книги из ГПНТБ / Шемаханов, М. М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы учебник

2. Охлаждение участков, или полуцентрализованное охлажде­ ние (охлаждение части воздуха, проходящего по горизонту).

3.Местное охлаждение (охлаждение отдельных забоев в шахте).

4.Передвижные кондиционеры при частичном проветривании.

Наиболее простой и легкой, о точки зрения эксплуатации, является централизованная схема охлаждения воздуха на поверх­ ности. Однако применение этой схемы целесообразно лишь для забоев, находящихся на определенном расстоянии от воздухо­ подающего ствола, у устья которого на поверхности установлено холодильное оборудование, так как на большем расстоянии от ствола шахты наступает ухудшение климатических условий. Но это ухудшение наступает не по всему шахтному стволу одновре­ менно, а только на определенных участках.

Очевидно, развитие схем охлаждения воздуха будет происхо­ дить от местной до полуцентрализованной и централизованной. При этом большое значение имеет размещение холодильных ма­ шин и воздухоохладителей.

1. Холодильная машина и воздухоохладитель размещаются на поверхности.

Преимущества: а) выбор холодильного агента (хладоагента) не зависит от требований безопасности подземных работ; б) обес­ печение установки охлаждающей водой не представляет труд­ ности.

Недостатки: а) необходимо охлаждать весь поступающий в шахту воздух, хотя, возможно, на ряде горизонтов такого глу­ бокого охлаждения не требуется. Это вызывает излишние затраты средств и энергии; б) воздух по пути движения нагревается вследствие теплообмена с породой и при этом уменьшается его охладительный эффект; в) значительный перепад температур в стволе, околоствольном дворе и лавах, что опасно для здоровья рабочих.

По мнению акад. АН УССР А. Н. Щербаня, такая установка применима для шахт с весьма большим расходом воздуха, малой протяженностью выработок и примерно одинаковым расстоянием от лавы до околоствольного двора во все периоды разработки горизонта.

2. Холодильная машина размещается на поверхности, воздухо­ охладитель— под землей, где охлаждается весь проходящий воз­

холодильных установок; в) меньший объем горных работ и расхо­ дов на монтаж установки; г) удобный и простой способ отвода тепла конденсации в конденсаторах установки с замкнутой систе­ мой охлаждающей воды (градирни, брызгальные бассейны).

Недостатки: а) подача холодоносителя с поверхности на глу­ бокий горизонт при высоком давлении; б) большая протяженность трубопроводов холодоносителя и связанные с этим потери холода

162

печить нормальные климатические условия в отдельных забоях,

лавах или участках.

Местное охлаждение воздуха применяется для охлаждения в забоях или лавах, а участковое — для охлаждения воздуха в не­ скольких близко находящихся забоях или лавах.

Холодильное оборудование разделяют на три вида.

1. Стационарный — холодильная машина и воздухоохладитель установлены в одном месте под землей в течение всего времени эксплуатации. Такой способ обычно применяют при участковом охлаждении.

2.Передвижной — все холодильное оборудование передви­ гается в процессе работы в зависимости от потребности (подвигание забоя, лавы) на более удобное место.

3.Комбинированный — холодильная машина установлена ста­

ционарно, а воздухоохладитель (нестационарного типа) переме­ щается в зависимости от подвигания забоя или лавы.

В шахтах, где нет необходимости применять централизованную схему охлаждения, местные и участковые способы охлаждения воздуха являются наиболее простыми и эффективными. При этом отпадает надобность в теплоизоляционных трубопроводах в ство­ лах, сокращается длина трубопроводов как для подачи к воздухо­ охладителям, так и для канализации воды (у комбинированного вида).

Одной из сложных проблем является подвод и отвод воды, когда охлаждение воздуха в охладителях осуществляется водой.

Расположение воздухоохладителя может , быть следующих видов.

1. Центральное — в воздухоохладителе охлаждается весь воз­ дух, поступающий в лавы. Он может быть расположен на поверх­ ности, а также под землей в районе околоствольного двора.

§5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ

ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

Для получения температуры среды более низкой, чем темпера­ тура окружающей среды, в соответствии со вторым законом термо­ динамики необходимо осуществить обратный круговой процесс, обусловливающий передачу тепла от менее нагретого тела к более нагретому путем затраты работы.

164

Рассмотрим различные термодинамические холодильные циклы, с помощью которых создается температура более низкая, чем тем­ пература окружающей среды.

На рис. 88 показана диаграмма Т—s обратного кругового цикла Карно. В изотермическом процессе расширения 4—1 тепло (пл. 1—1'—4'—4), отнимаемое от источника тепло с низкой темпера­

+ пл. 1 — 2 — 3 — 4 = пл. Г — 2 — 3 —■4'.

