Ю. А. Боев, Д. Л. Безбородов, Д. С. Чаленко, Е. К. Сафонова, А. Л
advertisement
К вопросу усовершенствования калориферных установок при обогреве шахтных стволов Боев Ю.А., Безбородов Д.Л., Чаленко Д.С., Сафонова Е.К., Попов А.Л. В последние годы наблюдается тенденция к увеличению поступающего в рудники воздуха и появлению ряда осложнений при эксплуатации воздухоподающих стволов. При использовании калориферных установок важным является не только обеспечение равномерного обогрева шахтного воздухоподающего ствола, а и снижение энергетических затрат при работе данных установок. Большинство существующих систем обогрева имеют значительный процент износа и существенные потери тепла, то есть являются недостаточно энергоэффективны, являются морально устаревшими и слабопроработанными как в научном так и в проектном планах, что оказывает неблагоприятное влияние на сезонные и суточные колебания температур воздуха воздухоподающих стволов и, как результат, могут провоцировать снижение безопасности ведения горных работ. Калориферная установка – это комплекс системы воздухоподготовки включающий надшахтное здание, калориферную и ствол на участке от устья до зоны полного выравнивания температур по его сечению, от которого зависит эффективность обогрева шахтного ствола и формирование его температурного режима. Источником тепловой энергии шахты им. В.И. Ленина ГП «Артемуголь» является котельная, в которой установлены 5 паровых котлов в том числе: 2 - КЕ 10-14 и 3 - ДВКР 10-13, работающих в водогрейном режиме по системе котел-бойлер. Горячая вода с температурой 150 °С поступает из бойлера на гребенку и через нее на водо-воздушные калориферы шахтных стволов типа КВБ 12. Общий вид и места установки калорифера представлены на рис. 1-2. Рисунок 1 - Общий вид калорифера КВБ 12 Рисунок 2 - Разрез шахтного ствола №8 Технические характеристики калорифера КВБ 12 представлены в таблице 1. Таблица 1 - Технические характеристики калорифера КВБ 12 Наименование Производительность калорифера: -по теплу, кВт -по воздуху, м 3/ч Площадь поверхности нагрева, м 2 Габариты калорифера, мм: -длина -высота -глубина Показатель 475 25000 160,5 1655 1551 220 Для снижения нерациональных потерь тепла при обогреве шахтных стволов была сделана попытка усовершенствовать существующий на шахте им. В.И. Ленина ГП «Артемуголь» калорифер КВБ 12 путем совершенствования его конструктивных параметров. На сегодняшний день затраты тепла, расходуемого на калориферную установку, составляют от 30 до 50 % всего количества тепла используемого на шахте. Это связано с тем, что затраты тепла на установленных калориферах с точки зрения энергосбережения не соответствуют следующим требованиям [1]: - применение в качестве греющего теплоносителя преимущественно высокотемпературной воды или пара. - обеспечение нагрева поступающего воздуха до температуры не менее +2°С при любой температуре наружного воздуха из расчетного диапазона, установленного отраслевыми нормами технологического проектирования, СНиП II-A-6 - 72; герметизации копра и устья воздухоподающего ствола и недопущение относительных подсосов холодного воздуха через все неплотности воздушного тракта выше 20 % (ГОСТ 7201-80). - теплоотдающая поверхность калориферной установки должна состоять из многоходовых калориферов одного типа и модели, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 7201 - 80, соединяться с источником тепла автономным двухтрубным теплопроводом и обеспечивать одинаковые расходы воды через все работающие блоки калориферов; воздушный тракт должен обеспечивать одинаковые расходы воздуха через блоки калориферов и отдельные калориферы внутри блоков. Степень неравномерности нагрузки колонн калориферов воздухом должна быть не более 15 %. - преимущественным направлением движения воды в труб ках калориферов должно быть сверху вниз со скоростью не менее 0,3 и не более 0,8 м/с, (ГОСТ 7201 - 80), давление воды в любой точке гидравлического тракта калориферной установки допускается не более 1,2 МПа по условию механической прочности калориферов и не менее 0,3 - 0,5 МПа по условию невскипания энергоносителя, (ГОСТ 7201 - 80). Отечественная промышленность выпускает калориферы типов