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 -50^oС 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 -50^oC 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 -50^oC 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 (-50^oC) и ниже, составляет S = M_oS_o[(M_o-M)+_oM]^-1, где S - суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, м²; M=M_o (t_н - t_см) (t + t_н)^-1 - массовый расход подогретого воздуха через суммарную площадь S поперечных сечений входов в дополнительные камеры, т/мин; t_см - абсолютная величина температуры смеси подогретого и холодного воздуха, подаваемой в помещение калориферной, ^oC; t_н - абсолютная величина температуры наружного атмосферного воздуха, ^oC; t - температура подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, ^oC; M_o - общий массовый расход воздуха, подаваемый побудителем тяги в шахту для ее проветривания, т/мин; S_o - суммарное поперечное сечение проемов окон помещения калориферной для пропуска массового расхода M_o воздуха, м²;
_o - плотность холодного атмосферного воздуха, т/м³;
- плотность подогретого воздуха, т/м³;
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 (-50^oC) и ниже, составляет
S = M_oS_o[(M_o-M)+_oM]^-1,
где
S - суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, м²;
M=M_o (t_н-t_см)(t + t_см) - массовый расход подогретого воздуха через суммарную площадь S поперечных сечений входов в дополнительные камеры, т/мин;
t_см - абсолютная величина температуры смеси подогретого и холодного воздуха, подаваемой в помещение калориферной, ^oC;
t_н - абсолютная величина температуры наружного атмосферного воздуха, ^oC;
t - температура подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, ^oC;
M_o - общий массовый расход воздуха, подаваемый побудителем тяги в шахту для ее проветривания, т/мин;
S_o - суммарное поперечное сечение проемов окон помещения калориферной для пропуска массового расхода M_o воздуха, м²;
_o - плотность холодного атмосферного воздуха, т/м³,
- плотность подогретого воздуха, т/м³;
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 (-t_н), например, от (-50^oC) до некоторой температуры (-t_см) порядка (-10^oC), при которой существующие помещения 3 калориферных вместе с внутренним оборудованием работают исправно без аварийных ситуаций. Частота аварийных ситуаций увеличивается при понижении наружных температур от (-15^oC) и ниже, когда теплоноситель (вода) перемерзает в калориферах. Поэтому самым экономичным является создание микроклимата с температурой (-t_см) в проемах окон 11 помещения 3 калориферной при опасно низких температурах (-t_н) 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 M_о. Подавая в дополнительные камеры 12 массовый расход M подогретого воздуха и массовый расход (M_о - M) холодного атмосферного воздуха, мы не нарушаем суммарного расхода M_о и не затрагиваем условия работы побудителя тяги 4. При этом регулятор 7 дозировки атмосферного воздуха устанавливают в положение, при котором разрежение соответствуюет общему расходу M_о. 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 (-t_см) 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 (-t_см) смеси при перемешивании, поскольку калориферная, как отмечалось выше, стабильно справляется со своими функциями при указанной температуре

где
C_р, - удельные теплоемкости, соответственно, подогретого и холодного воздуха;
M - массовый расход подогретого воздуха, т/мин;
t - температура подогретого воздуха, ^oC;
(-t_см) - температура смеси подогретого и холодного воздуха в дополнительных камерах, ^oC;
M_о - массовый расход воздуха через проемы окон калориферной, соответствующий номинальному разрежению, создаваемому побудителем тяги 4, т/мин;
(-t_н) - 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 C_р C'_р, то уравнение (1) примет вид:
M(t+t_см) = (M_o-M)(t_н-t_см). (2)
Рассмотрим отношение массовых расходов подогретого и холодного воздуха, поступающего в дополнительные камеры 12:

где
- плотность подогретого воздуха, т/м³;
_o - плотность холодного воздуха, т/м³;
S - суммарная площадь поперечного сечения трубопровода, соответствующая массовому расходу M, м²;
S_о - суммарная площадь проемов окон калориферной, соответствующая массовому расходу M_о воздуха, м²;
(S_о - S) - суммарная площадь проемов в дополнительных камерах 12, создаваемая регуляторами 7 дозировки атмосферного холодного воздуха, м²;
U, U_о - соответственно, скорости поступления подогретого и холодного воздуха в окна 11 помещения 3 калориферной.

