Устройство для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха
Устройство предназначено для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха. Устройство содержит теплообменные регистры для предварительного подогрева атмосферного воздуха, калориферы, побудители тяги, датчики температуры, камеры смешения и регуляторы дозировки атмосферного воздуха. Теплообменный регистр связан с питающим теплообменником по двухконтурной схеме: первый контур - разомкнутый, второй контур - замкнутый. Он включает питающий теплообменник и получает тепло от дымовых газов котельной. Устройство снабжено соответствующими приспособлениями для регулировки количества подаваемого атмосферного воздуха. Приводится расчетная формула для определения суммарной площади поперечных сечений входов от теплообменного регистра, предназначенных для подачи подогретого воздуха. Технический результат: устройство обеспечивает надежный подогрев подаваемого воздуха, создание микроклимата внутри помещения калориферной, обеспечивающего его функционирование при пониженных наружных температурах до -50oС и ниже. 1 табл.,3 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в системах вентиляции шахт.
Известны воздухонагревательные (калориферные) установки, содержащие корпус, жалюзийные решетки, камеру воздухосборную, заслонку с электроприводом, секцию приемную, секцию воздухонагревательную, секцию смешивания нагретого и холодного воздуха, заслонку с ручным приводом, вставку гибкую, вентилятор для проветривания ствола, вентиляционный трубопровод, с помощью которых холодный атмосферный воздух всасывается вентилятором для проветривания ствола через жалюзийные решетки в воздухосборную камеру, а из нее по каналу, проходное сечение которого регулируется заслонкой с электроприводом, в приемную секцию, затем из приемной секции через секцию воздухонагревателя в секцию смешивания нагретого и холодного воздуха с применением заслонки с ручным приводом и далее по каналу, образованному гибкой вставкой, вентилятором для проветривания и вентиляционным трубопроводом в ствол шахты. Недостатком таких установок является то, что в зимнее время при аварийных ситуациях возможно замерзание теплоносителя (воды) в секции воздухонагревателя и последующий ее выход из работоспособного состояния (см. "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт", Макеевка - Донбасс, 1989, утверждено Министерством угольной промышленности СССР 15 августа 1989, 11 Воздухонагревательные (калориферные) установки: или "Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт" изд. "Недра", М., 1975, с. 114). Наиболее близким аналогом является "Устройство для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха" (см. авт. свид. СССР N 1183685, кл. E 21 F 3/00, 07.10.85, БИ, N 37), включающее теплообменные регистры для предварительного подогрева атмосферного воздуха, калориферы, побудители тяги и датчик температуры, которое дополнительно снабжено отсекателями обратного действия, эжектирующим приспособлением дополнительной подачи атмосферного воздуха с диафрагмой для регулирования скорости поступающего теплого воздуха, камерой смешения и регулятором дозировки атмосферного воздуха, причем побудители тяги размещены между теплообменным регистром и калорифером, а отсекатели обратного действия, эжектирующее приспособление дополнительной подачи атмосферного воздуха с диафрагмой, камерой смешения и регулятором дозировки атмосферного воздуха установлены между калорифером и шахтным стволом. Недостатком этого устройства является то, что в зимнее время при морозах до -50oC оно не обеспечивает защиты калориферов от замерзания в них теплоносителя и предварительного обогрева воздуха в теплообменных регистрах становится явно недостаточно, а также дополнительная сложность обустройства надшахтного здания. Задачей предлагаемого устройства для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха является надежный подогрев подаваемого воздуха, создание микроклимата внутри помещения калориферной, обеспечивающего его функционирование при пониженных наружных температурах до -50oC и ниже. Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха, включающем теплообменные регистры для предварительного подогрева атмосферного воздуха, калориферы, побудители тяги, датчик температуры, камеру смешения в помещении калориферной, регулятор дозировки атмосферного воздуха, диафрагму, каждое окно помещения калориферной снабжено дополнительной камерой с регулятором дозировки атмосферного холодного воздуха и входом от теплообменного регистра, снабженным диафрагмой, теплообменный регистр связан с питающим теплообменником по двухконтурной схеме, в которой в состав первого разомкнутого контура входят теплообменный регистр, подводящий к теплообменному регистру атмосферный холодный воздух трубопровод, снабженный вторым нагнетательно-всасывающим вентилятором и регулируемым каналом сброса излишнего расхода через теплообменный регистр, предназначенными для возмещения потерь перепада давления на аэродинамическое сопротивление, дополнительные камеры и входы в них от теплообменного регистра, трубопровод, связывающий теплообменный регистр с входами в дополнительные камеры и предназначенный для подвода подогретого воздуха, причем теплообменный регистр может быть представлен в виде набора последовательно соединенных теплообменных регистров, в состав второго замкнутого контура, получающего тепло от дымовых газов котельной и снабженного газоанализатором, расположенным на входе в теплообменный регистр, входят питающий теплообменник, подводящий трубопровод, соединяющий вход в питающий теплообменник с выходом теплообменного регистра и предназначенный для приема отработавшего теплоносителя (паровоздушной смеси), оснащенный первым нагнетательно-всасывающим вентилятором, расположенным на входе в питающий теплообменник, отводящий трубопровод, соединяющий выход питающего теплообменника с входом теплообменного регистра и предназначенный для подачи в него теплоносителя (паровоздушной смеси) и теплообменный регистр, предназначенный для приема тепла от теплоносителя второго замкнутого контура, питающий теплообменник снабжен задвижкой запуска атмосферного воздуха для регулирования температуры дымовых газов, входы в дополнительные камеры от теплообменного регистра, входы и выходы теплообменного регистра (или каждого из теплообменных регистров при их последовательном соединении) и соответствующего теплоносителя питающего теплообменника снабжены датчиками температуры, суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, предназначенных для обеспечения подачи подогретого воздуха, его смешения с холодным атмосферным воздухом и создания микроклимата на входе воздуха в помещение калориферной при наружном максимальном морозе до (-50oC) и ниже, составляет S = M![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
M - массовый расход подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, т/мин. Значит авторы претендуют на следующие отличительные признаки устройства для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха. Каждое окно помещения калориферной снабжено дополнительной камерой с регулятором дозировки атмосферного холодного воздуха и входом от теплообменного регистра, снабженным диафрагмой, теплообменный регистр связан с питающим теплообменником по двухконтурной схеме, в которой в состав первого разомкнутого контура входят теплообменный регистр, подводящий к теплообменному регистру атмосферный холодный воздух трубопровод, снабженный нагнетательно-всасывающим вентилятором и регулируемым каналом сброса излишнего расхода через теплообменный регистр, предназначенными для возмещения потерь перепада давления на аэродинамическое сопротивление, дополнительные камеры и входы в них от теплообменного регистра, трубопровод, связывающий теплообменный регистр с входами в дополнительные камеры и предназначенный для подвода подогретого воздуха, причем теплообменный регистр может быть представлен в виде набора последовательно соединенных теплообменных регистров, в состав второго замкнутого контура, получающего тепло от дымовых газов котельной и снабженного газоанализатором, расположенным на входе в теплообменный регистр, входят питающий теплообменник, подводящий трубопровод, соединяющий вход в питающий теплообменник с выходом теплообменного регистра и предназначенный для приема отработавшего теплоносителя (паровоздушной смеси), оснащенный нагнетательно-всасывающим вентилятором, расположенным на входе в питающий теплообменник, отводящий трубопровод, соединяющий выход питающего теплообменника с входом теплообменного регистра и предназначенный для подачи в него теплоносителя (паровоздушной смеси), и теплообменный регистр, предназначенный для приема тепла от теплоносителя второго замкнутого контура,
- питающий теплообменник снабжен задвижкой запуска атмосферного воздуха для регулирования температуры дымовых газов,
- входы в дополнительные камеры от теплообменного регистра, входы и выходы теплообменного регистра (или каждого из теплообменных регистров при их последовательном соединении) и соответствующего теплоносителя питающего теплообменника снабжены датчиками температуры,
- суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, предназначенных для обеспечения подачи подогретого воздуха, его смешения с холодным атмосферным воздухом и создания микроклимата на входе воздуха в помещение калориферной при наружном максимальном морозе до (-50oC) и ниже, составляет
