Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА В ШАХТАХ

Изобретение относится к способам подогрева различных объектов и предназначено преимущественно для использования при подогреве воздуха, подаваемого в шахту.

Известен способ подогрева воздуха (патент РФ 2277205, МПК F24F 3/147), согласно которому воздух периодически подают вентиляторами из помещения на улицу и с улицы в помещение через устройство теплоаккумулирующей насадки со слоем сорбента со стороны вентиляционного объекта. Недостатком этого способа является сложность регулирования температуры входящего воздуха и невозможность использования в шахтах и тоннелях из-за недолговечности теплоаккумулирующего слоя.

Известен также способ нагрева воздуха с использованием электронагревательного элемента и послойной взаимовстречной подачей к нему воздуха (патент РФ 2280821, F24H 3/04). Недостатком этого способа является большое потребление электроэнергии и низкая экономичность.

Наиболее близким техническим решением является способ подогрева воздуха, подаваемого в шахту, предусматривающий подачу воздуха в ствол шахты через источник тепла, состоящий из парового калорифера (А.с. 907359, кл. F24H 3/02).

Недостатком известного способа является низкая эффективность из-за потерь тепла, значительные затраты на получение пара и низкая надежность. Использование в известном способе калориферной установки требует устройств для сжигания топлива, подогрева в нем воды до парообразного состояния и подачу его по трубопроводам к калориферу, установленному в стволе. В результате стоимость подогрева воздуха существенно возрастает, происходят потери тепла в трубопроводах. Кроме того, резко снижается возможность управления количеством тепла, передаваемого воздуху. Поэтому при резких перепадах температуры атмосферного воздуха в шахте могут создаваться некомфортные по метеорологическим параметрам условия.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности способа подогрева воздуха в шахтах.

Технический результат достигается тем, что в способе подогрева воздуха в шахтах, включающем подачу воздуха через источник тепла, согласно изобретению в качестве источника тепла используют горючий газ, сжигаемый в стволе в потоке поступающего в шахту воздуха, причем дополнительно внутреннюю поверхность ствола на протяжении горения горючего газа покрывают теплоизоляционным несгораемым теплоотражающим покрытием, а также измеряют расход и температуру поступающего в шахту воздуха, а расход горючего газа определяют по формуле

где G - расход горючего газа для сжигания в потоке воздуха, м³/с;

G_V - расход воздуха, подаваемого в шахту, м³/с;

с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);

ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м³;

Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м³;

t₁ - температура воздуха, поступающего в шахту, К;

t₂ - температура воздуха после подогрева, К.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве горючего газа используют метан, получаемый при дегазации угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства.

Сжигание горючего газа, например метана, водорода и других предельных и непредельных углеводородов непосредственно в потоке подаваемого в шахту воздуха позволит отказаться от котельных, трубопроводов для подвода пара или горячей воды. Одновременно предотвращается потеря тепла при транспортировке теплоносителя, так как все выделяемое при сжигании газа тепло отдается поступающему в шахту воздуху. Появляется возможность быстро изменять температуру воздуха, управляя расходом сжигаемого горючего газа.

Проведенный анализ показал, что сжигание горючих газов, например метана, происходит следующим образом

СН₄+2(O₂+3,76N₂)=СO₂+2Н₂O+2·3,76N₂.

В результате этой реакции на сгорание 1 м³ метана требуется 9,52 м³ воздуха, а образуется 1 м³ углекислого газа, 2 м³ водяного пара и 7,52 м³ азота.

Теплота сгорания метана равна 36000 кДж/м³. Выделяемое при сжигании газа тепло расходуется на подогрев воздуха. Параметры воздуха после подогрева можно описать уравнением

где Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м³;

с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);

ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м³;

V - объем воздуха, м³;

t₁ - температура воздуха, поступающего в шахту, К;

t₂ - температура воздуха после подогрева, К.

Принимая, что плотность воздуха равна 1,2 кг/м³, удельная теплоемкость воздуха равна 1 кДж/(кг·К), а теплота сгорания метана равна 36000 кДж/м³, подсчитаем количество подогретого воздуха при условии, что температура поступающего воздуха равна -40°С, а подогрев его осуществляется до +20°С. Подставляя исходные данные в уравнение (1), получаем, что сжигание 1 м³ метана достаточно для подогрева 500 м³ воздуха на 60 градусов (от температуры -40°С до +20°С).