Поскольку U U_о, то получили уравнение (3). Из соотношений (2) и (3) находят:
S = M_oS_o[(M_o-M)+_oM]^-1,
где
M = M_о(t_н - t_см)(t + t_н)^-1
Обозначив отношения величин перепишем выражения (4) и (5) в безразмерных величинах и получим важные определяющие уравнения для S и M


Задаваясь, например, величиной M = 0,1, из (6) и (7), при 0,9147, (-t_н) = -50^oC, (-t_см)= -10^oC получим S = 0,1083, t = 350^oC. Или, например задаваясь величиной t = 100^oC, получим из (6) и (7) 0,267, 0,285 (при 0,9147, (-t_н) = -50^oC, (-t_см)= -10^oC.

Из этих двух примеров видно, что выигрывая в посильности создания относительно низкой температуры подогретого воздуха до 100^oC, мы проигрываем в габаритах создаваемого устройства, когда = 0267, = 0,285.

Вопрос о возможности достижения конкретной температуры подогретого воздуха, подаваемого на входы 13 в дополнительные камеры 12, решают путем проведения расчетов. Для круглой трубы точное решение о распределении температуры в сечении, отстоящем на расстоянии L от входа в трубу, имеет вид (см. книгу Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие "Энергоатомиздат", М., 1990, с. 93).

Здесь

где
A_i, _i, _i - известные коэффициенты,
L - длина обогреваемой части трубы теплообменного регистра 1,
D - внутренний диаметр трубы,
P_е - параметр Пекле (P_е = UD/a),
U - скорость движения воздуха внутри трубы,
a - коэффициент температуропроводности,
T_L,R=0 - температура воздуха в конце трубы на ее оси,
T_ст - температура стенки трубы теплообменного регистра,
T₁ - температура воздуха на входе в трубу.

Определив по формуле (8), при известных температурах T_ст, T₁, находят величину температуры T_L,R=0 на оси трубы на выходе из нее по формуле (9). Затем, зная T_ст и определив T_L,R=0, находят среднюю температуру в поперечном сечении трубы при x = L как среднеарифметическое из их значений. Путем проведения расчетов определяют среднее по длине L значение коэффициента теплоотдачи и среднюю разность температур (см. книгу: Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие "Энергоатомиздат", М., 1990, с. 94, формулы 5.3.6).

Значения температур в начале x = 0 и в конце трубы x = L измеряют также с помощью соответствующих датчиков температур (фиг. 1, 3).

Из вышесказанного следует, что устанавливая последовательно друг за другом необходимое число n теплообменных регистров 1, всегда достигают максимальной температуры подогретого воздуха на входах 13 в дополнительные камеры 12. При этом каждый теплообменный регистр 1 получает тепло автономно от приданного ему питающего теплообменника 14, включенного в соответствующий с номером n замкнутый контур 15. Подводимый теплоноситель в замкнутом контуре 15 на входе в первый теплообменный регистр 1, от которого трубопроводы 10 подают подогретый воздух в дополнительные камеры 12, должен иметь температуру более высокую, чем температура подогретого воздуха на входах 13. Поэтому датчики температур располагают на входах 13 и на входе и выходе каждого теплообменного регистра 1 внутри замкнутого контура 15. Устанавливают также датчики температур внутри замкнутого контура 15 на входе и выходе из питающего теплообменника 14, а также на выходе дымовых газов для обогрева питающего теплообменника, чтобы знать их температуру и как она влияет на температуру циркулирующего внутри питающего теплообменника теплоносителя, чтобы изменять их температуру путем запуска и смешивания с атмосферным холодным воздухом с помощью задвижки 21. Указанные выше значения всех температур выводят на табло в котельную (табло на фиг. 1-3 не приводится). Из формулы (7) видно, что если температура наружного воздуха будет меняться в сторону потепления, то при выбранном значении например 0,1, постоянном заданном значении (-t_см) = -10^oC, конструктивно зафиксированном значении 0,1083 будет изменяться температура подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры 12 на их входах 13 (см. таблицу).

