книги из ГПНТБ / Цейтлин Ю.А. Установки для кондиционирования воздуха в шахтах [Текст] 1974. - 166 с
.pdfЮ. А. ЦЕЙТЛИН
УСТАНОВКИ
ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В ШАХТАХ
Ю. А. ЦЕЙТЛИН
УСТАНОВКИ
ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ВОЗДУХА В ШАХТАХ
1
ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А» М о с к в а -1974
УДК 622.413.4:621.56
Л*
Цейтлин Ю. А. Установки для кондиционирова ния воздуха в шахтах. М.. «Недра», 1974, с. 168.
В книге освещены вопросы теории, расчета и эксплуатации установок для кондиционирования воз духа в шахтах. Описаны холодильные установки раз личного типа (парокомпрессорные, воздушные и аб сорбционные), используемые на шахтах. Рассмотрены применяемые схемы шахтных установок для конди ционирования воздуха, вопросы расчета и выбора воздухоохладителей, теплообменников высокого дав ления, трубопроводных систем для транспорта .холо доносителей, дается оценка экономичности работы установки в целом.
Книга рассчитана на специалистов, занимаю щихся проектированием и эксплуатацией установок для кондиционирования воздуха в шахтах и может быть полезна студентам горных вузов и факуль тетов.
Таблиц 7, иллюстраций 68. библиография — 44 назв.
0373—638 |
381—74 |
© Издательство «Недра», 1974 |
|
ц ------------------043(01)—74 |
|||
|
ВВЕДЕНИЕ
Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. преду смотрено увеличение к 1975 г. добычи угля до 685—695 млн. т. В то же время значительное увеличение добычи полезных ис копаемых приводит к непрерывному увеличению глубины их разработки. В последние годы многие горные предприятия Со ветского Союза перешли к добыче ископаемых с глубины 800— 1000 м и более. Проведение горных работ на таких глубинах требует, как правило, искусственного регулирования атмосфер ных условий в горных выработках, так как вследствие высокой температуры окружающих горных пород и тепловыделения от работающих механизмов и машин естественные атмосферные условия в. выработках резко ухудшаются.
Необходимость искусственного регулирования атмосферных условий (кондиционирование воздуха) в выработках глубоких шахт связана с тем, что самочувствие и работоспособность трудящихся в большой мере определяются атмосферными усло виями на месте работы, поэтому температура, влажность и ско рость движения воздуха в горных выработках должны быть ограничены определенными пределами. При глубинах 600— 800 м необходимые условия в горных выработках могут быть обеспечены в ряде случаев за счет применения рациональных схем вскрытия и разработки месторождений, более интенсивной вентиляции. Однако при больших глубинах обеспечение допу стимых атмосферных условий в выработках шахт невозможно без использования специальных установок для кондициониро вания воздуха.
Уже сейчас установки для кондиционирования воздуха ра ботают или сооружаются на ряде шахт Советского Союза. В ближайшие 10—15 лет их применение в горной промышлен ности должно значительно возрасти.
Как правило, установки для кондиционирования воздуха в глубоких шахтах представляют собой крупные энергетические комплексы, мощность которых может достигать нескольких тысяч киловатт. От режима работы таких установок зависит не только общешахтный расход энергии, но в значительной мере и производительность труда подземных рабочих — один из ос-
3
новных показателей эффективности работы горного пред приятия.
В книге использованы накопленный Днепрогипрошахтом и Донгипрошахтом опыт проектирования шахтных установок для кондиционирования воздуха; работы МакНИИ и Института теплоэнергетики АН УССР по исследованию и созданию отдель ных элементов этих установок; опыт эксплуатации установок, уже.работающих на шахтах Донбасса.
Автор выражает признательность проф. М. М. Шемаханову за полезные замечания, сделанные при рецензировании рукописи.
Все критические замечания и пожелания по книге будут приняты автором с благодарностью.
