Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ БОРЬБЫ С ТУМАНОМ НА РУДНИКАХ

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для безопасности ведения горных работ.

Известно устройство для механизации способа борьбы с туманом на рудниках (см. патент РФ №2209875, МПК Е01Н 13/00, 10.08.2003), содержащее вихревую трубу с патрубком выхода теплового воздушного потока и трубопроводом отвода холодного воздушного потока, расположенным в водоотводной канавке и соединенным с патрубком выхода подогретого воздуха, причем на внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока расположены направляющие, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, закрученной против часовой стрелки, а на внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха расположены направляющие, кривизна которых образована по положительному вращению винтовой линии, закрученной по часовой стрелке.

Недостатком является снижение эффективности в процессе длительной эксплуатации из-за уменьшения выходных отверстий патрубков как для выхода теплого воздуха, так и выхода подогретого воздуха из-за налипания на их внутренние поверхности загрязнений в виде ржавчины и/или окалины, образующихся при окислении движущимся сжатым воздухом, насыщенным парообразной и мелкодисперсной каплеобразной влагой, а это, в конечном итоге, препятствует более полному рассеиванию тумана в горной выработке.

Известно устройство для борьбы с туманом на рудниках (см. патент РФ №2392441 МПК E21F 3/00, Е21Н 13/00, опубл. 20.05.2010, Бюл. №17), содержащее вихревую трубу с патрубком выхода теплого воздушного потока и трубопроводом отвода холодного воздушного потока, расположенным в водоотливной канавке и соединенным с патрубком выхода подогретого воздуха, причем на внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока расположены направляющие, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, закрученной против часовой стрелки, а на внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха расположены направляющие, кривизна которых образована по положительному вращению винтовой линии, закрученной по часовой стрелке, причем корпусы патрубка выхода теплого воздушного потока и патрубка выхода подогретого воздуха выполнены из биметалла, при этом материал внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности, а материал внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности.

Недостатком является повышенная энергоемкость при длительной эксплуатации из-за выполнения внеплановых демонтажных работ по замене трубопровода отвода холодного воздушного потока, расположенного в водоотводной канавке, что обусловлено интенсивным образованием ржавчины на используемых металлических трубопроводах, постоянно контактирующих с водой или с воздухом окружающей среды при снижении уровня жидкости в водоотливной канавке, а это еще более интенсифицирует окисление внешней поверхности трубопровода, приводя его к аварийному состоянию.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности удаления тумана в горной выработке путем продления срока эксплуатации трубопровода отвода холодного воздушного потока в условиях коррозийного воздействия жидкости в водоотливной канавке за счет выполнения трубопровода из композитного трехслойного материала с покрытием металлической оплетки среднего слоя гидроизоляционными внутренним и внешним слоями, что обеспечивает механическую прочность и практически устраняет дополнительные аварийные демонтажные работы и, в конечном итоге, снижает стоимость устройства для борьбы с туманом на рудниках.

Технический результат по повышению надежности длительной эксплуатации в условиях коррозийных воздействий достигается тем, что устройство для борьбы с туманом на рудниках содержит вихревую трубу с патрубком выхода теплого воздушного потока и трубопроводом отвода холодного воздушного потока, расположенным в водоотливной канавке и соединенным с патрубком выхода подогретого воздуха, при этом на внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока расположены направляющие, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, закрученной против часовой стрелки, а на внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха расположены направляющие, кривизна которых образована по положительному вращению винтовой линии, закрученной по часовой стрелке, причем корпусы патрубка выхода теплого воздушного потока и патрубка выхода подогретого воздуха выполнены из биметалла, при этом материал внутренней поверхности патрубка выхода теплого воздушного потока имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности, а материал внутренней поверхности патрубка выхода подогретого воздуха имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности, причем трубопровод отвода холодного воздушного потока выполнен из композитного трехслойного материала, включающего средний слой из металлической оплетки, а внутренний и наружный слои из гидроизоляционного материала, кроме того, наружный слой выполнен гофрированным.

На фиг.1 показана принципиальная схема устройства для борьбы с туманом на рудниках; на фиг.2 - биметаллический патрубок выхода подогретого воздуха с направляющими, расположенными по отрицательному вращению винтовой линии, на фиг.3 - биметаллический патрубок выхода подогретого воздуха с направляющими, расположенными по положительному вращению винтовой линии, на фиг.4 - разрез трубопровода отвода холодного воздушного потока из композитного трехслойного материала.

