Кондиционирование воздуха и калориферные установки

2.7. Кондиционирование воздуха

Нормальная жизнедеятельность и работоспособность людей в выработках 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 ⁰С, 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 ⁰. 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 ( ⁰С/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 + (Н — Н_{н. з}) (1)

В условиях Донбасса tД, = 8 ⁰С.

3. Окислительные процессы угля, пород и крепежного материала.

4. Соприкосновение воздуха 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. 45).

Парокомпрессорная холодильная установка (ПКХУ) состоит из следующих основных элементов (рис. 45, а): компрессора (машины для сжатия газа) 1, конденсатора 2, детандера (расширительной машины) 3 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 5 и 6 показано 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. 45, 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 этапа. 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. 45, 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 2 жидкостью — абсорбентом (поглотителем). В абсорбере образуется раствор из двух компонентов — хладагента и абсорбента. Этот раствор перекачивается насосом 3 из 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 6 в 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 8 показано 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 ⁰С вода циркулирует в системе кондиционирования.

В шахтных условиях применяют следующие схемы кондиционирования :

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

- полуцентрализованное охлаждение части воздуха, поступающего на группу горных участков;

- местное охлаждение воздуха, поступающего в отдельные забои;

- 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, peryлирующего 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.