VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Экономия энергетических ресурсов является одной из важнейших задач горной промышленности России, развитие которой идет, в основном, за счет вовлечения в разработку месторождений северных регионов страны. В экономии энергетических ресурсов регулирование теплового режима шахт и рудников является основным затратным механизмом, требующим дополнительного потребления энергии по причине низких температур и большой продолжительности зимнего периода в горнодобывающих регионах. Вопросами регулирования теплового режима шахт и рудников Севера занимались многие ученые - Дядькин, Ю.Д., Чабан П.Д., Зильберборд А.Ф., Шерстов В.А., Шувалов Ю.В., Казаков Б.П. и др. [1,2,3,4,5]. Одним из первых задачу о рациональном выборе способа кондиционирования рудничного воздуха сформулировал В.С. Вепров в работе «О способе подогрева воздуха в шахтах области вечной мерзлоты»[6], где приведены результаты расчетов производительности калориферных вентиляторов шахт «Центральная» треста «Якутуголь» и «Кадыкчанская» треста «Северовостокуголь», при раздельном и централизованном способах проветривания. За основу было взято уравнение теплового баланса:

(1)

где: G_кал – весовое количество воздуха, проходящего через калорифер, кг/мин; G_ш – весовой дебит общешахтной поступающей струи, кг/мин; t_см – смесь расчетной температуры, ^◦С; t_под – температура подогреваемого воздуха, ^◦С; t_нар – температура наружного воздуха, ^◦С.

Исследованные варианты для двух характерных шахт Севера и выполненные расчеты позволили сделать вывод об энергетической эффективности централизованного способа кондиционирования.При этом экономическая эффективность применения того или иного технического решения автором не рассматривалась, равно как и не определялась область рационального применения различных способов в других климатических зонах.

Целью настоящей работы являлось развитие идеи В.С.Вепрова. А именно, расчет энергетической и экономической эффективности централизованного и раздельного способов подогрева рудничного воздуха с учетом изменения удельного веса воздуха в зависимости от температуры и определение области их рационального использования в различных горнодобывающих регионах Российской Федерации.

Математическая формулировка задачи имеет вид:

(2)

То есть, разница потребляемой мощности при централизованном и раздельном способах кондиционирования стремится к максимуму, а стоимость потребляемой электроэнергии к минимуму. Стоимость потребляемой электроэнергии за зимний период использования калориферного вентилятора будет равна

(3)

где: - стоимость 1 кВт·час электроэнергии, руб./кВт·час; - продолжительность зимнего периода, час; N – мощность вентилятора, кВт·; - производительность вентилятора, м³/с.

Потребляемая мощность вентилятора, в свою очередь, зависит от объема, подаваемого в шахту воздуха, и для раздельного способа проветривания равна сумме потребляемых мощностей обоих вентиляторов:

кВт· (4)

где : N_раз – потребляемая мощность при раздельном способе проветривания, кВт; N_ш – потребляемая мощность шахтного вентилятора (главного вентилятора), кВт; N_кал – потребляемая мощность вентилятора, работающего совместно с калориферной установкой, кВт.

Производительность вентилятора зависит от необходимого объема подаваемого воздуха и его удельного веса. Удельный вес воздуха подаваемого в рудник находился, как среднее значение удельного веса воздуха при наружной температуре и температуре подогрева.

Для решения поставленной задачи были рассмотрены следующие горнодобывающие регионы российской Федерации: Архангельская, Кемеровская, Курская, Мурманская, Свердловская, Челябинская области, Пермский край и Ненецкий Автономный округ и республика Коми. Для каждого региона по СНиП [7] определены минимальная среднестатистическая температура зимнего периода и продолжительность зимнего периода (рис.1).

Рис.1. Минимальная температура воздуха по регионам РФ.

По результатам исследования установлено, что для рассмотренных горнодобывающих регионов максимальная среднестатистическая температура зимнего периода наблюдается в Курской области и равна минус 10^оС, а минимальная в Кемеровской области и республики Коми, минус 25^оС.

По формуле (1) произведен расчет производительности вентиляторов при раздельном способе кондиционирования при различных температурах подогрева в калориферных установках подаваемого воздуха (70 ^оС, 60 ^оС, 50 ^оС, 40 ^оС), и различных температурах смеси подаваемого в шахту воздуха ( в диапазоне от -8 ^оС до +2 ^оС, в соответствии с СанПиН – 2.2.4.548-96 [8] и ГОСТ 12.1.005-88 [9]). При этом весовой дебит общешахтной струи изменялся в диапазоне от 20 кг/с до 100 кг/с, с шагом в 20 кг/с, с учетом зависимости удельного веса воздуха от температуры [10]. Результаты расчетов для некоторых регионов оказались одинаковы, поскольку продолжительность зимы и среднестатистическая температура одинаковы, т.е. их можно для целей анализа объединить в одну характерную группу.

На рисунке 2 представлен график зависимости необходимой производительности калориферного вентилятора, при подогреве воздуха в калорифере до температуры 70 ^оС для Архангельской и Курской областей, республики Коми и Ненецкого Автономного округа (НАО). На оси абсцисс расположена температура подаваемой смеси, по оси ординат отложен необходимый весовой дебит общешахтной поступающей струи (кг/с), а по оси аппликат отложен весовой дебит воздушной струи, проходящей через калорифер( кг/с).