Количество кислорода в образующейся смеси равно

где С_к - количество кислорода в смеси воздуха и продуктов горения, %;

V_в - объем подаваемого воздуха, м³;

С_кв - концентрация кислорода в атмосферном воздухе, % (21%);

V_с - объем подогретого воздуха (смесь подаваемого воздуха и продуктов сгорания), м³.

Подставляя исходные данные в формулу (2), получаем, что концентрация кислорода в подогретом воздухе при самых неблагоприятных метеорологических условиях равна 20,6%, что соответствует требованиям правил безопасности.

Для расчета расхода горючего газа, необходимого для подогрева подаваемого воздуха, составим уравнение теплового баланса

где G - расход горючего газа для сжигания в потоке воздуха, м³/с;

G_V - расход воздуха, подаваемого в шахту, м³/с;

с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);

ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м³;

Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м³;

t₁ - температура воздуха, поступающего в шахту, К;

t₂ - температура воздуха после подогрева, К.

Расход горючего газа, необходимого для подогрева атмосферного воздуха, получаем из уравнения (3):

Для повышения эффективности способа в качестве горючего газа для подогрева воздуха используют метан, получаемый при дегазации угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства.

Способ осуществляют следующим образом. Для подогрева атмосферного воздуха, подаваемого в шахту в зимний период, в вентиляционный ствол подводят, например, трубопровод с метаном, откачиваемым из угольных пластов, вмещающих пород и выработанного пространства, снабженный источником зажигания газа. Концентрация метана в подаваемом газе должна превышать верхний концентрационный предел взрываемости. Внутреннюю поверхность вентиляционного ствола на всем протяжении горения подаваемого газа покрывают теплоизоляционным несгораемым теплоотражающим покрытием для снижения потерь выделяемого тепла и предотвращения пожара. Для расчета расхода горючего газа измеряют расход и температуру поступающего в шахту воздуха.

Пример применения способа. В результате сезонного похолодания температура подаваемого в шахту воздуха снизилась до -20°С. Для поддержания требуемых метеорологических условий в шахте возникла необходимость подогревать поступающий воздух до температуры +20°С. Нагрев воздуха осуществлялся за счет сжигания метана, получаемого при дегазации угольного пласта и вмещающих пород, в потоке воздуха, поступающего в шахту. Расход подаваемого в шахту воздуха равен 6000 м³/мин. Теплота сгорания метана 36000 кДж/м³. Принимая, что плотность воздуха равна 1,2 кг/м³, удельная теплоемкость воздуха равна 1 кДж/(кг·К), подсчитывают расход горючего газа по формуле

где G - расход горючего газа для сжигания в потоке воздуха, м³/с;

G_V - расход воздуха, подаваемого в шахту, м³/с;

с - удельная теплоемкость подаваемого в шахту воздуха, Дж/(кг·К);

ρ - плотность подаваемого в шахту воздуха, кг/м³;

Q - теплота сгорания горючего газа, Дж/м³;

t₁ - температура воздуха, поступающего в шахту, К;

t₂ - температура воздуха после подогрева, К.

Расчет показал, что для подогрева подаваемого воздуха до температуры +20°С необходимо сжигать в потоке воздуха метан с расходом 8 м³/мин. Для безопасного сжигания метана внутреннюю поверхность ствола на протяжении горения горючего газа покрывают теплоизоляционным несгораемым теплоотражающим покрытием. Расчеты и последующие замеры показали, что температура воздуха после нагрева равнялась 20°С, а концентрация кислорода в нагретом воздухе равнялась 20,7%, что соответствовало требованиям правил безопасности. Таким образом, применение предложенного изобретения позволило повысить эффективность подогрева воздуха за счет снижения расхода на вспомогательное оборудование (котельная, калорифер) и уменьшения потерь тепла в окружающее пространство.

Применение предложенного способа позволяет повысить эффективность подогрева воздуха, подаваемого в шахту, и снизить затраты на создание благоприятного микроклимата на рабочих местах.