Устройство для борьбы с туманом на рудниках включает компрессор (не показано), расположенный вне горной выработки 1 с туманом, где установлена вихревая труба 2 с одним выходом 3 теплого воздушного потока вверх и другим выходом 4 холодного потока вниз. Трубопровод 5 подачи сжатого воздуха от компрессора к вихревой трубе 2, патрубок 6 выхода теплого воздушного потока с направляющими 7, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, трубопровод 8, расположенный в водоотливной канавке 9, патрубок 10 выхода подогретого воздуха с направляющими 11, кривизна которых образована положительным вращением винтовой линии. Патрубки 6 и 10 выполнены из биметалла, при этом материал 12 внутренней поверхности патрубка 6 выхода теплого воздушного потока имеет коэффициент теплопроводности материала в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала 13 наружной поверхности патрубка 6, а материал 14 внутренней поверхности патрубка 10 выхода подогретого воздуха имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза меньше, чем коэффициент теплопроводности материала 15 наружной поверхности патрубка 10.

Трубопровод 8, расположенный в водоотливной канавке 9, выполнен из композитного материала таким образом, что внутренний слой 16 является гидроизоляционным материалом (например, стеклоэмалевые марок 105Т ВНИИСТ с коэффициентом теплопроводности до 0,52 Вт/(м·°С) ТУ 84-725-83), средний слой 17 представляет металлическую оплетку для поддержания механической прочности трубопровода 8, а наружный слой 18 также является гидроизоляционным материалом с коэффициентом теплопроводности, близким по значению коэффициенту теплопроводности жидкости в водоотливной канавке 9 (коэффициент теплопроводности воды 0,55 Вт/(м·°С), и выполнен гофрированным.

Устройство для борьбы с туманом на рудниках работает следующим образом.

Расположение трубопровода 8 из композитного трехслойного материала погруженным в жидкость водоотливной канавки S с внешним слоем 18 из гидроизоляционного материала, имеющего коэффициент теплопроводности, близкий по значению к коэффициенту теплопроводности жидкости, приводит к равномерному распределению теплового потока с практически постоянным градиентом температур, что способствует равномерному распределению теплового потока по всей длине погруженного в жидкость трубопровода, а выполнение внешнего слоя 18 с гофрированной поверхностью дополнительно интенсифицирует процесс передачи тепла за счет увеличения площади теплообмена (см., например, стр.66, Коваленко Л.Н., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М.: Энергоатомиздат, 1986. 240 с.). Все это в конечном итоге обеспечивает при необходимой прочности трубопровода 8 из композитного трехслойного материала (металлическая оплетка среднего слоя) эффективный процесс подогрева воздуха с выходом холодного воздушного потока из вихревой трубы 2.

По трубопроводу 5 сжатый воздух от компрессора (не показано) поступает в вихревую трубу 2, где разделяется на два потока: теплый и холодный. После этого по выходу 3 вверх теплый воздушный поток направляется в выработку 1 с туманом через патрубок 6 выхода теплого воздушного потока. При перемещении теплого воздушного потока по направляющим 7, кривизна которых образована по отрицательному вращению винтовой линии, он закручивается против часовой стрелки. Т.к. во всасываемом в компрессор атмосферном воздухе постоянно находится значительное количество как парообразной, так и мелкодисперсной влаги, то по мере движения сжатого в вихревой трубе 2 теплого воздушного потока наблюдается интенсивное окисление внутренней поверхности вихревой трубы 2 с образованием перемещающихся частиц твердых загрязнений в виде окалины и ржавчины. Все эти частицы направляются в патрубок 6 выхода теплого потока, где и залипают на внутренней поверхности 12 и, соответственно, на направляющих 7, уменьшая тем самым полезную поверхность выходного отверстия патрубка выхода теплого воздушного потока 6, что приводит к увеличению скорости потока, поступающего в выработку 1. А это приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления патрубка 6, т.е. к дополнительным энергозатратам процесса удаления тумана при невысокой эффективности его рассеивания из-за проскока части теплого воздушного потока 3 без контакта с туманообразной массой в горной выработке 1.