Из приведенной таблицы, которую можно составить на каждый градус изменения (-t_н), видно, каким образом нужно управлять микроклиматом в окнах помещения 3 калориферной в зимнее время при t_н < -10^oC.

В формуле (6) параметр также меняется при изменении t, но он меняется незначительно от 0,91 до 1, что вызывает изменение S от 0,1083 до 0,1. Значения также можно рассчитать при изменении (-t_н) на каждый градус, а затем выполнить управляемую диафрагму 9, изменяющую S что означает изменение поперечного сечения S на входах 13 подводящих подогретый воздух трубопроводов 10. Поскольку изменение S незначительное, то его можно компенсировать вариацией в сторону уменьшения t.

Таким образом, регулирование температуры t подогретого воздуха, подаваемого на входы 13 дополнительных камер 12, осуществляют по мере снижения (-t_н) включением дополнительных (n - 1) теплообменных регистров 1, подключенных друг за другом последовательно, а также повышением температуры теплоносителя, циркулирующего в замкнутых контурах 15 при включенном нагнетательно-всасывающем вентиляторе 16, и уменьшением количества подсасываемого воздуха в поток дымовых газов, омывающих трубы 29 питающего теплообменника 14, с помощью задвижки 21. Число "n" количества теплообменных регистров 1, подключаемых друг за другом последовательно, устанавливают расчетом, учитывая (-t_н) = -50^oC, t = 350^oC, x₁ = L₁, x₂ = L₂, ..., x_n = L_n. Расчет начинают для последнего теплообменного регистра (см. книгу: Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. "Энергоатомиздат", М., 1990, с. 93-99).

При проходе воздуха через теплообменный регистр 1, представленный в виде набора последовательно соединенных друг с другом регистров, неизбежны потери перепада давления на его входе и выходе. Эти потери h_н рассчитывают по формуле (см. книгу: Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление "Энергоатомиздат", 1990, с. 89).

где
- коэффициент гидродинамического сопротивления;
- плотность среды;
средняя расходная скорость течения;
L - длина рассчитываемого участка канала;
S - площадь поперечного сечения канала.

Эти потери h_L 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 S, который практически не участвует в интенсивном движении воздуха. Этот слой S фактически уменьшает поперечное сечение каждой трубы 29. Толщину S пограничного слоя можно рассчитать по формуле Линя (см. книгу Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика ч. 2, Госуд. издат. физико-математич. литературы, М., 1963, с. 683):

где
- кинематическая вязкость;
L - длина трубы;
U - скорость воздушного потока в трубе
Если внутренний диаметр каждой трубы 29, входящей в теплообменный регистр 1, увеличить на величину (2 S ), то этим самым приближают суммарный массовый расход подогретого воздуха к величине M. Учесть путем расчетов все сопротивления абсолютно точно трудно, возможным расхождения при практической реализации. Поэтому гарантией того, что массовый расход подогретого воздуха M придет в соответствующем количестве на входы 13 дополнительных камер 12, является установка второго нагретательно-всасывающего вентилятора 16 на подводящем атмосферный воздух трубопроводе 27 к теплообменному регистру 12. При этом регулируемый канал 8 сброса излишнего расхода на трубопроводе 27 позволяет отрегулировать подачу заданного расхода M подогретого воздуха и возмещение потерь перепада давления на аэродинамическое сопротивление в теплообменных регистрах 1 (фиг. 1, 3). Теплоноситель (например, паровоздушная смесь), циркулирующий по замкнутому контуру 15 при включенном нагнетательно-всасывающем вентиляторе 16, образованному теплообменным регистром 1 и питающим теплообменником 14, подводящим 17 и отводящим 18 трубопроводами, первым нагнетательно-всасывюащим вентилятором 16, осуществляющим напорную циркуляцию, приобретает заданную температуру путем теплопередачи от дымовых газов сжигаемого топлива в печах 23, размещенных в котельной 22. Регулирование понижения температуры дымовых газов в случае необходимости осуществляют открытием задвижки 21 для запуска атмосферного воздуха. На пути дымовых газов устанавливают циклон 24, дымосос 26, дымоход 25. Дымовые газы во время длительной эксплуатации питающего теплообменника 14 могут прожечь его стенки, что приведет к попаданию их в трубопроводы 17 и 18. Газоанализатор 19, имеющий связь с внутритрубным пространством трубопровода 18, подаст сигнал в котельную 22 о появлении газов CO, CO₂, NO и т.д., после которого работу питающего теплообменника 14 останавливают и включают резервный питающий теплообменник, параллельно подсоединенный к замкнутому контуру 15 (резервный питающий теплообменник на фигурах не приведен). Атмосферный воздух, подаваемый в теплообменный регистр 1 по трубопроводу 27 с помощью второго нагнетательно-всасывающего вентилятора 16, попадает сначала в приемную емкость 28 теплообменного регистра 1, поперечное сечение которой не меньше суммарного поперечного сечения труб 29 с учетом толщины пограничного слоя, а затем по набору труб 29 теплообменного регистра 1 в его расходную емкость 30, поперечное сечение которой такое же, как и у приемной емкости 28.