Рис. 2. Результаты вычислений при подогреве воздуха в калорифере до 70^◦оС.

Рис.3. Результаты вычислений для климатических условий Архангельской области при температуре подогрева воздуха 70 ^оС.

На рисунке 3 показаны примеры использования результатов вычислений (для условий Архангельской области при подогреве части воздуха в калорифере до 70 ^оС). Коричневыми стрелками показан пример получения конечного результата при необходимом весовом дебите общешахтной поступающей струи 20 кг/с и температуре подаваемой в шахту струи воздуха, равной 0 ^оС. Линия зеленого цвета соответствует дебиту общешахтной струи 20 кг/с. Сначала находим точку пересечения с температурой смеси воздушной струи, равной 0 ^оС. Из точки пересечения делаем проекцию к оси аппликат и получаем искомое значение весового дебита воздушной струи, проходящей через калорифер, равное 3,53 кг/с. Для температуры смеси воздуха, равной -7^оС , и при необходимом весовом дебите общешахтной струи 80 кг/с, находим точку пересечения графика (линия 2, красного цвета), с температурой смеси воздушной струи. Из этой точки пересечения делаем проекцию к оси аппликат. Получаем значение весового дебита воздушной струи проходящей через калорифер, при температуре смеси равной -7 ^оС и весовом дебите общешахтной струи 80кг/с, равное 7,53 кг/с.

Рис.4. Результаты вычислений для Архангельской области при температуре подогрева воздуха 70 ^оС.

На рис.4, для наглядности, представлены результаты расчетов, в «объемном» цветовом виде, которые позволяют оперативно оценивать необходимый расход воздуха, проходящий через калориферную установку.

Результаты вычислений для условий подогрева воздуха в калорифере до 40 ^оС, 50 ^оС и 60 ^оС получаются аналогично представленным выше.

Анализ результатов вариантных расчетов показал, что раздельный способ кондиционирования рудничного воздуха, рационально применять в Кемеровской области и республики Коми. Для кондиционирования шахт Архангельской, Курской, Мурманской, Свердловской, Челябинской областей, Пермского края и Ненецкого Автономного округа, целесообразнее применять централизованный способ кондиционирования.

Экономическую эффективность оценим на примере условий, характерных для шахт Кемеровской области. Расчет экономической эффективности раздельного способа проветривания проводился по формулам (3) и (4). Исходные данные: среднестатистическая минимальная температура в зимний период t_нар = -25 ^оС, продолжительность зимнего периода 8 месяцев. Стоимость электроэнергии С_Э = 5 руб./кВт·час. Общешахтный расход Q_ш = 110 м³/с; температура подогрева t_под =70 ^оС. Выполненные расчеты показали, что для данных условий, экономический эффект при использовании раздельного способа кондиционирования в зимний период составляет 576000 рублей в год.

Выводы. Проведенная энергетическая и экономическая оценка использования для подогрева воздуха централизованного или раздельного способов показала, что каждый из них имеет свою эффективную область применения. Установлено, что правильный выбор того или иного способа кондиционирования на практике, позволяет существенно сэкономить энергетические ресурсы и получить значимый экономический эффект. Дальнейшее развитие исследований следует направить на совершенствование методики расчета. В частности, для учета не только подогрева воздуха, но и его увлажнения. Т.е. методика должна учитывать не только температуру, но и энтальпию вентиляционной струи.

Список литературы.

1. Дядькин, Ю.Д. и др. Тепловой режим рудных, угольных и россыпных шахт Севера. / Ю.Д. Дядькин, А.Ф. Зильберборд, П.Д. Чабан. М.: Изд-во «Наука», 1968. - 172 с.

2. Дядькин Ю.Д., Шувалов Ю.В., Тимофеевский Ю.С. Горная теплофизика. Регулирование теплового режима шахт и рудников. Л.: Изд. ЛГИ, 1976.-159 с.

3. Осодоев М.Т., Шерстов В.А. К экономической оценке эффективности регулирования теплового режима шахт Севера. В кн.: Исследования по физико-техническим проблемам Севера. - Якутск, 1974. - С. 11-14.

4. Казаков Б.П. Ресурсосберегающие технологии управления климатическими параметрами рудников: На примере калийных рудников.- Пермь, 2001.- 315 с.

5. Галкин А.Ф. Тепловой режим подземных сооружений Севера.- Новосибирск: ВО Наука, 2000.- 305 с.

6. Вепров В.С. О способе подогрева воздуха в шахтах области вечной мерзлоты. Сб. «Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Севера». Изд-во ЛГИ, 1972.- С.237-238.

7. СНиП 23-01-99. Таблица 3 - Средняя месячная и годовая температура воздуха, °С. РФ. Кемеровская обл., Кировская обл., Республика Коми, Костромская обл., Красноярский край, Курская обл., Липецкая обл., Ленинградская обл. + Санкт-Петербург.

8. СанПиН – 2.2.4.548-96 Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений

9. ГОСТ 12.1.005-88 общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

10. Помощь по ГОСТам. – [интернет ресурс]. – режим доступа: http://www.gosthelp.ru/text/MetodikaMetodikaraschetno2.html

Код для цитирования: Скопировать