Целью искусственного охлаждения шахтного воздуха является отвод определенного («излишнего») количества теплоты от него при помощи охлаждающего вещества. Тепло от воздуха можно отвести путем соприкосновения последнего с какой-либо холодной поверхностью или путем смешения его с газообразной струей, имеющей температуру ниже температуры воздуха.
Борьба с избыточным выделением теплоты в горные выработки ведется по нескольким направлениям:
- предохранение воздуха от нагревания при его движении к местам потребления;
- охлаждение воздуха без применения специальных холодильных машин;
- охлаждение воздуха с применением холодильных машин (кондиционирование).
Способы предупреждения нагревания шахтного воздуха включают в себя следующее:
- увеличение количества подаваемого в выработки воздуха путем повышения мощности вентиляторных установок, увеличения скорости движения воздуха, расширения сечений воздухоподающих выработок;
- замена машин с электроприводам машинами с пневматическим приводом;
- тепло- и гидроизоляция стен выработок;
- теплоизоляция и тщательное уплотнение воздухоподающих трубопроводов;
- предупреждение возникновения интенсивных окислительных процессов;
- сокращение пути движения воздуха к местам потребления путем выбора соответствующей схемы проветривания, проведения дополнительных выработок и скважин;
- подача воздуха к местам потребления по специально пройденным выработкам, где скорость движения воздуха может быть существенно увеличена;
- замена восходящего проветривания очистных выработок нисходящим проветриванием (при соблюдении соответствующих требований ПБ).
Для предотвращения нагревания воздуха без применения холодильных машин используются следующие способы:
- осушение воздуха сорбентами, т. е. веществами, способными поглощать влагу из воздуха (например, хлористым кальцием);
- охлаждение воздуха льдом;
- охлаждение воздуха жидким воздухам, при испарении которого поглощается значительное количество теплоты;
- охлаждение воздуха сжатым воздухам (например, от пневмо-кондиционеров);
- охлаждение воздуха водой: путем непосредственного соприкосновения охлаждающей воды с воздухом либо через поверхность труб, где воздух охлаждается в специальных теплообменниках;
- пропускание воздуха через тепловыравнивающие каналы путем подвода воздуха к стволу по горизонтальным выработкам, пройденным на глубине среднегодовой температуры.
Наиболее эффективным является искусственное охлаждение воздуха в системах кондиционирования: в компрессорных и абсорбционных холодильных установках. Холодильные установки бывают передвижные и стационарные. Передвижные установки предназначены для охлаждения воздуха в тупиковых выработках или в отдаленных очистных забоях. Стационарные установки располагаются как на земной поверхности, так и в подземных условиях.
Хладопроизводительность (холодильная мощность) отечественных шахтных холодильных агрегатов и кондиционеров составляет:
- передвижных кондиционеров ВК-230 - 230 кВт, КПШ-3 – 105 кВт, КПШ-40 - 47 кВт, КПШ-40П с пневмоприводом - 52 кВт;
- турбокомпрессионных холодильных машин ШХТМ-1300 - 1500 кВт, ХТМФ-235М-2000 - 2325 кВт, ХТМФ-248-4000 - 4650 кВт;
- поршневой холодильной машины МФ-220-1РШ - 255 кВт;
- абсорбционной холодильной машины АБХА-2500-2В – 2800 кВт.
Для стационарной работы на поверхности используются машины ХТМФ-235-2000, ХТМФ-248-4000, АБХА-2500-2В, а машины ШХТМ-1300 и МФ-220-1РШ устанавливаются на глубоких горизонтах.
Охлаждение шахтного воздуха с применением холодильных машин становится необходимым, когда общее тепловыделение в выработку Q общ превышает тепловыделение в нее, допускаемое Правилами безопасности, Q пб, т. е. при условии
Поскольку эти количества теплоты описываются формулами:
и
то критерий необходимости кондиционирования воздуха в выработке может быть записан в виде соотношения
где V теп - количество воздуха, которое необходимо подать в выработку по тепловому фактору без охлаждения воздуха, м3/ч;
где с р - удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(кг×К) с р = 0,241 ккал/(кг×К)×4,1868 кДж/ккал = 1,009 кДж/(кг×К); r - плотность воздуха, кг/м3; D t - перепад температур между выходящим (отработанным) и входящим (свежим) воздухам, проходящим по выработке, К (оС):
для стволов для подземных выработок
При необходимости кондиционирования воздуха следует выбрать тип кондиционера, рассчитать потребное количество кондиционеров и проверить правильность их установки.
Требуемая хладопроизводительность кондиционера N к ’, кВт, находится по формуле
К установке принимают кондиционер хладопроизводительностью
При установке кондиционера в выработке (обычно одного) температура смеси за кондиционером t см, оС (=К), определяется соотношением
Достаточность установки кондиционера проверяется по условию
Если , то необходимо установить более мощный кондиционер.
Пример расчета. Исходные данные:
выработка - ствол шахты, | l = 9,21 кДж/(м×ч×К), |
38,5 м2, | 0,00477 м2/ч, |
r э = 3,5 м, | v = 2 м/с, |
d = d э = 7 м, | t= 7 лет = 7×365×24 = 61320 ч, |
Р = p ×d = 22 м, | t н = 8,5 оС, |
l = Н = 1200 м, | t в = t пб = 24 оС, |
a = 0о, | N потр = 100 кВт, |
Н 0 = 20 м, | N п= 90 кВт, |
0,035 м /оС, | a6 = 0,0040 кгс×с2/м4 = = 0,0392 Па× с2/м2, |
порода - песчаник, | N тр = 100 кВт, |
rп = 2400 кг/м3, | n = 7 человек. |
с п = 0,858 кДж/(кг×К), |
Для обеспечения возможности выполнения расчета тепловыделений по приведенным выше формулам принимаем дополнительно следующие данные (параметры):
b = 0,01 кг/(м2×ч×К), | Р тр = 0,05, |
r = 2256 кДж/кг, | q б = 200 кДж/(м2×ч), |
r = 1,25 кг/м3, | l ц = 5 м, |
q ок= 16 кДж/(м2×ч), | q п = 2000 кДж/(ч×чел), |
к з = 0,8, | hву = hу × hдв×hп = 0,7×0,85×0,95 = 0,56, |
hдв = 0,95, | с р = 1,009 кДж/(кг×К). |
Подсчитываем количества теплоты, выделяющиеся в выработку.