (морская, речная и озерная вода) и литосферы (термальная вода и горные породы) энергия) [9], а также добываемые попутно с углем газообразные энергоносители (рис. 1) [6].

Выше перечисленные источники энергии могут быть применены в системах подогрева воздуха или непосредственно или в качестве теплоносителя, используемого в традиционных теплотехнических системах (калориферы, теплообменники и т.п.).

Непосредственное использование теплоты поверхностных или шахтных вод возможно при организации их прямого контакта с наружным воздухом, при котором за счет выделения теплоты замерзания воды осуществляется подогрев воздуха до температур, близких к нулевому значению. Способы, реализующие этот принцип подогрева воздуха, предполагают применение гидрокалориферных установок, воздухо-подогревающих траншей и т.п. [9]. Как показал практический опыт, в случае использования данных способов необходим дополнительный подогрев воздуха до положительных температур с помощью традиционных методов [9]. Кроме того в процессе работы установок, основанных на данных способах, образуются значительные объемы льда, негативно влияющих на состояние окружающей среды [9].

При использовании теплотехнических систем наиболее технически доступными и экологически безопасными природными источниками энергии следует считать атмосферный воздух и шахтную воду, которую извлекают на поверхность из системы водоотлива. В технической литературе эти источники энергии получили название низкопотенциальных источников.

Эффективное использование этих источников в системах подогрева наружного воздуха угольных шахт невозможно без повышения их температурного потенциала до 55...60 °С.

Для этой цели, как свидетельствует теоретические оценки и практический опыт, может быть применена теплонасосная технология [2, 3,4].

Рис. 1. Классификация природных источников энергии [8/

Принципиальная схема теплового насоса предполагает наличие испарителя, в который поступает низкопотенциальный теплоноситель (атмосферный воздух или шахтная вода), компрессора, где осуществляется сжатие паров рабочего тела (аммиак, различного типа хладоны) и конденсатора, в котором теплота, отдаваемая низкопотенциальным теплоносителем рабочему телу в испарителе, и мощность, подводимая к компрессору

(^й.р.)'э передаются в конденсаторе теплоносителю (воде), поступающей в калорифер, а также дроссельный клапан для расширения рабочего тела (рис. 2) [7].

Эффективность работы теплового насоса определяется коэффициентом трансформации теплоты К[гг, который равен отношению теплоты

Мсол, полученной в конденсаторе, к затраченной мощности Nь , (мощности, потребляемой тепловым насосом) [7]. При поступлении нагретой в конденсаторе воды непосредственно в водяной калорифер, его тепловую

мощность N, можно, ориентировочно, принять, соответствующей теплоте, N ^ , полученной в конденсаторе. Тепловая мощность калорифера будет составлять:

По нагреваемому воздуху

= расдма .

По охлаждаемой воде

^ и.м<. =

где ра,Са - плотность и удельная теплоемкость воздуха, кг/м3,

кДж/(кг-°С); = (¿„¡.а. ~ К )' ^т.а. ~ заданная правилами безопасности минимально-допустимая температура воздуха после подогрева, °С;

¡1 а , См, к а - плотность и удельная теплоемкость воды при средней температуре ~ ^ -тт...// о,

де, = (е

п. я'. \ У

калорифера, °С.

в

-е.

con.ex. w.h.a.ex. / 7 w

калорифере, кг/м , кДж/(кг- С);

с.)' ^w.h.a.ex. ~ температура воды на выходе из

В ствол *

ПВ

он

ВПТ

Калорифер

Контур рабочего

тела i

t

HB

НПТ Щ /\ Л№/\ /V > А ""

уг \/ \7 VI

СБ

Ч----

Рис. 2. Принципиальная схема использования теплового насоса для подогрева наружного воздуха (Ис - испаритель, Кон - конденсатор, К - компрессор, Д- дроссельный клапан, НПТ- низко потенциальный

теплоноситель, ВПТ- высоко потенциальный теплоноситель, СБ- система сброса, HB - наружный воздух, ПВ - подогретый воздух)

С другой стороны тепловую мощность калорифера можно вычислить в результате суммирования мощности, потребляемой тепловым насосом, и количества теплоты Nev., передаваемому рабочему телу, в испарителе, т.е.

N, =N +N,

h.w. ev h.p.  V~v

При заданных величинах расхода низко потенциального теплоносителя (атмосферного воздуха или шахтной воды) Wha и ее температуры Qha

количество теплоты, передаваемое в испарителе Nev рабочему телу, составляет:

Nev = gh.aWhaChaAQev,

где pmw - плотность теплоносителя при температуреQha(°C), кг/м ; Cha -удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг °С); ÁQev - перепад температур в испарителе, °С; Л0еу — (0 — ^ev.ex.)^ev.ent. ~ температура теп-лоносителя на выходе из испарителя, С.