Глава I
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ АТМОСФЕРНЫЕ УСЛОВИЯ
ВПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ ШАХТ
1.Основные параметры, характеризующие атмосферные условия
Многочисленные исследования показали, что основными па раметрами, которые характеризуют атмосферные условия в гор ных выработках, влияющие на самочувствие человека, являются температура, влажность и скорость движения воздуха. Эти параметры определяют интенсивность теплообмена между орга низмом человека и окружающей средой, а для нормального самочувствия человека, выполняющего физическую работу, не обходим отвод тепла, образующегося в организме.
Неблагоприятные атмосферные условия на рабочих местах значительно снижают производительность труда рабочих. Так, по данным Б. Шточеса и Б. Черника при скорости вентиляцион ной струи 2 м/сек и относительной влажности'воздуха 100% по вышение температуры на 1° С (при температуре свыше 27° С) снижает производительность труда на 10%; при скорости венти ляционной струи, равной нулю, и относительной влажности 80% (при температуре больше 18° С) производительность труда сни жается примерно на 5%, а при скорости вентиляционной струи
2 м/сек и влажности воздуха 80% (при |
температуре свыше |
30° С) производительность труда снижается |
на 12%. Аналогич |
ные данные были получены другими исследователями [32]. |
|
2. Влажность воздуха
Влажность воздуха является одним из основных факторов, характеризующим атмосферные условия в горных выработках.
Обычно воздух содержит некоторое количество водяного пара. Количество пара, содержащегося в 1 м23 влажного воздуха (смеси пара и сухого воздуха), определяет его абсолютную влажность. Под абсолютной влажностью подразумевается плот ность водяного пара, содержащегося в воздухе. Так как темпе ратура и парциальное давление пара незначительны, то для расчета плотности пара можно воспользоваться уравнением состояния идеального газа
5
|
|
Рп = |
Рп |
( |
) |
||
|
|
|
|
RnT ' |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
где рп — парциальное давление пара в воздухе, н/м2; |
|
|
||||
|
Rn =462 дж/кг-град— газовая постоянная пара; |
|
|
||||
|
Т — абсолютная температура влажного воздуха. |
|
и |
||||
/ |
При непрерывном увлажнении и определенных давлении |
||||||
температуре воздуха в некоторый момент наступит насыщение |
|||||||
|
|||||||
|
воздуха паром. В этом случае парциальное давление пара ста |
||||||
|
новится равным давлению насыщения рп при данной темпера |
||||||
|
туре воздуха и абсолютная влажность воздуха |
|
|
||||
|
I |
Рн = |
-т^7. |
(2) |
|||
|
|
|
t<n‘ |
|
|
||
|
Отношение фактической |
абсолютной влажности |
воздуха |
||||
|
к максимально возможной при заданной температуре называют |
||||||
|
относительной влажностью (ср): |
|
|
|
|||
|
|
Ф = |
Рп |
Рп |
( |
3) |
|
|
|
|
Рп |
Рн |
|
|
|
Часто в качестве характеристики влажного воздуха исполь зуется влагосодержание, под которым подразумевается масса водяного пара, содержащегося в смеси, отнесенная к 1 кг сухого воздуха. Считая водяной пар идеальным газом, получим
Д |
Pn^ |
PnRc.J |
|
Рп^с.п |
_ |
f-QO |
Рп |
|
/и\ |
- |
Рсвѵ ~ |
RnTpCB |
~ |
(p-pn)Rn |
“ |
’ |
Р-Рп |
' |
С |
где |
d — влагосодержание, кг/кг; |
|
|
|
|
||||
Рс.в, рс.в, |
V — объем паровоздушной смеси, м3; |
|
давле |
||||||
RC.B — соответственно плотность, парциальное |
|||||||||
|
|
ние и |
газовая постоянная |
сухого |
воздуха |
||||
|
|
(/?с.в = 287 дж/кг-град); |
|
(атмосферное |
|||||
|
р — давление |
влажного |
воздуха |
||||||
|
|
давление). |
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, влагосодержание при заданном атмосферном давлении зависит только от парциального давления пара.
Парциальное давление водяного пара, необходимое для рас чета относительной влажности или влагосодержания воздуха, определяется с помощью психрометра. Психрометр состоит из двух термометров: обычного «сухого», измеряющего действи-. тельную температуру влажного воздуха, и «мокрого» термо метра, теплоприемник которого обернут влажной тканью. Тем пература, показываемая «мокрым» термометром, зависит не только от фактической температуры влажного воздуха, но и от интенсивности испарения влаги, которая в свою очередь яв ляется функцией влажности воздуха.
