Определение влияния различных факторов на тепловой режим очистных забоев

Агентство по образованию Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Гидравлика и теплотехника

Тема: Определение влияния различных факторов на тепловой режим очистных забоев

Автор: студент гр. ИЗ-06-3 Быстрова Н.В.

Проверил:

Руководитель проекта: ст. преподаватель Смирнов Ю.М.

Санкт-Петербург

Содержание

Аннотация

1. Исходные данные к курсовому проекту

1.1 Задание

2. Теоретическое обоснование

2.1 Тепловой режим на очистных выработках глубоких рудников

2.2 Требования к системам регулирования теплового режима и их классификация

2.3 Термодинамические изменения параметров воздуха в рудниках

2.4 Тепловыделение породного массива

2.5 Общие сведения о методике тепловых расчетов рудничного воздуха

3. Примечания

4. Расчетная часть

5. Гистограммы влияния различных факторов на тепловой режим очистных забоев

6. Вывод

7. Список используемой литературы

Аннотация

Данная курсовая работа представляет собой проект расчета теплового режима очистных забоев. Определены зависимости изменения температуры воздуха в забое от мощности оборудования, работающего в забое; прироста относительной влажности, расхода воздуха в забое, длины забоя и естественной температуры пород, на входе в выработку. Зависимости представлены в виде гистограмм. На основе гистограмм сделан вывод о температурном режиме выработки.

1. Исходные данные к курсовому проекту

1.1 Задание

Определить влияние различных факторов на тепловой режим очистных забоев, построить гистограммы влияния Т_1,N,L на тепловой режим.

1.1    Начальные параметры:

1Часть периметра соприкасающаяся с закладкой U=10 м.

Часть периметра соприкасающаяся с горным массивом U=20 м.

Мощность оборудования N=100; 150; 300 кВт.

Расход воздуха в забое Q=10; 15; 30 м³/с.

Длина забоя L=100; 200; 300 м.

Естественная температура пород Т=24; 30; 36 град.

Прирост относительной влажности воздуха ∆φ=0,01; 0,03; 0,06.

8Температура воздуха на входе t=20град.

Коэффициент теплопроводности руды λ_п=3,5Вт/ (м∙град)

Сечение очистного забоя S=56 м².

Коэффициент шероховатости стенок выработки ε=4,0.

12Плотность воздуха ρ=1,32 кг/м³.

температуропроводность руды а=0,004 м²/с.

Время существования очистного забоя τ=2190 час.

Температура закладки Т_з=40 град.

1.2    Расчетная схема:

2. Теоретическое обоснование

2.1 Тепловой режим на очистных выработках глубоких рудников

Расчет температуры воздуха в очистных выработках выполняется по упрощенной зависимости:

Q_{з -} расход воздуха в забое, (м³/с);

t_{1 -} температура воздуха на входе в очистной забой, ⁰С;

 - мощность дизельных и электрических установок, кВт;

Т - естественная температура горного массива, ⁰С;

φ₁ и φ₂ - относительная влажность воздуха на входе и выходе очистного забоя, ед,

k_τ - коэффициент нестационарного теплообмена, ккал/ (м²∙час∙⁰С)

2.2 Требования к системам регулирования теплового режима и их классификация

Системой регулирования теплового режима шахты (рудника) называется определенный комплекс технических средств, взаимосвязанных по схеме расположения, выполняемым функциям и производительности, обеспечивающий заданные параметры поступающего в подземные выработки воздуха.

Во избежание интенсивного развития испарительных процессов и дополнительного пылеобразования в горных выработках необходимо одновременно с подогревом воздуха в зимний период осуществлять его увлажнение.

Все возможные системы регулирования теплового режима могут быть разделены на - обратимые и необратимые. В обратимых системах подогрев воздуха зимой и его охлаждение летом осуществляется одним и тем же комплексом оборудования, в котором изменяется в основном только направление тепловых процессов. Системы II группы имеют независимые комплексы, каждый из которых предназначен для изменения параметров воздуха лишь в одном направлении. Естественно, что необратимые системы следует считать менее совершенным.

Для подогрева рудничного воздуха или промежуточных теплоносителей могут быть использованы:

.        Выделение тепла при сжигании топлива; (в шахтных котельных или ТЭЦ)

2.       Превращение в теплоту эл. энергии; (в электрокалориферах)

.        Выделение скрытой теплоты фазовых превращений;

При отрицательных значениях температуры нагрева открывается возможность использовать скрытую теплоту фазового превращения без затрат внешней работы или энергии. Такого рода "безэнергетический" подогрев рудничного воздуха может быть осуществлен при замерзании воды, разбрызгиваемой в специальных башнях (гидрокалориферах), или при намораживании льда в воздухоподающих подземных выработках и траншеях.