Для устранения данного явления корпус патрубка 6 выполнен из биметалла таким образом, что материал внутренней поверхности 12 имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности 13. В этом случае при разности температур (температура внутренней поверхности 12 патрубка 6, контактирующей с теплым воздушным потоком, выше, чем температура внешней поверхности 13, контактирующей с воздухом окружающей среды в горной выработке 1) материалов биметалла между внутренней 12 и наружной 13 поверхностями возникает максимальный температурный градиент, направленный к внешней поверхности 12 (см., например, Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Наука, 1980. 469 с.). Возникающая в этом случае величина термовибрации достигает значений, обеспечивающих устранение возможности залипания твердых частиц загрязнений на внутренней поверхности 12 и на направляющих 7 патрубка 6 (см., например, Дмитриев В.П. Биметаллы. Пермь: Наука, 1991. 487 с.). В результате наблюдается поддержание нормированных размеров выходного отверстия патрубка 6, т.е. обеспечивается полное контактирование теплого воздушного потока 3 с туманообразной массой в горной выработке 1.

При этом твердые частицы загрязнений, выбрасываемые из патрубка 6, являются дополнительным «ядром конденсации» мелкодисперсной и парообразной влаги, что также способствует более интенсивному рассеиванию тумана в горной выработке 1. Кроме того, под действием теплого и закрученного на выходе из патрубка 6 против часовой стрелки потока сжатого воздуха, поступающего в горную выработку 1 с туманом, рудничный воздух нагревается, а туман интенсивно рассеивается по всему пространству горной выработки 1, начиная от выходного патрубка 6 теплого воздуха. Одновременно часть холодного воздушного потока 4 после разделения в вихревой трубе 2 направляется по трубопроводу 8, расположенному в водоотливной канавке 9, нагревается и поступает в горную выработку 1 с туманом уже как поток подогретого воздуха. Подогретый воздух, поступающий в компрессор при всасывании из атмосферы и насыщенный паро- и каплеобразной влагой, интенсивно окисляет внутреннюю поверхность элементов трубопроводов между компрессором и вихревой трубой, а также внутреннюю поверхность вихревой трубы 2, образуя ржавчину и/или окалину, которые перемещаются по композитному трехслойному материалу трубопровода 8 и далее к патрубку 10, где, проходя по направляющим 11, кривизна которых образована положительным вращением винтовой линии, закручиваются по часовой стрелке, что приводит к рассеиванию тумана по выработке 1, начиная от выходного отверстия патрубка 10 выхода подогретого воздуха.

В связи с тем, что температура воды, находящейся в водоотливной канавке 9, выше, чем температура воздуха, то он нагревается. Корпус патрубка 10 выхода подогретого воздуха выполнен из биметалла таким образом, что коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности 15 выше коэффициента теплопроводности материала внутренней поверхности 14. В этом случае в материале внутренней поверхности 15 биметаллического корпуса патрубка 10 возникает максимальный температурный градиент для данной разности температур воды и подогретого воздуха, направленный в сторону внутренней поверхности 14. Т.к. теплота от воды водоотливной канавки более интенсивно проходит материал наружной поверхности, то коэффициент теплопроводности материала наружной поверхности в 2,0-2,5 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала внутренней поверхности 14 патрубка 10. Соприкосновение закрученных в противоположных направлениях теплого и подогретого потоков сжатого воздуха с твердыми частицами загрязнений приводит к образованию множества отдельных микрозавихрений в рудничном воздухе по всему объемному пространству выработки 1. В результате осуществляется полное устранение образования застойных зон в выработке 1 с туманом, т.е. наблюдается более полное рассеивание тумана.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение эффективности борьбы с туманом на рудниках осуществляется путем поддержания нормированных параметров подогретого воздуха, выходящего из трубопровода отвода холодного воздушного потока, расположенного в водоотливной канавке, за счет выполнения трубопровода в виде композитного трехслойного материала с гофрированной внешней поверхностью и обеспечивающего не только практическое устранение коррозийного износа как внутренней, так и наружной поверхностей, но и создающего условия более интенсивного процесса подогрева холодного воздушного потока жидкостью в водоотводной канавке посредством увеличения площади теплообмена и выравнивания температурных градиентов по длине трубопровода. Это обеспечивает не только снижение эксплуатационных расходов, связанных с демонтажем коррозийно разрушенного трубопровода в водоотливной канавке при длительной работе устройства для борьбы с туманом на рудниках, но и интенсифицирует удаление тумана из-за наличия более высокой температуры подогреваемого воздуха, соприкасающегося с теплым в виде противоположно закрученных потоков.