Объединяя формулы (2), (3) и выражая из них отноше-ниeNhp/Nhw, получим

Nh.p. / = l - 0№.соЖопСЛоп / РаСАК.

Расход воды, нагреваемой в конденсаторе, вычисляется следующим образом:

Wcon ^con ^Р w .соп^"con'

где pwco„ - плотность воды в конденсаторе при средней температуре вау.№.соп(°сХкг/м3'> Cw -удельная теплоемкость воды, кДж/(кг °С); А9 = (9 -9 ,); 9 ,9 , - температура воды на входе и

con V w.con.ex. w.con.ent. /' w.con.ex.? w. con. ent. г Jr"

выходе конденсатора, °C.

Из формул (1) - (4), (6) после несложных преобразований можно установить расход низко потенциального теплоносителя Wh а, который необходимо подавать в испаритель теплового насоса, для обеспечения требуемой тепловой мощности калориферной установки.

w.ha^wha^wha^ev^hp ) ^ (Р haqw.ha^ev^

hw

\

где pw ha, Cwha - плотность и удельная теплоемкость воды при средней тем-

3 0

пературе в калорифере, кг/м , кДж/(кг- С);

= (Qw.con.ex - w.ha.ex)>w.h.w.ex. ~ температура воды на выходе из калорифера, °С.

Расчетный анализ, выполненный на основе соотношения (6), показал, что использование в качестве низко потенциального теплоносителя атмосферного воздуха вследствие его малой объемной теплоемкости, составляющей 1,2... 1,5 кДж/(кг °С), даже при возможности охлаждения наружного воздуха на

5 С (с -20 С

до -25 С), приводит к необходимости подачи в испаритель теплового насоса наружного воздуха в количестве, соизмеримом с расходом воздуха для проветривания шахты (100 м/с - 500 м/с). Это делает нецелесообразным применения наружного воздуха в качестве потенциального источника теплоты в системах подогрева шахтного воздуха, так как приводит к повышенным энергетическим и финансовым затратам.

Другая ситуация характерна при подогреве наружного воздуха с помощью шахтной воды. Несмотря на то, что использование шахтной воды может потребовать ее предварительной очистки в связи с возможным

загрязнением грубодисперсными примесями (частицы породы, глины, песок, дробленый крепежный лес и т. п.), минеральными солями (хлориды, сульфаты, силикаты), а также катионами тяжелых металлов (меди, никеля, цинка, свинца, железа, кобальта, молибдена, вольфрама и др.) [1], величина ее объемной теплоемкости, превышающая в (2,7 - 3)-10л раз объемную теплоемкость наружного воздуха, делает отбор теплоты от нее в испарителе теплового насоса энергетически целесообразным.

Оценка эффективности работы теплового насоса осуществлена на основе зависимости (5), в которой Nсоп, принята, равной А^ и,, При расходах подогреваемого воздуха и шахтной воды, изменяющихся соответ-

3 3 3 3

ственно в интервалах 50 м /с - 500 м /с и 100 м /ч - 600 м /ч, расчетное соотношение между мощностями теплового насоса и калорифера, обеспечивающего подогрев наружного воздуха от температуры окружающей среды до нормативной температуры, равной 4 °С, в зависимости от отношения расходов шахтой воды и наружного воздуха, представлено на рис. 3.

Учитывая, что коэффициентом трансформации теплоты К 1г г -

является обратной величиной к отношению Ы,1 р / Nь и,, а его значение, как

правило, находится в интервале 1,5 -5, представляется возможным установить область рациональной работы теплового насоса в системе подогрева наружного воздуха шахты. На рис. 3 она заключена между значениями Ыкр /равными 0,2...0,67 (заштрихованная область).

Рис. 3. Соотношение между мощностями теплового насоса и водяного калорифера от отношения дебита шахтной воды к расходу подогреваемого воздуха

Определенным резервом для подогрева воздуха является метан, дренируемый из угольных пластов. Сжигание метана в газогенераторе по-

еле извлечения его на поверхность позволяет подогревать воду до температур 60...80 °С [6].

В системах подогрева наружного воздуха шахтная вода и метан могут использоваться или индивидуально, или в сочетании друг с другом. В случае совместного использования теплоты шахтной воды и теплоносителя, получаемого при сжигании горючего газа, возникает возможность для рационального комплексирования этих источников с целью достижения максимального энергетического и экономического эффекта.

Принципиальная схема установки для подогрева наружного воздуха на основе сочетанного использования теплоты шахтной воды и теплотворной способности метана представлена на рис. 4 [5].