.        Естественные теплоносители; (термические источники, вода, циркулирующая по глубоким скважинам и т.п.)

5.       Теплоотдача породного массива, окружающего в горные выработки;

.        Глубинное тепло земной коры.

Для охлаждения поступающего в шахты или рудники воздуха в летний период могут быть использованы:)    Холодоносители, полученные в холодильных установках;

b)      Естественные холодоносители;)     Поглощение скрытой теплоты при фазовых превращениях;)   Теплообмен с мерзлым породным массивом.

В практике охлаждения воздуха в глубоких шахтах и рудниках наибольшее распространение получили парокомпрессионные холодильные машины;

2.3 Термодинамические изменения параметров воздуха в рудниках

При движении вентиляционной струи от устья воздухоподающего ствола по сети подземных выработок до выхода на земную поверхность происходит изменение параметров воздуха вследствие различных тепловых и термодинамических процессов, происходящих в руднике.

Как правило, в воздухоподающих выработках температура воздуха повышается. На исходящей струе, в большинстве случаев, температура воздуха по сравнению с температурой в очистном забое несколько понижается.

Одним из основных процессов, влияющих на установление конечной температуры рудничного воздуха, является увлажнение его по пути движения по выработкам, сопровождающееся поглощением тепла из окружающей среды.

Чем большее количество воздуха поступает в единицу времени в рудник, тем меньше при всех прочих равных условиях уравнивание его температуры по пути следования по сети подземных выработок. Для одного и того же рудника величина уравнивания температуры воздуха при одной и той же скорости движения его по выработкам будет тем больше, чем длиннее путь вентиляционной струи.

Величина средних колебаний температуры воздуха в различных рудниках и выработках неодинакова и зависит от амплитуды колебаний температуры поступающего в ствол воздуха, глубины шахты, количества и скорости проходящего по выработкам воздуха, длины пути вентиляционной струи от околоствольного двора до пункта исследования.

Для создания нормальных атмосферных условий в подземных выработках рудников можно применить два основных способа:

) предотвращение нагревания рудничного воздуха без его искусственного охлаждения;

) применение искусственных способов охлаждения рудничного воздуха.

Основными в первой группе способов предотвращения нагревания вентиляционной струи являются различные горнотехнические мероприятия, к которым относятся:

а) рациональные скорости движения и расход воздуха, зависящие от вентиляционного режима рудника;

б) эффективные (с точки зрения теплового режима) схемы проветривания и системы разработки;

в) мероприятия по устранению (полному и частичному) влияния на тепловой режим местных источников тепла.

Осуществление соответствующих горнотехнических мероприятий на больших глубинах даст возможность уменьшить потребную холодопроизводительность установок для искусственного охлаждения воздуха.

2.4 Тепловыделение породного массива

Основными факторами, определяющими характер и количественную сторону теплообмена рудничного воздуха с горными породами, являются: температура и влажность в горных выработках, геотермический режим месторождения, теплофизические свойства горных пород, количество проходящего воздуха (скорость вентиляционной струй) и др.

Скорость движения воздуха влияет на тепловыделение горных пород следующим образом. С одной стороны, при увеличении скорости движения воздуха растет коэффициент теплоотдачи стенок выработки и в связи с этим теплосодержание вентиляционной струи возрастает. С другой стороны, тепло, отдаваемое горными породами, в этом случае распределяется на больший объем проходящего воздуха, а следовательно, теплосодержание воздушного потока уменьшается. Исследования показывают, что последний фактор преобладает. Обычно скорость вентиляционной струи, рассчитанная на удаление силикозоопасной пыли, не превышает 0,5 м/сек.

2.5 Общие сведения о методике тепловых расчетов рудничного воздуха

Процесс теплообмена является нестационарным и физическая модель его может быть представлена в общем виде следующим образом. В момент проведения горных выработок температура пород равна средней температуре горного массива на данной глубине. Эта температура определяется местом расположения шахты, геотермическим градиентом, глубиной залегания, характеристикой пород и другими факторами. В начальный момент величина тепловыделений определяется коэффициентом теплоотдачи α, зависящим, как известно, от числа Re, размеров и формы поперечного сечения и шероховатости стенок выработки. В начале процесса более интенсивно охлаждаются ближайшие к вентиляционной струе породные слои массива; при значительном удалении от поверхности охлаждения уменьшение температуры становится малозаметным. С течением времени, по мере охлаждения поверхностных слоев, увеличивается также и степень охлаждения пород на большей глубине.

