Кондиционирование воздуха

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Нормальная жизнедеятельность и работоспособность людей ввы­работках определяются не только составом воздуха, но и темпе­ратурой, влажностью и скоростью его движения. Эти параметры воздуха определяют интенсивность теплообмена между организ­мом человека и окружающей средой.

ПБ регламентирует температуру и скорость движения воздуш­ной струи: в рабочих местах горных выработок температура не должна превышать 26 °С, а минимальное значение скорости воз­духа в зависимости от его температуры 0,25...2 м/с.

В шахтах на глубине 600...700 м необходимые атмосферные условия достигаются благодаря вентиляции. При возрастании глубин разработок возникает необходимость в интенсификации вентиляции, снижении влажности воздуха, применении таких систем разработок месторождений и вентиляции выработок, кото­рые способствуют снижению температуры воздуха в местах ра­боты людей. Однако при определенных глубинах эти меры ока­зываются уже недостаточными и возникает необходимость в кон­диционировании воздуха, т. е. искусственном регулировании атмосферных условий в горных выработках с помощью холодиль­ных установок.

Основными причинами повышения температуры в горных вы­работках являются:

1. Сжатие воздуха в стволе под действием силы тяжести, т. е. в связи с разностью давлений воздуха на поверхности шахты и в околоствольном дворе. Расчетами установлено, что на каждые 100 м глубины ствола температура возрастает на 1^о. По данным практики этот источник тепловыделения играет заметную роль на шахтах глубиной свыше 1300 м.

2.Возрастание температуры горных пород по мере увеличе­ния глубины разработок. Рост температуры горных пород с глу­биной характеризуется геотермическим градиентом — измене­нием температуры породы, приходящимся на 1 м глубины (°С/м). Отсчет изменения температуры производят от глубины нейтраль­ной зоны Н _н.з., на которой температура t_н.з. постоянна и не за­висит от сезонного изменения температуры наружного воздуха. Глубина нейтральной зоны зависит от географического располо­жения шахт и для Донбасса составляет 25...30 м. Геотермический градиент для угольных месторождений составляет 0,03, для руд­ных — от 0,02 до 0,022.

Ожидаемая температура горных пород на глубине Н

t_п = t_н.з. + (H — Н_н.з.).

В условиях Донбасса t_н.з. = 8 °С.

3. Окислительные процессы угля, пород и крепежного ма­териала.

4. Соприкосновение воздуха с разрыхленным углем в очистных забоях.

5. Теплообмен между воздухом и породой, а также влагообмен в связи с влажными стенками выработок и соприкосновением воздуха с поверхностью воды в водосточных канавках.

6. Тепловыделение от людей, выполняющих физическую ра­боту.

7. Тепловыделение от работающих машин, трансформаторов и других электрических аппаратов.

Основными источниками выделения тепла в горных выработ­ках от околоствольного двора до верхнего пункта очистного забоя являются горные породы и окислительные процессы угля, породы и деревянной крепи. Это подтверждается следующими данными по шахтам Донбасса. При глубине 900 м тепловыделение составляет (%): от горных пород 44,6, от окисления 31,5, от охлаждения разрыхленного угля 8,3, от работы двигателей 9,3, от остальных источников 6,3. При глубине 1100 м эти данные соответственно равны: 52,5; 25,6; 9,1; 8,2 и 4,6%.

Кондиционирование воздуха производится с помощью холо­дильных установок различных типов.

 

Рис. 1. Схемы холодильных устаковок:

a — парокомпрессорной с детандером; б— парокомпрессорной с дроссель­ным вентилем; в— абсорбционной

 

Парокомпрессорная холодильная уста­новка (ПКХУ) состоит из следующих основных элементов (рис. 1, а): компрессора (машины для сжатия газа) 1, конденса­тора 2, детандера (расширительной машины) 5 и испарителя 4. Для рабочего процесса этой установки характерно, что вещество, используемое как рабочее тело (хладагент), в различных ста­диях цикла находится в жидкой или газообразной (паровой) фазе либо представляет собой смесь этих фаз — влажный насы­щенный пар.

При работе установки компрессор всасывает из испарителя пары хладагента и сжимает их без теплообмена с окружающей средой. К концу сжатия пар хладагента перегревается и посту­пает в конденсатор, где при постоянном давлении охлаждающей средой от него отводится тепло до полной конденсации пара в ки­пящую жидкость. Затем жидкость поступает в детандер, в котором происходит ее расширение без теплообмена с окружающей средой, сопровождающееся испарением и понижением температуры хладагента. Влажный насыщенный пар, образовавшийся в детандере, поступает в испаритель, где за счет отбора тепла от охлаждаемой среды подсушивается при постоянной температуре. На рассма­триваемом рисунке стрелками 5и 6показано движение соответственно охлаждающей и охлаждаемой среды.

Детандер можно использовать в качестве двигателя, однако получаемая здесь работа составляет всего 2...7%от работы, затрачиваемой в компрессоре. Поэтому вместо детандера уста­навливают более простое устройство — дроссельный вентиль 3(рис. 1, б), т. е. расширение хладагента заменяется его дроссе­лированием. При этом габариты установки значительно умень­шаются.

В установках ПКХУ в качестве хладагента применяют аммиак, углекислоту и фреоны — галоидные производные насыщенных углеводородов, в основном метана и этана. Фреоны находят боль­шое применение, так как аммиак взрывоопасен, токсичен и вос­пламеняется при определенной его концентрации в воздухе, а углекислота вызывает удушье.