Затраченная работа в цикле Aw = пл. 1—2—3—4, a q2 является холодопроизводительностью цикла.

Эффективность холодильного цикла, как указывалось ранее, определяется холодильным коэффициентом

g = _Д_ &-- л ’

Aw

характеризующим отношение холодопроизводительности q2 к за­ траченной работе. Очевидно, чем он выше, тем экономичнее холо­ дильный цикл. Холодильный коэффициент, в отличие от терми­ ческого к. п. д. гц, может и должен быть значительно больше единицы.

Для цикла Карно

Для идеального цикла Карно холодильный коэффициент, как это следует из выражения (192), не зависит от физических свойств рабочего тела и определяется лишь значениями температур 7ф и Т2. Чем выше Т2 и ниже Ti, тем больше е. Обычно Т2 опреде­ ляется температурой охлаждаемого тела, а Т\— температурой

165

окружающей среды (воды, воздуха). В холодильных циклах рабо­ чее тело, с помощью которого проводится холодильный процесс, называется холодильным агентом. Количество тепла, отнимаемого единицей количества холодильного агента от охлаждаемого тела, называется удельной весовой холодопроизводительностью <72 (ккал/кгс). Количество тепла, отнимаемого за 1 ч, представляет собой холодопроизводительность Q2 (ккал/ч).

Применяют также понятие объемной удельной холодопроизводительности qv, отнесенной к 1 м3 пароили газообразного холо­ дильного агента,

v

где v — удельный объем поступающего в компрессор холодильного агента.

Обратный цикл Карно теоретически является критерием оценки экономичности других холодильных циклов, получивших реальное осуществление в холодильных машинах.

Цикл газовой (воздушной) холодильной машины

Принципиальная схема воздушной холодильной машины пока­ зана на рис. 89 (ом. также рис. 29). В компрессор 1 из холодиль­ ной камеры 4 поступает при давлении pi и температуре Ti воздух.

После адиабатного сжатия в компрессоре до давления р2 и нагреве до температуры Т2 воздух проходит воздухоохладитель 2, где его температура при неизменном давлении р2 понижается до темпера­ туры Т\з, которая может быть доведена почти до температуры окружающей среды. Из воздухоохладителя воздух поступает в расширитель 3 (пневмодвигатель-детандер), в котором адиабатно расширяется до давления pi, а его температура понижается до Tt (становится ниже температуры окружающей среды). Воздух ста­

166

новится холодильным агентом и поступает в холодильную камеру,

167

Так как

( Тг \fc_i _ ( Т 3

то

откуда

ниже холодильного коэффициента для цикла Карно и холодильной паровой машины. Воздушная холодильная машина, изобретенная в 1845 г., уже в конце XIX в. из-за меньшей экономичности была вытеснена аммиачной и углекислотной холодильными машинами.

Воздух и другие газы имеют малую теплоемкость, что обуслов­ ливает их большие весовые расходы и значительные размеры ком­ прессора и расширителя. При работе на влажном воздухе с тем­ пературой ниже нуля в расширителе происходит снегообразование, ухудшающее работу установки.

Значительно большее применение имеет цикл паровой компрес­ сионной холодильной машины, для уяснения принципа действия которого следует познакомиться со свойствами холодильных аген­ тов, применяемых в этой машине.

Свойства холодильных агентов

Холодильные агенты — вещества, применяемые в холодильных установках для проведения обратного кругового процесса в соот­ ветствии со вторым законом термодинамики. Они делятся на три

168

группы: 1) с высокой температурой кипения (0</н< 60°С ); 2) с о средней температурой кипения (—50°<^Н< 0°С ) и 3) с низкой, температурой кипения (— 130°</н< —50°С).

К холодильным агентам, предъявляется ряд требований. Дав­ ление холодильного агента, поступающего в испаритель (при, наиболее низкой температуре в цикле) должно быть выше атмо­ сферного или близко к нему, так как при вакууме возможно заса­ сывание в систему воздуха, ухудшающего теплообмен между охлаждаемой средой и холодильным агентом в испарителе, т. е. ухудшается работа холодильной машины. Влажный воздух вноситводяные пары в холодильный агент, которые при низких темпера­ турах могут замерзнуть в трубках испарителя. Пары воды могут также попадать с воздухом в компрессор и образовывать с холо­ дильным агентом соединения, разъедающие металлические часта компрессора. При работе установки с давлением выше атмосфер­ ного утечку агента проще обнаружить по запаху, когда нарушается плотность соединения. Давление холодильного агента в конце сжатия не должно быть слишком высоким, так как это приводит- к усложнению и утяжелению конструкции машины, делает ее не­ безопасной и требует применения более плотных соединений воизбежание утечки холодильного агента.