Вследствие охлаждения поверхностных слоев возрастает их термическое сопротивление, ввиду чего происходит непрерывное уменьшение тепловыделений. Увеличение термического сопротивления переходу тепла от медленно охлаждающихся глубинных массивов через слои, имеющие во времени различную степень охлаждения (обратно пропорциональную их расстоянию от ограничивающей массив поверхности), приводит к тому, что распределение температур в массиве в каждый данный момент времени происходит по весьма сложным законам. Руководствуясь этой физической моделью, А.Ф. Воропаев, используя метод конечных разностей, установил качественное и количественное распределение нестационарных температур в околоствольных массивах при теплообмене стенок ствола с вентиляционной струей. При теоретическом решении задачи распределение температур определялось автором для бесконечного тела, ограниченного плоской поверхностью, с последующим приближенным переходом к цилиндрической форме ограничивающей поверхности. Такое упрощение процесса теплообмена между массивом и воздухом в точных решениях может быть допущено только для стволов угольных шахт из-за относительно незначительного влияния этого теплообмена (по сравнению с рудными шахтами, породы которых обладают значительно большей теплопроводностью) на изменение параметров воздуха в стволе. А.Ф. Воропаев предложил формулы для определения температуры воздуха в стволах глубоких угольных шахт с учетом влияния тепла горного массива и сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха. Составляя дифференциальное уравнение теплового баланса элемента выработки, А.Ф. Воропаев принял упрощающее допущение, что тепло от окислительных процессов равно теплу, расходуемому на увлажнение воздуха.

Наиболее распространенными в практике тепловых расчетов угольных шахт являются формулы, предложенные академиком А.Н. Щербанем, которые получены решением дифференциального уравнения теплопроводности полого горного массива, ограниченного цилиндрической поверхностью, при заданном законе ее теплообмена с воздухом и температуре, постоянной во времени. Положительным здесь является то, что решение уравнения произведено методом операционного исчисления, который наиболее подходит к решению такого рода задач (теплопередача цилиндрических тел). Анализ исходного уравнения позволил автору исследовать характер образования и роль в процессе теплообмена сезонных и суточных теплоуравнивающих оболочек. Из анализа этих решений, произведенного О.А. Кремневым, следует, что они больше приближаются к точным решениям для периода проветривания выработок от года до 10 лет.

Как показали исследования Ю.Д. Дядькина, график изменения температуры воздуха в выработке описывается выпуклой кривой, так как вследствие увеличения температуры воздуха и уменьшения напора теплоотдача пород по длине выработки уменьшается.

О.А. Кремнев предложил точное аналитическое решение задачи нестационарной теплопроводности бесконечных полых однородных цилиндров и дал критериальную зависимость, которая упрощает использование довольно сложных формул.

Наиболее ценны теоретические исследования О.А. Кремнева в области процессов теплообмена в очистных и подготовительных забоях.

Для прямых и обратных тепловых расчетов он предложил отдельные формулы для вертикальных стволов, горизонтальных и наклонных выработок и очистных забоев. Погрешности, получаемые при расчетах (несколько завышенные значения температур при обратных расчетах и заниженные - при прямых), обуславливаются тем, что автор принимает прямолинейный закон изменения влагосодержания воздуха независимо от характера изменения температуры в пределах расчетного участка.

В одной из последних работ Ю.Д. Дядькина подвергнуты всестороннему анализу существующие методы тепловых расчетов шахт и предложены формулы, которые получены из правильной физической модели нестационарного теплообмена в протяженных горных выработках и очистных забоях. Недостатком этих формул является то, что они не учитывают сезонных колебаний температуры атмосферного воздуха, которые по наблюдениям, проведенным ДГИ на металлических рудниках, оказывают существенное влияние на атмосферные условия в горных выработках.

Как указывает А.Н. Щербань, расчетная формула Ю.Д. Дядькина неприменима для горизонтальных и наклонных выработок средней и большей протяженности, так как автором принят прямолинейный закон изменения влагосодержания воздуха при постоянстве его относительной влажности по длине выработки, что не соответствует действительности.

Из приведенного обзора следует, что подавляющее большинство исследователей проводили изучение атмосферных тепловых условий и теоретические исследования вопросов теплообмена в горных выработках применительно к горнотехническим условиям глубоких угольных шахт.