6
Парциальное давление пара во влажном воздухе может быть определено по формуле
|
Рп = Р' — С (tc — /м) |
н/м2, |
(5) |
где |
р,' — давление насыщенного пара |
при температуре |
«мок |
tc и |
рого» термометра (берется из таблиц), н/м2; |
|
|
tbI — показания «сухого» и «мокрого» термометров; |
|
||
|
С — постоянная величина, равная 66,5 для влажной и 59,3 |
||
|
для замерзшей обертки «мокрого» термометра; |
|
|
р— атмосферное давление (давление влажного воздуха), н/м2.
Зная парциальное давление пара в воздухе, по таблицам можно определить и относительную его влажность. При тепло вых расчетах часто используют энтальпию влажного воздуха. Ее величина определяется как сумма энтальпии 1 кг сухого воз духа и d кг водяного пара, т. е.
/ = tc. в ~Ь d- іл = сpt -f- d (г 3~ Cpnt) =
|
|
= (Cp + dCpn) t + dr = Cpt + |
dr, |
(6) |
|
где |
cp, Срп |
и CpB— массовые изобарные теплоемкости |
сухого |
||
|
|
воздуха |
(Ср~ 1 кдж/кг ■град), водяного пара |
||
|
|
(сРп~ 1,89 кдж/кг-град) |
и влажного воз |
||
|
|
духа, кдж/кг-град; |
|
воды, |
|
г= 2500 кдж/кг — скрытая |
теплота парообразования |
||||
|
|
которую при небольших |
изменениях |
темпе |
|
|
|
ратуры можно считать постоянной. |
|
||
Для расчета процессов изменения состояния влажного воз |
|||||
духа |
широко |
используется |
/ —d-диаграмма |
состояния |
(диаг |
рамма Л. К. Рамзина, рис. 1). По оси ординат на этой диаг рамме откладывают энтальпию,, отнесенную к 1 кг сухого воз духа, по оси абсцисс — влагосодержание в граммах на 1 кг сухого воздуха. Для лучшего использования площади диа граммы координатные оси обычно располагают под углом 135°, тогда линии постоянной энтальпии на диаграмме располагаются под углом 45° к горизонтали, а линии постоянного влагосодержания вертикальны. На диаграмму наносят линии постоянных температур «сухого» и «мокрого» термометров, а также относи тельной влажности.
На практике часто приходится исследовать процессы охлаж дения и подогрева влажного воздуха, а- также тепло- и массообмен между воздухом и водой.
Процесс охлаждения в I—d-диаграмме изображается верти кальной линией, идущей сверху вниз. Если при охлаждении до
стигается насыщение |
воздуха (ср = 100%), то |
в |
дальнейшем |
процесс идет по линии |
2—3 (ср = 100%— const) |
и |
влагосодер |
7
жание воздуха снижается за счет выпадения из него влаги (росы). Температура воздуха в момент достижения им насыще ния называется температурой точки росы tp.