S = M
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
где
S - суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, м2;
M=Mo (tн-tсм)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
tсм - абсолютная величина температуры смеси подогретого и холодного воздуха, подаваемой в помещение калориферной, oC;
tн - абсолютная величина температуры наружного атмосферного воздуха, oC;
t - температура подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, oC;
Mo - общий массовый расход воздуха, подаваемый побудителем тяги в шахту для ее проветривания, т/мин;
So - суммарное поперечное сечение проемов окон помещения калориферной для пропуска массового расхода Mo воздуха, м2;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
M - массовый расход подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, т/мин. Перечисленные признаки в конструкциях известных устройств для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха не известны авторам. На фиг. 1 представлено устройство для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха (вид сверху разреза горизонтальной плоскостью); на фиг. 2 - поперечный разрез А-А теплообменного регистра; на фиг. 3 - двухконтурная схема подогрева атмосферного воздуха теплообменными регистрами, соединенными друг с другом последовательно и имеющими автономное питание. Устройство (фиг. 1, 2) включает теплообменный регистр 1 для предварительного подогрева атмосферного воздуха, калориферы 2, размещенные внутри помещения 3 калориферной, побудители тяги 4, датчик температуры 5, камеру 6 смешения в помещении 3 калориферной, предназначенную для смешивания холодного и подогретого воздуха, регулятор 7 дозировки атмосферного холодного воздуха, регулируемый канал 8 сброса излишнего расхода через теплообменный регистр, диафрагмы 9, выполненные на входах подводящих подогретый воздух трубопроводах 10 от теплообменного регистра 1, окна 11 помещения 3 калориферной, дополнительные камеры 12, входы 13 от теплообменного регистра в дополнительные камеры 12, питающий теплообменник 14, входящий в замкнутый контур 16, содержащий помимо питающего теплообменника 14 первый нагнетательно-всасывающий вентилятор 16, расположенный на входе в питающий теплообменник 14 и предназначенный для возмещения потерь перепада давления на аэродинамическое сопротивление в замкнутом контуре 15, подводящий 17 и отводящий 18 трубопроводы, один из которых снабжен газоанализатором 19, расположенным на входе в теплообменный регистр 1, шахтный ствол 20, питающий теплообменник 14 снабжен задвижкой 21 запуска атмосферного воздуха для регулирования температуры дымовых газов котельной 22, на пути которых находится помимо питающего теплообменника 14 печь 23 котельной 22, циклон 24, дымоход 25, дымосос 26. Теплообменный регистр 1 снабжен подводящим атмосферный воздух трубопроводом 27, приемной емкостью 28, связанной гладкостенными трубами 29 с расходной емкостью 30, которая с помощью подводящих подогретый воздух трубопроводов 10 связана со входами 13 дополнительных камер 12. Теплообменный регистр 1 содержит экраны 31, предназначенные для направления теплоносителя в пространство, охватывающее трубы 29 теплообменного регистра. Подводящий к теплообменному регистру атмосферный холодный воздух трубопровод 27, снабженный вторым нагнетательно-всасывающим вентилятором 16 и регулируемым каналом 8 сброса излишнего расхода через теплообменный регистр, предназначенными для возмещения потерь перепада давления на аэродинамическое сопротивление, теплообменный регистр 1, содержащий приемную емкость 28, трубы 29, расходную емкость 30, подводящие подогретый воздух трубопроводы 10 к дополнительным камерам 12 на входы 13 в них, сами дополнительные камеры 12, входы 13 в них, оснащенные диафрагмами 9, составляют первый разомкнутый контур (фиг. 1, 2) или тот же разомкнутый контур 32 (фиг. 3), когда теплообменный регистр представлен в виде набора последовательно соединенных теплообменных регистров 1, имеющих автономное питание. Устройство питающего теплообменника 14 такое же, как и теплообменного регистра 1. Питающий теплообменник 14, теплообменный регистр 1 вместе с подводящим 17 и отводящим 18 трубопроводами, первым нагнетательно-всасывающим вентилятором 16, газоанализатором 19, расположенным в пространстве трубопровода 18 на входе в теплообменный регистр 1, экранами 31, связанными с кольцевыми каналами 33, предназначенными для омывания теплоносителя вокруг труб 29 теплообменного регистра 1 и питающего теплообменника 14, составляют второй замкнутый контур 15, предназначенный для питания первого разомкнутого контура. Газоанализатор 19, имеющий связь с полостью трубопроводов второго замкнутого