Из первого теплообменного регистра подогретый воздух поступает в такой же следующий теплообменный регистр, в котором воздух приобретает еще более высокую температуру и так далее по разомкнутому контуру 32 (фиг. 3) на входы 13 дополнительных камер 12, откуда после перемешивания холодного и подогретого воздуха он поступает в шахтный ствол 20, проходя предварительно через калориферы 2, камеру смешения 6 помещения 3 калориферной. Сказанное относится и к теплообменному регистру 1, составленному из длинномерных составных труб 29, на выходе из которых достигается заданная температура подогретого воздуха. Датчик 5 температуры воздуха (фиг. 1), подаваемого в шахтный ствол 20, дает свои показания на табло в котельную 22.

Теплоноситель замкнутого контура 15 при входе в теплообменный регистр 1 встречает на своем пути экран 31 с кольцевыми каналами 33 вокруг труб 29 теплообменного регистра 1, внутри которых он омывает эти трубы и передает свое тепло, на выходе из кольцевых каналов 33 другого экрана 31 он поступает в трубопровод 17 и далее с помощью первого вентилятора 16 в такой же по конструкции питающий теплообменник 14 и цикл повторяется.

Дымовые газы котельной, имеющие температуру от 900 до 200^oC, с помощью предлагаемого устройства направляют на подогрев воздуха для подачи его в шахтный ствол и экономят на этом дорогостоящее топливо. Следует заметить, что выбрасываемый в атмосферу метан при проветривании шахты в перспективе можно утилизировать, направляя его вместе с воздухом проветривания к форсункам, расположенным в печах котельной, и в конечном итоге повышая КПД шахты.

Формула изобретения

Устройство для подогрева и подачи в шахтный ствол воздуха, включающее теплообменные регистры для предварительного подогрева атмосферного воздуха, калориферы, побудители тяги, датчик температуры, камеру смешения в помещении калориферной, регулятор дозировки атмосферного воздуха, диафрагму, отличающееся тем, что 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 теплообмерного 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 (-50^oC) и ниже, составляет
S = M₀S₀[(M₀-M)+₀M]^-1,
где S - суммарная площадь поперечных сечений входов в дополнительные камеры от теплообменного регистра, м²,
M = M_о(t_н - t_ем) (t + t_н)^-1 - массовый расход подогретого воздуха через суммарную площадь S поперечных сечений входов в дополнительные камеры, т/мин;
t_см - абсолютная величина температуры смеси подогретого и холодного воздуха, подаваемой в помещение калориферной, ^oC;
t_н - 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 M_о воздуха, м²;
₀ - плотность холодного атмосферного воздуха т/ м³;
- плотность подогретого воздуха, т/ м³;
M - массовый расход подогретого воздуха, подаваемого в дополнительные камеры, т/мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4