Процесс подогрева потока влажного воздуха изображен вер
|
|
|
тикальной |
линией, |
идущей |
|||||
|
|
|
снизу вверх |
(линия 4—5). |
||||||
|
|
|
При |
|
|
проектировании |
||||
|
|
|
установок |
для |
кондициони |
|||||
|
|
|
рования |
|
воздуха |
часто |
||||
|
|
|
приходится |
|
|
исследовать |
||||
|
|
|
процесс |
теплообмена |
меж |
|||||
|
|
|
ду |
открытой |
поверхно |
|||||
|
|
|
стью |
воды |
и движущимся |
|||||
|
|
|
над |
нею влажным |
возду |
|||||
|
|
|
хом. В этом |
случае |
проис |
|||||
|
|
|
ходит |
|
обмен |
энергией |
не |
|||
|
|
|
только |
за |
счет теплоотдачи |
|||||
|
|
|
(ощутимый |
тепловой |
по |
|||||
|
|
|
ток), но и за счет испарения |
|||||||
Рис. |
1. Процессы изменения |
состоя |
или конденсации влаги |
(так |
||||||
ния влажного воздуха |
|
называемый |
скрытый |
теп |
||||||
|
|
|
ловой поток). |
|
|
|
||||
Элементарное количество тепла,- передаваемого в единицу |
||||||||||
времени за счет теплоотдачи, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
dQ0 = a ( t — tB)dF, |
|
|
|
|
|
|
(7) |
||
где |
dQc — тепловой поток, получаемый |
или |
отдаваемый |
эле |
||||||
|
ментарной площадкой dF на поверхности жидкости, |
|||||||||
|
вт; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а — коэффициент теплоотдачи, вт/м2-град; |
удалении от |
||||||||
|
і — температура |
воздуха |
на достаточном |
|||||||
поверхности воды, ° С; /„ —температура поверхности воды, °С.
Влагообмен между воздухом и водой рассматривается обыч но как процесс диффузии водяного пара через ламинарный по граничный слой воздуха у поверхности воды. Тогда количество влаги, сконденсировавшейся или испарившейся с элементарной площадки на поверхности воды, можно определить L13] по урав нению
dMBn = ß (р — Рн) dF, |
(8) |
||
где ß — коэффициент диффузии, кг/н-сек; |
пара при темпе |
||
рп — парциальное давление |
насыщенного |
||
ратуре поверхности воды, fr/м2; |
вдали от поверхности |
||
р — парциальное давление |
пара |
||
воды, н/м2. |
|
(8) |
берут выражение |
Часто при расчетах вместо уравнения |
|||
следующего вида: |
|
|
|
dMBn = a ( d - d a)dF, |
(9) |
||
8
где с — коэффициент влагоперехода, кг/м2-сек; |
(ср = I) |
da — влагосодержание насыщенного влагой воздуха |
|
при температуре поверхности жидкости, кг/кг; |
|
d — влагосодержание воздуха на достаточном удалении от |
|
поверхности воды, кг/кг. |
при по |
Справедливость уравнения (9) следует из того, что |
|
стоянном барометрическом давлении парциальное давление водяного пара в воздухе является однозначной и фактически линейной функцией влагосодержания. Энергия, отводимая от поверхности воды при испарении или подводимая к ней за счет конденсации влаги,
|
|
dQz = rdMB4 = or (d — dn) dF. |
|
(10) |
||
Полная энергия в этом случае |
|
|
|
|||
dQ = |
rfQ0 + |
dQz = [a{t — 4) + or {d — d„)] dF. |
(П) |
|||
В формулах (7), |
(10) |
и (11) принято, что тепловой поток поло |
||||
жителен, если он направлен от воздуха к воде. |
|
|||||
Исследования |
[7] |
показали, что для технических расчетов |
||||
с достаточной |
степенью точности можно принять |
|
||||
|
|
|
с т = — |
, |
|
(12) |
тогда уравнение |
(11) |
можно представить в |
следующем |
виде: |
||
dQ = — |
[с,в (t - |
tB) + г ( d - |
du)] dF = |
(/ - /я) dF, |
(13} |
|
где I и /„ — соответственно энтальпии ненасыщенного влажного воздуха вдали от поверхности воды и насыщенного влажного воздуха при температуре поверхности воды, дж/кг с. в.
Если известны начальные и конечные параметры влажного воздуха в процессе тепло- и влагообмена его с водой, то коли чество тепла может быть определено и по уравнению
<2 = М (7нач — / кон) = Мср (ітч — /кон) + Mr (du < U ) , ( И )
где /нач, 4ач, ^нач — соответственно начальная энтальпия, темпе ратура и влагосодержание воздуха;
/кон, 4оп, duon — конечные значения тех же величин.
График рассматриваемого процесса тепло- и массообмена между водой и воздухом в I—d-диаграмме может быть построен исходя из следующих соображений. Деля уравнение (13) на (9) и учитывая (12), получим
dQ |
/ - / н |
(15) |
dMnj: |
|
|
|
|
9