контура 15, предназначен для оповещения о появлении газов CO, CO2 и NO в контуре в случае прогара труб питающего теплообменника 14. Связь второго замкнутого контура 15 с первым разомкнутым контуром предназначена для передачи тепла от теплоносителя контура 15 к стенкам труб 29 теплообменного регистра 1 (фиг. 1-3). Задвижка 21 для запуска атмосферного воздуха в дымоход питающего теплообменника 14 предназначена для регулирования температуры дымовых газов, омывающих трубы питающего теплообменника и передающих свое тепло через стенки труб теплоносителю, находящемуся внутри них. Теплоноситель представляет собой паровоздушную смесь. Первый нагнетательно-всасывающий вентилятор 16 предназначен также для разгона теплоносителя внутри второго замкнутого контура 15 (фиг. 3) и поддержания оптимальной скорости теплоносителя, позволяющей нагреть его до максимальной температуры с обеспечением мер безопасности, второй нагнетательно-всасывающий вентилятор 16 установлен на входе атмосферного воздуха в теплообменный регистр 1 и предназначен для возмещения потерь перепада давления на аэродинамическое сопротивление. Подводящий атмосферный воздух трубопровод 27 и теплообменному регистру 1 снабжен регулируемым каналом 8 сброса излишнего расхода через теплообменный регистр. Устройство для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха работает следующим образом. Задачей устройства является подогреть наружный воздух с температурой (-tн), например, от (-50oC) до некоторой температуры (-tсм) порядка (-10oC), при которой существующие помещения 3 калориферных вместе с внутренним оборудованием работают исправно без аварийных ситуаций. Частота аварийных ситуаций увеличивается при понижении наружных температур от (-15oC) и ниже, когда теплоноситель (вода) перемерзает в калориферах. Поэтому самым экономичным является создание микроклимата с температурой (-tсм) в проемах окон 11 помещения 3 калориферной при опасно низких температурах (-tн) наружного воздуха. Для этого каждое окно 11 помещения 3 калориферной снабжают дополнительной камерой 12 с регулятором 7 дозировки атмосферного холодного воздуха и входом 13 от теплообменного регистра 1, из которого подают подогретый воздух с температурой t по подводящему трубопроводу 10. В предлагаемом устройстве не требуется монтировать ряд побудителей тяги 4 с отсекателями обратного действия, им является главный вентилятор 4 проветривания шахты, который создает естественный всас в проемах окон 11 помещения 3 калориферной. Этому естественному всасу соответствует массовый расход атмосферного воздуха Mо. Подавая в дополнительные камеры 12 массовый расход M подогретого воздуха и массовый расход (Mо - M) холодного атмосферного воздуха, мы не нарушаем суммарного расхода Mо и не затрагиваем условия работы побудителя тяги 4. При этом регулятор 7 дозировки атмосферного воздуха устанавливают в положение, при котором разрежение соответствуюет общему расходу Mо. Внутреннюю начинку помещения 3 калориферной не нарушают, все остается на своих местах: калориферы 2, побудитель 4 тяги, датчик 5 температуры, камера 6 смещения холодного воздуха при температуре (-tсм) и подогретого воздуха внутри помещения 3 калориферной, прошедшего уже через калориферы 2. Заметим, что теплообменный регистр 1 можно изготовить из длинномерных составных труб, обеспечивающих на выходе из него достаточную температуру подогретого воздуха (фиг. 1), или из труб обычной длины по ГОСТу, но тогда для получения подогретого воздуха заданной температуры потребуется набор последовательно соединенных теплообменных регистров, имеющих автономное питание (фиг. 3). Подогретый воздух до температуры t внутри теплообменного регистра 1 подают в дополнительные камеры 12 по подходящему трубопроводу 10. Составляем уравнение теплового баланса на подогретый воздух, подаваемый в дополнительные камеры 12, в которых он перемешивается с холодным до температуры (-tсм) смеси при перемешивании, поскольку калориферная, как отмечалось выше, стабильно справляется со своими функциями при указанной температуре
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118824.gif)
где
Cр,
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118825.gif)
M - массовый расход подогретого воздуха, т/мин;
t - температура подогретого воздуха, oC;
(-tсм) - температура смеси подогретого и холодного воздуха в дополнительных камерах, oC;
Mо - массовый расход воздуха через проемы окон калориферной, соответствующий номинальному разрежению, создаваемому побудителем тяги 4, т/мин;
(-tн) - температура наружного воздуха, oC. В дальнейшем описании размерности промежуточных и поясняющих параметров, необходимых для расчета конструкции теплообменников, не приводятся. Приводятся размерность лишь тех параметров, которые характеризуют предмет изобретения. Поскольку Cр