Абсорбционная холодильная уста­новка (АХУ) (рис. 1, в) отличается от ПКХУ тем, что в ней не затрачивается механическая работа (на привод компрессора), а используется тепло. Схема АХУ аналогична схеме ПКХУ, но отличается применением насоса вместо компрессора и двух аппаратов — абсорбера и парогенератора. Замена компрессора на­сосом в целях повышения давления хладагента возможна потому, что пары хладагента, поступающие из испарителя 1, поглощаются в абсорбере 2жидкостью — абсорбентом (поглотителем). В абсор­бере образуется раствор из двух компонентов — хладагента и абсорбента. Этот раствор перекачивается насосом 3из абсорбера в парогенератор 4, где благодаря подводимому теплу происходит выпаривание хладагента из раствора. Температура кипения абсорбента значительно выше температуры кипения хладагента при давлении в парогенераторе. Образующийся пар хладагента направляется в конденсатор 5, а абсорбент после парогенератора поступает через дроссельный вентиль 6в абсорбер. В конденсаторе с водяным охлаждением хладагент конденсируется, а затем, после дросселирования вентилем 7, поступает в испаритель 1, где кипит, отбирая тепло от охлаждаемой среды. Из испарителя пар хлад­агента направляется в абсорбер и там поглощается жидким абсор­бентом. Тепло, выделяющееся в ходе реакции поглощения, отво­дится охлаждающей водой. Стрелками 8показано направление движения охлаждающей воды, стрелками 9— греющей среды и стрелками 10— охлаждаемой среды.

В последнее время для кондиционирования воздуха получили распространение бромистолитиевые абсорбционные холодильные установки, в которых хладагентом является вода, а абсорбентом водный раствор бромистого лития. Охлажденная до 1,5 ... 7 °С вода циркулирует в системе кондиционирования.

 

В шахтных условиях применяют следующие схемы кондицио­нирования:

1) централизованное охлаждение на поверхности или в шахте всего воздуха, поступающего в выработки;

2) полуцентрализованное охлаждение части воздуха, поступа­ющего на группу горных участков;

3) местное охлаждение воздуха, поступающего в отдельные забои;

4) охлаждение воздуха с помощью передвижных кондиционеров.

Основные элементы установки для кондиционирования воздуха могут быть размещены следующим образом.

1. Холодильные машины и воздухоохладители расположены на поверхности. При этом удобен монтаж установки, надежная работа холодильных машин, прост отвод тепла конденсации в конденсаторах, замкнутая система охлаждения воды (градирни). Выбор хладагента не зависит от требования безопасности для подземных работ. Однако для такого расположения устройств охлаждения воздуха характерны недостатки: а) излишние за­траты на охлаждение всего поступающего воздуха, хотя на ряде участков шахты такого глубокого охлаждения не требуется; б) снижение охлаждающего эффекта вследствие теплообмена воздуха с горными породами по пути его движения; в) опасность для здоровья рабочих в связи с значительным перепадом температур воздуха в стволе, околоствольном дворе и в лавах. Такое распо­ложение целесообразно для шахт с очень большим расходом воз­духа и сравнительно малой протяженностью горных выработок.

2. Холодильная машина расположена на поверхности, возду­хоохладитель — под землей, где охлаждается весь воздух или его часть. Для этого расположения свойственны преимущества ранее описанного расположения (исключая выбор хладагента) и следу­ющие недостатки: а) необходимость подачи под высоким давле­нием хладагента с поверхности в шахту; б) необходимость в трубо­проводе хладоносителя большой протяженности; в) значительные потери холода через стенки трубопровода.

3. Холодильная машина и воздухоохладитель располагаются в подземных выработках. При этом требуются специальные камеры. Расположение в подземных выработках обусловливает большой перепад температур между охлаждаемым воздухом и горными породами, в связи с чем возрастает передача тепла воздуху поро­дами. С увеличением расстояния воздухоохладителя от забоя эффективность его действия снижается и затрудняется водоснаб­жение установки.

Находят применение и комбинированные установки, при кото­рых воздух охлаждается как на поверхности, так и вблизи лав.

В том случае, когда климатические условия нуждаются в улуч­шении, не по всей шахте, а только на одном или нескольких уча­стках, и централизованное охлаждение воздуха не может обес­печить нормальные условия в отдельных забоях, применяют местное охлаждение воздуха.

При значительном удалении забоев подготовительных вырабо­ток от очистных забоев, т. е. при местном проветривании их, а также в отдельных лавах для соблюдения требуемых климатиче­ских условий применяют передвижные кондиционеры. К числу таких устройств относятся кондиционеры КПШ для охлаждения и очистки воздуха, поступающего от вентиляторов местного про­ветривания. Кондиционер КПШ состоит из компрессора, двига­теля (электрического или пневматического), конденсатора, регу­лирующего вентиля и воздухоохладителя, смонтированных на общей раме со скатами вагонетки на колею 600 или 900 мм. Его элементы имеют взрывобезопасное исполнение. Хладагентом яв­ляется фреон-12.

Схемы кондиционирования воздуха и размещение оборудова­ния выбирают для каждой шахты индивидуально, с учетом ее климатических параметров и технико-экономического сравнения возможных вариантов.