Рис. 4. Схема подогрева наружного воздуха за счет теплоты шахтной воды и теплоты сжигания метана [6]: 1 - зумпф с шахтной водой;

3 - испаритель теплового насоса (ТН); 4 - конденсатор теплового насоса; 5 - хладоагент теплового насоса; 2 - трубопровод для откачки шахтной воды; 6 - водяной калорифер; 7 - вентилятор;

8 - теплогенератор; 9 - источник метана

Функционирование установки осуществляется следующим образом. Холодный атмосферный воздух подается вентилятором в водяной калорифер, где подогревается водой, поступающей из теплогенератора и конденсатора теплового насоса, до нормативной температуры. Шахтная вода поступает в конденсатор теплового насоса с разрабатываемого горизонта по трубопроводу, расположенному в стволе с помощью водяного насоса. В

испарителе теплового насоса шахтная вода отдает свою теплоту рабочему телу и охлаждается до температуры 4...5 °С, после чего одна ее часть направляется на вход теплогенератора, а вторая - сбрасывается в близлежащие водные объекты.

В теплогенераторе за счет теплоты сгорания метана, дренируемого из разрабатываемого угольного пласта, вода подогревается до необходимой температуры и далее поступает на вход водяного калорифера, где смешивается с водой из конденсатора теплового насоса. После использования воды из теплогенератора и конденсатора для подогрева воздуха, часть ее этой вновь поступает в конденсатор, где ее температура повышается до требуемой величины. Другая часть, аналогично воде из испарителя, сбрасывается в близлежащие водные объекты. Достижение необходимого распределения расходов шахтной воды между испарителем теплового насоса, теплогенератором и сбросом осуществляется с помощью насосов и регулирующих заслонок [5].

Рис. 5. Соотношение между мощностями теплового насоса и водяного калорифера от отношений дебитов шахтной воды и дренируемого метана к расходу подогреваемого воздуха

Для оценки эффективности работы теплового насоса в случае комбинированного использования теплоты и шахтной воды и теплоты сжигания метана использовано выражения (5), в правую часть которой добавле-но член (рТ / раСа0аД?а), д - дебит метана, м /с), а Т его теплотворная способность (50 ООО кДж/кг).

Область рациональной работы теплового насоса при использовании в качестве дополнительного источника теплоты метана, подаваемого в теплогенератор с дебитом рСЯ4, показана на рис. 5 (заштрихованная область).

Таким образом, используя графики на рисунках (4) - (5) можно установить соотношение между мощностями теплового насоса и теплогенератора при условии обеспечения заданной величины коэффициента трансформации теплоты, а также выполнить оценку необходимых для осуществления подогрева наружного воздуха расходов шахтной воды или шахтной воды и метана.

Выводы

1. Наиболее перспективными природными источниками теплоты для подогрева наружного воздуха, используемого для проветривания угольных шахт, следует считать шахтную воду и метан, дренируемый из разрабатываемых угольных пластов;

2. Рациональная область использования тепловых насосов в системах подогрева наружного воздуха зависит от его температуры и соотношения дебита шахтной воды и воздухопотребности шахты;

3. Использование в качестве дополнительного источника теплоты сжигания метана дает возможность снизить мощность, потребляемую тепловым насосом при одновременном повышении надежности функционирования системы подогрева наружного воздуха.

Список литературы

1. Физико-химические основы технологии деминерализации шахтных вод: Монография / С.С. Гребенкин [и др.] // под ред. В.К. Костенко. Донецк: ВИК, 2008. 287 с.

2. Горожанкин С. А., Выборное Д. В., Монах С. И.Тепловая схема источника теплоснабжения с теплонасосной установкой на шахтной воде // Вестник АГТУ. 2013. № 2 (56). С.15-20.

3. Закиров Д. Г., Рыбин А. А. Энергосберегающая технология с утилизацией низкопотенциальной теплоты // Промышленная энергетика. 1994. №6.

4. Утилизация низкопотенциального тепла шахтных вод - перспективное направление энергосбережения угольной отрасли/ Д. Г. Закиров, И. X. Нехороший, А. Н. Малахов, Л.Ф. Дружинин // Уголь. 2000. № 11.

5. Установка для подогрева наружного воздуха: пат. РФ №2016149908; заявл. 19.12.2016. Бюл. № 16.

6. Портола В.А. Эффективность подогрева воздуха в шахтах путем прямого сжигания метана // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. №2. С.62-64.

7. Тимофеевский JI.C. Холодильные машины. М.: Изд-во. «Политехника», 1997. 499 с.

8. Шипика Е.С. Гендлер С.Г. Основные направления использования природных источников энергии для подогрева наружного воздуха в угольных шахтах. Промышленная безопасность предприятий в минерально сырьевом комплексе в XXI веке // ГИАБ (научно-технический журнал). Mining Informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2017. № 4 (спец. выпуск 5/1). С. 228-235.