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
M(t+tсм) = (Mo-M)(tн-tсм). (2)
Рассмотрим отношение массовых расходов подогретого и холодного воздуха, поступающего в дополнительные камеры 12:
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118826.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
S - суммарная площадь поперечного сечения трубопровода, соответствующая массовому расходу M, м2;
Sо - суммарная площадь проемов окон калориферной, соответствующая массовому расходу Mо воздуха, м2;
(Sо - S) - суммарная площадь проемов в дополнительных камерах 12, создаваемая регуляторами 7 дозировки атмосферного холодного воздуха, м2;
U, Uо - соответственно, скорости поступления подогретого и холодного воздуха в окна 11 помещения 3 калориферной. Поскольку U
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8776.gif)
S = M
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
где
M = Mо(tн - tсм)(t + tн)-1
Обозначив отношения величин
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118827.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118828.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118829.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118830.gif)
Задаваясь, например, величиной M = 0,1, из (6) и (7), при
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118831.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118832.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118833.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118834.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118835.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118836.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118837.gif)
Здесь
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118838.gif)
где
Ai,
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/936.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/949.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118839.gif)
L - длина обогреваемой части трубы теплообменного регистра 1,
D - внутренний диаметр трубы,
Pе - параметр Пекле (Pе = UD/a),
U - скорость движения воздуха внутри трубы,
a - коэффициент температуропроводности,
TL,R=0 - температура воздуха в конце трубы на ее оси,
Tст - температура стенки трубы теплообменного регистра,
T1 - температура воздуха на входе в трубу. Определив
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118840.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118841.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118842.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118843.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118844.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118845.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118846.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/950.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118847.gif)
L - длина рассчитываемого участка канала;
S - площадь поперечного сечения канала. Эти потери hL перепада давления снижают расход подогретого воздуха. Также дополнительные потери перепада давления возникают вследствие местных сопротивлений на изгибах трубопроводов при стыковке регистров (см. книгу: Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт, МакНИИ, Макеевка - Донбасс, 1989, с. 164-166). В трубах теплообменных регистров в пристеночной области возникает пограничный слой
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/11/118848.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/957.gif)
L - длина трубы;
U - скорость воздушного потока в трубе
Если внутренний диаметр каждой трубы 29, входящей в теплообменный регистр 1, увеличить на величину (2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
Формула изобретения
S = M
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
где S - суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, м2,
M = Mо(tн - tем)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
tсм - абсолютная величина температуры смеси подогретого и холодного воздуха, подаваемой в помещение калориферной, oC;
tн - абсолютная величина температуры наружного атмосферного воздуха, oC;
t - температура подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, oC;
M0 - общий массовый расход воздуха, подаваемый побудителем тяги в шахту для ее проветривания, т/мин;
S0 - суммарное поперечное сечение проемов окон помещения калориферной для пропуска массового расхода Mо воздуха, м2;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/961.gif)
M - массовый расход подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, т/мин.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4