НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ В СИСТЕМАХ ПОДГОТОВКИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ РУДНИЧНОГО ВОЗДУХА

Аннотация

Нормализация термодинамических параметров рудничной атмосферы явля- ется непременным условием обеспечения безопасных и комфортных условий веде- ния горных работ. Холодный зимний воздух при поступлении в рудник должен по- догреваться с целью недопущения обледенения и температурных деформаций кре- пи воздухоподающих стволов [1]. Подземный воздух, нагретый естественными и техногенными источниками тепла, напротив, должен охлаждаться до нормативных значений температур [2]. Контролю подлежит также содержание влаги в воздухе, т.к. обильная конденсация приводит к образованию луж на почве выработок и порче горного оборудования [3]. В соответствии с требованиями правил безопас- ности [4] подогрев поступающего в рудник воздуха производится при помощи те- плообменных аппаратов по различным технологическим схемам. Основными эле- ментами таких схем являются: средства перемещения воздуха, греющий энергоно- ситель, средства регулирования теплопроизводительности и теплообменные аппа- раты. Атмосферный воздух поступает в ствол либо под действием специальных нагнетательных вентиляторов, либо за счёт депрессии вентилятора главного про- ветривания рудника, соответственно существуют «вентиляторная» и «безвентиля- торная» технологии нагрева воздуха [5]. Рис. 1. Ресурсосберегающая система подготовки атмосферного воздуха в сооружениях поверхностного комплекса 245 ----------------------- Page 246----------------------- На рис. 1 схематично изображена ресурсосберегающая система подготов- ки атмосферного воздуха в сооружениях поверхностного комплекса, основной частью которой является калориферная установка, обеспечивающая нагревание воздуха зимой, а также, при необходимости, его охлаждение и осушение летом. Как правило, калориферная установка имеет модульную структуру. Один теп- лообменный модуль представляет собой группу трубчатых змеевиков, по кото- рым пропускается горячая или холодная жидкость. Геометрические размеры и конструкция модулей могут быть различны: количество ходов, количество ря- дов по воздуху, материал, длина и диаметр трубок, оребрение, подключение по воде, гидравлическое и аэродинамическое сопротивления и т.д. Чем больше площадь поверхности теплообмена, тем интенсивнее он протекает, а площадь тем больше, чем большее количество модулей находится на пути движения воз- духа. Под землёй, ввиду ограниченности пространства выработок, модули раз- мещают последовательно по воздуху, что приводит к неизбежному увеличению аэродинамического сопротивления. На поверхности места больше, поэтому проблема эта решается размещением модулей в один ряд по воздуху, в резуль- тате чего калориферная установка имеет значительную высоту. В процессе экс- плуатации безвентиляторных калориферных установок таких размеров было за- мечено, что калориферы нижнего ряда выходят из строя и замерзают чаще, чем расположенные выше. Как оказалось, скорость движения воздуха по высоте не- равномерна, внизу - больше, вверху - меньше и даже может быть отрицательна (рис. 2), а причиной возникновения этого эффекта является конвекция. С одной стороны ряда теплообменников воздух холодный и тяжёлый, с другой - тёплый и лёгкий. Образуется конвективный вихрь, накладывается на сквозное течение, как результата, возникает вертикальная стратификация горизонтальной скоро- сти движения воздуха. В двухрядной системе калориферов расход воздуха через верхний ряд оказывается меньше в 2 раза, чем через нижний ряд. Рис. 2. Распределение скоростей воздуха между теплообменниками калориферной установки ствола № 2 РУ-4 ПО «Беларуськалий» Таким образом, существует ограничение по высоте калориферной установки, при котором воздух перестаёт проходить через верхние модули, добавление которых 246 ----------------------- Page 247----------------------- оказывается бесполезным. Моделирование эффективности добавления третьего ряда теплообменников по высоте при заданных условиях показало, что в верхней части третьего ряда происходит опрокидывание воздушного потока, что свидетельствует о нецелесообразности дальнейшего увеличения высоты калориферной установки. В подземных горных выработках ввиду их небольшого поперечного размера конвективное расслоение воздушных потоков наблюдается лишь при очень больших перепадах температур, например, при экзогенных рудничных пожарах. В установках кондиционирования воздуха этот эффект не значителен, и может не учитываться при проведении модернизации теплообменных аппаратов с целью нахождения оптималь- ных проектных решений. Однако, ввиду того, что речь идёт теперь