9. Шувалов Ю.В. Регулирование теплового режима шахт и рудников Севера. Л.: Изд-во. ЛГУ, 1988. 192 с.

Гендлер Семен Григорьевич, д-р техн. наук, проф., sgendler amail.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,

Шипика Елена Сергеевна, асп., eshipika(a)jnbox. ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет

PERSPECTIVE OF NATURAP SOURCE USE FOR HEATING OF AMBIENT

AIR IN COAT MINES

S.G. Gendler, E.S. Shipika

Research and instructional methodology of use of natural source sources of heat -mine water and the drained methane in the systems of heating of outdoor air are represented The schematic diagram of heating of outdoor air in winter time on the basis of these sources of heat is elaborated. Sustainable areas of mine water and methane involvement in process of heating of outdoor air are defined.

Key words: natural power sources, outdoor air, mine water, calorific capacity of a

methane.

Gendler Semen Grigorevich, doctor of technical sciences, professor, sgendler a mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,

Shipika Elena Sergeyevna, postgraduate, eshipika(a)jnbox. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University

Reference

1. Fiziko-himicheskie osnovy tehnologii demineralizacii shahtnyh vod: Monografija / S.S. Grebenkin [i dr.]// pod red. V.K. Kostenko. Doneck: "VIK", 2008. 287 s.

2. Gorozhankin S. A., Vybornov D. V., Monah S. I.Teplovaja shema istochnika tep-losnabzhenija s teplonasosnoj ustanovkoj na shahtnoj vode// Vestnik AGTU. 2013. № 2 (56). S.15-20.

3. Zakirov D. G., Rybin A. A. Jenergosberegajushhaja tehnologija s utilizaciej niz-kopotencial'noj teploty//Promyshlennaja jenergetika. 1994. № 6.

4. Utilizacija nizkopotencial'nogo tepla shahtnyh vod - perspektivnoe napravlenie jenergosberezhenija ugol'noj otrasli/ D. G. Zakirov, I. H. Nehoroshij, A. N. Malahov, L.F. Druzhinin//Ugol'. 2000. № 11.

5. Gendler S.G., Kovshov S.V., Shipika E.S. Ustanovka dlja podogreva naruzhnogo vozduha: pat. RF №2016149908; zajavl. 19.12.2016. // Patent Rossii № 171440, 31.05.2017. Bjul. № 16.

6. Portola V.A. Jeffektivnost' podogreva vozduha v shahtah putem prjamogo szhi-ganija metana// Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2015. №2. S.62-64.

7. Timofeevskij L.S. Holodil'nye mashiny// Izd. Politehnika. 1997. 499 s.

8. Shipika E.S. Gendler S.G. Osnovnye napravlenija ispol'zovanija prirodnyh isto-chnikov jenergii dlja podogreva naruzhnogo vozduha v ugol'nyh shahtah. Promyshlennaja bezopasnost' predprijatij v mineral'no syr'evom komplekse v XXI veke // GIAB (nauchno-tehnicheskij zhurnal). Mining Informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2017. № 4 (spec, vypusk 5/1). S. 228-235.

9. Shuvalov Ju.V. Regulirovanie teplovogo rezhima shaht i rudnikov Severa// Izd. LGU, 1988. 192 s.

УДК 622.235

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ

МАССИВА В ХОДЕ ПРОВЕДЕНИЯ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

К.А. Головин, P.A. Ковалев, А.Б. Копылов

Проанализированы результаты исследований процесса дробления горных пород в зависимости от коэффициента полезного действия взрыва, удельного расхода ВВ и потенциальной энергии ВВ.

Ключевые слова: массив горных пород, заряд ВВ, воронка выброса, ударная волна, зона разрушения, энергоемкость.

Для разрушения (взрывания) массива горных пород с целью проходки в них выработки или их дробления при добыче применяют заряды ВВ: наружные (накладные), внутренние, расположенные в шпуре, скважине или камере. Наружные заряды применяются в основном для дробления крупных негабаритных кусков породы, внутренние - для проходки выработок и отбойки пород с целью их дробления и последующей переработки.

Деление зарядов на сосредоточенные и удлиненные условно, так как с увеличением длины заряда h/d^>3 растет зона радиального разрушения вокруг заряда. Правильнее было бы считать удлиненным такой заряд, при увеличении длины которого зона радиального разрушения не увеличивается. Но поскольку для разных ВВ, диаметра зарядов и разных пород величина отношения Шъ>Ъ разная, этот принцип трудно применить на практике [1].

При взрывных работах преимущественно применяют сплошные удлиненные заряды, не разделенные промежутками, и реже - рассредото-