Теплота парообразования г холодильного агента должна быть высокой, что позволяет уменьшить количество холодильногоагента для получения необходимой холодопроизводительности. Изприменяемых холодильных агентов наибольшую теплоту парообра­ зования имеет аммиак.

Размеры холодильной машины определяются отношением ,

ккал/м3, Чем больше это отношение, тем компактней холодильная-

машина. Наибольшее значение — имеет углекислота, что опре-

V

деляет небольшие размеры углекислотных машин. Желательно* иметь большую объемную холодопроизводительность холодильного агента, тогда благодаря малым объемам циркулирующего холо­ дильного агента уменьшаются размеры и вес компрессора.

Гидравлические потери в трубопроводах и клапанах зависят от удельного веса и вязкости холодильного агента, которые долж­ ны быть небольшими. Кроме того, при более низкой вязкости холо­ дильного агента улучшается теплообмен в конденсаторе и испари­ теле, благодаря чему сокращаются их поверхность и расход металла.

Растворение холодильных агентов в воде устраняет образова­ ние ледяных пробок и нарушение работы установки.

Холодильные агенты должны быть нейтральными к металлам: (даже в присутствии влаги) и прокладочным материалам, должныбыть негорючими и взрывобезопасными. Они должны обладать, запахом, цветом и другими свойствами, позволяющими обнаружить утечку.

!69

Аммиак, например, не разъедает сталь и фосфористую бронзу, :но вредно воздействует на медь и ее сплавы. Утечка аммиака легко обнаруживается по его резкому запаху. Тем не менее холо­ дильные агенты не должны быть ядовитыми, не должны вызывать удушья и раздражения слизистых оболочек газа, носа и дыхатель­ ных путей человека. Токсические действия холодильных агентов приведены в табл. 12.

Т а б л и ц а 12

удушье, поэтому в настоящее время как холодильный агент он почти не применяется.

Кроме того, холодильные агенты должны быть дешевыми. Таким многообразным требованиям ни один холодильный агент полностью не удовлетворяет, и выбор его решается в каждом от­ дельном случае, учитывая назначение, условия работы и конструк­ тивные особенности установки.

Наибольшее применение имеют холодильные агенты: аммиак, углекислота и фреоны — фтористые и хлористые производные насыщенных углеводородов.

Аммиак — бесцветный газ с резким удушливым запахом; в со­ единении с воздухом при концентрации 16—25% по объему взры­ воопасен; в присутствии влаги разрушает цветные металлы (цинк, бронзу, медь и ее сплавы); хорошо растворим в воде. По своим термодинамическим свойствам аммиак является одним из лучших холодильных агентов. Он относится к холодильным агентам со средней температурой кипения и применяется главным образом в поршневых холодильных машинах и турбокомпрессорах при наинизшей температуре до —60° С.

Ф реоны . Химическая формула фреонов, полученных из на­ сыщенных углеводородов СтНп замещением атомов водорода ато­ мами хлора С1 и фтора F, имеет вид Cml\x¥vC\z (x + y + z = n).

Для фреонов приняты сокращенные обозначения. У производ­ ных без атома водорода записывают в начале для метанового ряда

170

цифру 1, этанового — число 11, пропанового — 21, бутанового — 31, а затем цифру, выражающую число атомов фтора. При наличии атомов водорода у производных метана прибавляют к первой цифре, а у других производных ко второй цифре число атомов водорода. Например:

Наиболее распространены фреон-12 и фреон-22. Физические свойства фреона различны в зависимости от числа атомов фтора, хлора и водорода. С уменьшением числа атомов водорода умень­ шается воспламеняемость фреона, а с увеличением числа атомов фтора уменьшаются токсичность и коррозионная активность, уве­ личивается химическая стабильность. С увеличением числа атомов хлора повышается нормальная температура кипения фреонов.

Основное преимущество фреонов — относительная безвред­ ность, химическая инертность, негорючесть и взрывобезопасность.

Фреон-12 (дифтордихлорметан CF2C12) — бесцветный газ со сла­ бым специфическим запахом, который ощущается при концентра­ циях более 20%. Фреон-12 достаточно безопасен, лишь при содер­ жании его в воздухе более 30% по объему наступает удушье от недостатка кислорода. Он не взрывоопасен, однако курить ц рабо­ тать в помещении, где имеются фреоновые установки, нельзя, так

171