3. Примечания

1. Параметр из формулы находится следующим образом:

где  - температура закладки, град;

-часть периметра соприкасающаяся с закладкой, м;

 - часть периметра соприкасающаяся с горным массивом, м;

 - естественная температура породы, град.

. Коэффициент нестационарного теплообмена k_τ находится из формулы

где Кu - критерий Кирпичева определяется по номограмме;

R₀ - эквивалентный радиус выработки, м;

λ_П - коэффициент теплопроводности пород на расчетном участке, Вт/ (м∙град).

. Эквивалентный радиус выработки R₀ находится по формуле

где S - площадь сечения выработки, м².

4. Критерий Био определяется по зависимости

где α - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м²∙⁰С).

. Коэффициент теплоотдачи находится по формуле

где ε - коэффициент шероховатости стенок выработки;

V - скорость воздуха, м/с;

ρ_В - плотность воздуха, кг/м³.

. Критерий Фурье находится по формуле

где а - температуропроводность горных пород на расчетном участке, м²/час;

τ - время проветривания расчетного участка, час.

4. Расчетная часть

4.1 Произведем расчет параметра :

.2 Произведем расчет параметра α: \

V	0,179	0,268	0,538
α	2,23	3,07	5,29

.3 Произведем расчет параметра Fo:

.4 Произведем расчет параметра Bi:

.5 Произведем расчет параметра k_τ:

 

при Ки=1,1 и при Ки=1,4 соответственно

.6 Произведем расчет параметра :

.7 Произведем расчет параметра :

=10+20=30

.8 Влияние Q на температуру воздуха в забое:

Q; м3/с	t2 при Q=10	t2 при Q=15	t2 при Q=30
N1L1 T1∆φ1	26,031	24,226	22,576
N2L2 T2∆φ2	28,391	25,874	23,576
N3L3 T3∆φ3	30,621	27,390	24,462

.9 Влияние N на температуру воздуха в забое:

N; кВт	t2 при N=100	t2 при N=150	t2 при N=400
L1 Q1T1∆φ1	26,031	26, 200	28,384
L2 Q2T2∆φ2	25,478	25,874	27,061
L3 Q3T3∆φ3	23,894	24,121	24,804

4.10 Влияние L на температуру воздуха в забое:

L; м	t2 при L=100	t2 при L=200	t2 при L=300
N1Q1T1∆φ1	26,031	27,279	28,153
N2 Q2T2∆φ2	24,916	25,874	26,545
N3 Q3T3∆φ3	23,759	24,374	24,804

4.11 Влияние T на температуру воздуха в забое:

T; 0С	t2 при T =24	t2 при T =30	t2 при T=36
N1L1 Q1∆φ1	26,031	26,674	27,278
N2L2 Q2∆φ2	25,328	25,874	26,391
N3L3 Q3∆φ3	24,102	24,462

4.12 Влияние ∆φ на температуру воздуха в забое:

∆φ;	t2 при ∆φ=0,01	t2 при ∆φ=0,03	t2 при ∆φ=0,06
N1L1 T1 Q1	26,031	25,835	25,537
N2L2 T2Q2	26,075	25,876	25,576
N3L3 T2Q3	25, 195	25,048	24,804

5. Гистограммы влияния различных факторов на тепловой режим очистных забоев

6. Вывод

Анализируя полученные результаты расчета теплового режима очистного забоя, выяснили, что, чем больше расход воздуха в забое, тем меньше температура в забое (t₂). Влияние мощности оборудования проявляется в увеличении температуры в забое с ростом N. Также, с ростом длины забоя, температура в выработке стремится к естественной температуре пород. С увеличением прироста относительной влажности температура в забое уменьшается.

тепловой режим глубокий рудник

7. Список используемой литературы

1.       Ю.Д. Дядькин. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера - М., 1968г.

2.       Ю.В. Шувалов, Ю.М. Смирнов. Тепловой режим очистных и тупиковых забоев глубоких рудников Норильска. В сб. Физико-Технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов. - Таллинн, 1979г.

.        П.Я. Богинский, В.С. Вепров, Ю.М. Смирнов, А.П. Фисенко. Приращение температуры воздуха при работе вентиляторов местного проветривания на параллельные воздуховоды. В сб. “Вентиляция шахт и рудников” - ЛГИ, 1978г. Вып.5

.        П.Я. Богинский, В.С. Вепров, Ю.М. Смирнов, С.Г. Гендлер и др. Тепловыделение при работе вентиляторов местного проветривания и влияние их на температуру воздуха, поступающего в подготовительные выработки. В сб. “Вентиляция шахт и рудников” - ЛГИ, 1977г. Вып.4