об охлаждении воз- духа, возникает другой не менее сложный процесс, связанный с выпадением избыточ- ной влаги. При «мокром» теплообмене в отличие от «сухого» в процессе конденсации пара из воздуха выделяется тепло, которое приводит к дополнительному нагреву охла- ждающей жидкости. По достижении критической температуры в результате выпадения влаги поток тепла от воздуха к жидкости увеличивается приблизительно в 3 раза [6]. Имеет значение размещение модулей относительно друг друга (последовательно или параллельно по воздуху), а также ориентация их по отношению к направлению движения воздуха (рис.3). В зависимости от конкретных условий оптимальные реше- ния могут быть различны, причём, к критериям оптимизации относится не только дос- тижение максимальной интенсивности теплообмена, но и минимальные затраты ресур- сов и энергии при этом, а, значит, минимизация гидравлического и аэродинамического сопротивлений системы. Как следует из расчётов, наилучший теплообмен с заданными расходами воздуха и жидкости обеспечивает конфигурация расположения и подключе- ния теплообменных модулей с максимальными значениями аэродинамического и гид- равлического сопротивлений. А это, в свою очередь, соответствует максимальным за- тратам энергии на продув воздуха и прогон воды. Поэтому подбор оптимальной конфи- гурации и компоновки модулей является не тривиальной задачей. Расчётным путём ус- тановлено, что разные направления подачи воды и воздуха обеспечивают наиболее ин- тенсивный теплообмен как в пределах одного теплообменного модуля, так и для их размещения последовательно по воздуху [7]. Это касается традиционного поперечного расположения теплообменных трубок относительно движения воздушного потока. По- этому одним из возможных способов интенсификации теплообмена является разворот модулей вдоль потока с одновременным подключением теплообменных трубок парал- лельно по воде. Отдельным направлением совершенствования теплообменных аппаратов, доро- гостоящим, но эффективным является замена воды жидкостями с низкой температурой замерзания и высокой температурой кипения. Это позволяет создавать большие темпе- ратурные напоры между жидкостью и воздухом и усиливать теплообмен, не опасаясь замерзания жидкости в системах нагрева воздуха и кипения в системах охлаждения. К высокостабильным синтетическим теплоносителем, широко используемым в техниче- ских системах, относится терминол. Он, практически, не замерзает и не кипит, нахо- дясь в жидком состоянии в широком диапазоне температур, правда, уступает воде в вязкости и теплоёмкости. Увеличивает интенсивность теплообменных процессов использование дополни- тельных источников тяги для преодоления аэродинамического сопротивления одного или нескольких последовательно расположенных теплообменных модулей. Это приво- дит к дополнительному нагреву воздуха в результате его адиабатического сжатия, при- чём, дальнейшего его разогрева в результате трения не происходит, т.к. работа сил тре- ния целиком идёт на изоэнтальпийное расширение воздуха. Процесс при этом протека- ет изотермически. 247 ----------------------- Page 248----------------------- Рис. 3. Последовательная по воздуху компоновка теплообменных модулей По результатам проведённых исследований способов совершенствования тепло- обменных аппаратов можно сделать следующие выводы: • проектирование калориферных установок в системах подготовки рудничного воздуха следует производить с учётом конвективной стратификации скорости движе- ния воздуха по высоте, уменьшающей надёжность и производительность функциони- рования системы; • при охлаждении влажного воздуха в системах кондиционирования 2/3 хо- лода жидкости идёт на конденсацию пара, и только 1/3 - на понижение температуры воздуха; • наилучший теплообмен с заданными расходами воздуха и жидкости обеспечивает конфигурация расположения и подключения теплообменных мо- дулей с максимальными значениями аэродинамического и гидравлического со- противлений; • противоположная подача жидкости по отношению к движению воздуха увеличивает суммарную тепловую мощность системы, причём при параллельном подключении теплообменных спиралей эффект усиливается их разворотом вдоль потока воздуха; • замена воды синтетическим теплоносителем даёт возможность организовать функционирование теплообменных систем в области низких и высоких температур, что исключает риски замерзания и закипания жидкости, а также позволяет уменьшить объ- ём системы за счёт увеличения температурного напора; • использование источника тяги для проталкивания воздуха через теплообмен- ник увеличивает его расход, при этом воздух получает дополнительное количество те- пла, равное потребляемой вентилятором электроэнергии.