ВНВ, КСК и КВБ, анализ работы которых показал, что в калориферах ВНВ с увеличением количества ходов при равной производительности по воздуху, теплопроизводительность возрастает на 14,25 - 38,35 % при увеличении площади нагрева на 32,3 - 31,26 % , соответственно: при этом максимальная теплопроизводительность достигается при расходе воздуха 24000 м 3/ч и составляет 621,64 кВт с площадью поверхности нагрева 149,5 м 2 у калориферов ВНВ 113-412, а минимальная – у калориферов ВНВ 113-306 – 47,12 кВт с площадью поверхности нагрева 11,56 м 2. В калориферах КСК теплопроизводительность меняется на 4,6%отн от 120,9 до 417,4 кВт при изменении площади поверхности нагрева от 30,8 до 114,5 м 2. При этом производительность по воздуху изменяется от 2500 до 25000 м 3/ч. Таким образом, в данном калорифере изменение числа ходов не приводит к значительному повышению теплопроизводительности, а сопровождается ростом производительности по воздуху, и при прокачке большого количества воздуха площадь поверхности нагрева и теплопроизводительность меняются незначительно. На шахте им. В.И. Ленина ГП «Артемуголь», как было сказано выше, установленые калориферы типа КВБ 12 имеютвысокая энергоемкость и низкая энергоэффективность. Теплотехнический расчет показал, что тепловой поток рассеиваемый пластинами составляет 466,46 кВт, а тепловой поток рассеиваемый неоребренной поверхность труб - 9,34 кВт при тепловой мощности калорифера 475,8 кВт. При этом коэффициент теплоотдачи составляет 37,8 , что ниже допустимого максимального на 17,4% отн при интервале возможного 18-47 Вт/(м2с). При площади фронтального сечения 2,499м 2 производительность по воздуху составляет 25000 м 3/ч, что находится на нижнем пределе допустимых значений и подтверждает ранее сделанный вывод о несовершенстве конструкции. Анализ таблицы показал, что данный калорифер является недостаточно энергоэффективным, имеет большие габаритные размеры и маленькую теплоотдачу относительно общего объема. Целесообразно разработать предложения по совершенствованию конструкции калориферов системы отопления расчетной мощности 14,25 МВт при параметрах теплоносителя 130-150°С для условий работы при расчетной температуре наружного воздуха до (-30°С). Известно, что для повышения коэффициента теплопередачи в калориферах можно использовать пластинчатые поверхности в виде гофрированных пластин, которые насаживаются на трубы, по которым циркулирует теплоноситель, взамен трубчатого или секционного профиля. Из-за искусственной турбулизации потоков воздуха в каналах сложной формы, образованных гофрированными пластинам, коэффициент теплопередачи в пластинчатых формах в 1,3 - 2 раза больше, чем в секционных. [2] Важным этапом анализа являлось исследование, связанное с оптимизацией оребрения, то есть увеличение площади эффективно омываемой поверхности ребер, что возможно при изменения их угла наклона и высоты , а так же межреберного пространства. При обтекании тел потоком газа часто значение конвективного коэффициента теплоотдачи является достаточно малым. В этом случае термическое сопротивление можно заметно уменьшить за счет увеличения поверхности нагрева или ее оребрения [4]. Предлагается усовершенствовать существующую конструкцию калорифера путем применения гофрированного оребрения пластин и насадки их на трубы при неизменных габаритах кожуха. Общий вид калорифера и гофрированной пластины представлены на рис. 3-4. Рисунок 3 – Общий вид предлагаемого калорифера 4 αр Рисунок 4 – Чертеж гофрированной пластины h Для достижения максимальной теплоотдачи необходимо было выбрать оптимальную конфигурацию ребра, угол его наклона и высоту, обеспечивающих высокие коэффициенты теплопереноса и минимальные габариты конструкции. Были рассчитаны тепловые потоки, рассеиваемые: ребрами,межреберной поверхностью, полностью оребренной пластиной, трубой с насаженными на ней оребренными пластинами. Так как площадь оребрения зависит от высоты и угла наклона ребра, то рассматривались пластины с высотой ребра от 9,5 мм до 13,5 мм при изменении высоты ребра с шагом 2 мм. Угол наклона исследовался в интервале от 6° до 90° с шагом 6 °. На рисунке 5 представлено влияние угла наклона на площадь ребра и количество ребер на пластине. Sр, м2 0,00530 0,00480 0,00430 0,00380 0,00330 0,00280 n, 150,0 штук 100,0 50,0 0,0 0 20 40 60 80 100 α, град Рисунок 5 - Зависимость площади ребра и количества ребер на пластине от угла На рисунках 6-8 изображено влияние угла наклона ребра на тепловую мощность калорифера. Показано, что минимальная площадь ребра при угле 6° позволяет устанавливает максимальное количество ребер на пластине и получить максимальный тепловой поток полностью оребренной пластины (рис. 7). Скорость снижения теплового потока максимальна при углах наклона ребра в интервале от 6° до 24°, в дальнейшем при изменении угла наклона ребра в интервале от 24° до 60° скорость снижается в 2 раза, а в интервале от 60° до 90° практически остается неизменной, то есть не приводит к увеличению теплового потока. Qp, Вт 12 10 8 h=9,5 мм 6 h=11, 5 мм 4 h=13, 5мм 2 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 α, град Рисунок 6 - Зависимость теплового потока ребра от угла наклона вершины гофры при различных значениях высоты ребра Q пл, Вт 600,00 h=9,5 мм 500,00 h=11,5мм 400,00 h=13,5 мм 300,00 Исходная пластина 200,00 100,00 0,00 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 α, град Рисунок 7 - Зависимость теплового потока пластины от угла наклона вершины гофры при различных значениях высоты ребра На рисунке 8 представлен обобщенный результат влияния конфигурации оребрения пластины на тепловую мощность калорифера в целом. N, кВт 900 h=9,5 мм 800 700 h=11,5 мм 600 h=13,5мм 500 Исходная мощность калорифера 400 300 200 100 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 α, град Рисунок 8 - Зависимость тепловой мощности калорифера от угла наклона ребра при различных значениях высоты ребра Анализ рисунков 6-8 показал, что при изменении угла наклона ребра от 55° до 90° площадь ребра увеличивается от 0,0041 до 0,00528 м 2 (22,3%отн). Рост угла при этом количестве ребер на пластине меняется незначительно и составляет при 55° - 18 штук, а при 90° - 9 штук. Повышение угла наклона ребра от 6° до 54° приводит к увеличению площади ребра от 0,003м 2 до 0,0037м2 (на 18,9% отн) при уменьшении количества ребер от 160 при 6° до 18° при угле 54°.При увеличении угла от 6° до 24° количество ребер уменьшается практически вдвое от 160 до 8 штук. Так как каждая конфигурация ребра обеспечивает определенную теплоотдачу, то максимальное количество ребер при неизменных габаритах калорифера позволит увеличить тепловой поток и теплопроизводительность, что подтверждается на рис. 6-8. Минимальная площадь ребра обеспечивает возможность установки большего количества ребер на пластине и обеспечить максимальную теплоотдачу калорифера. Оптимальными параметрами ребра для предлагаемых калориферов являются следующие параметры: - высота ребра 13,5мм - угол наклона ребра 6° - площадь пластины 0,163 м 2 - тепловой поток рассеиваемый пластиной 550,2 Вт - тепловая мощность калорифера 846 кВт. Данное мероприятие энергоэффективно, уменьшает нерациональные потери тепла и повышает тепловую мощность калорифера от 475 кВт до 846 кВт. В калориферной для отопления ствола №8 устанавливается 30 калориферов(n=30). Инвестиции составляют . Экономический эффект рассчитан из условия экономии на одном калорифере. В соответствии с СНиП II-А-6-72, ствол отапливается при , что по данным 2012 года за отопительный период составляет 81 день. Стоимость 1 Гкал тепла составляет . Экономический эффект составит Простой срок окупаемости Таким образом, для достижения максимальной тепловой мощности калорифера 846 кВт необходимо максимальное количество ребер 155 штук с углом при вершине 12 , Оптимальными параметрами ребра будет являться - высота ребра 13,5мм - угол наклона ребра 6° - площадь пластины 0,163 м 2 Внедрение данного мероприятия позволит повысить тепловую мощность калорифера эксплуатированного на шахте им. В.И. Ленина в 1,78 раз (от 475 до 846 кВт). При стоимости 1 Гкал тепла 381 грн. и отопительном периоде для заданных условиях 81 день, с условием того, что на шахте установлены 30 калориферов, инвестиции составят 10,6 млн. грн., экономический эффект составит 7 млн. грн. срок окупаемости данного мероприятия составит 3 года.
