авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Прогноз и выбор оптимальных параметров теплового режима при строительстве, эксплуатации и комплексном использовании горных выработок в криолитозоне

-- [ Страница 2 ] --
Относительная влажность воздуха – одежды Коэффициент теплопередачи одежды, Вт/(м2К)
2,0 2,5
Паропроводность, Вт/(м2Па) Паропроводность, Вт/(м2Па)
0,003 0,015 0,030 0,003 0,015 0,030
0,60 – 0,50 0,90 – 0,80 -8,1 -8,7 -8,1 -8,6 0,6 -0,7 -0,9 -1,5 8,0 7,1 5,5 4,7 1,6 -0,0 1,4 -0,1 6,2 5,7 5,5 4,6 12,2 11,5 9,6 9,0
0,60 – 0,70 0,70 – 0,80 -8,1 -8,7 -8,1 -8,7 -0,6 -1,3 -0,9 -1,5 6,3 5,5 5,5 4,8 1,5 -0,0 1,5 -0,1 5,9 5,0 5,5 4,7 10,5 9,9 9,7 9,1

Создание комфортных условий труда на рабочих местах в горных выработках криолитозоны позволяет не только снизить нагрузки на систему терморегуляции рабочих, но и добиться определенного повышения эффективности производства, как за счет снижения числа простудных заболеваний, так и за счет снижения общих энергетических затрат в период трудовой деятельности. Для количественной оценки данного утверждения и повышения темпов внедрения комфортного кондиционирования на горных предприятиях Севера разработан метод оценки эффективности мероприятий по нормализации микроклимата. Метод основан на сравнении энергетических затрат на выполнение однотипной работы и позволяет, в частности, определить, насколько теоретически увеличивается общая длительность выполнения рабочих операций, включая время на отдых, при работе в неблагоприятных климатических условиях, по сравнению с выполнением тех же операций при температуре, соответствующей зоне теплового комфорта. Конечная расчетная формула имеет вид

здесь Эр(tв*) и *отд - затраты энергии (Дж/с) и длительность отдыха (минуты) для однотипного вида работ при температуре 19 оС. Выполненные расчеты показывают, что время отдыха, требуемое для полного восстановления сил рабочего при понижении температуры, резко возрастает и, следовательно, снижается производительность труда. Разработанный аналитический метод достаточно надежен, а полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными других ученых (Дядькин Ю.Д., Тимохин Д.И., Петровская И.В., Репин Г.Н.).

Разработан метод теплового расчета, который позволяет выбрать оптимальные с точки зрения устойчивости пород призабойной зоны температуру и скорость движения вентиляционной струи. В таблице 2 представлены результаты расчетов допустимой по фактору устойчивости горных пород температуры воздуха (tох) в период интенсивного проветривания после взрывных работ.

Таблица 2.

Необходимая температура воздуха в период интенсивного

проветривания для обеспечения устойчивого состояния пород

Исходные данные Значение tох
Значение tпр,°С 5,0 4,0 3,0 2,0
Тп =-4°С Biпр = 1,0 Biпр = 0,5 -11,7 -7,9 -7,4 10,3 -3,0 12,2 +1,3 14,4
Тп =-4,5°С Biпр = 1,0 Biпр = 0,5 -13,6 -1,1 -10,8 +0,3 -8,1 +1,6 -5,3 +3,0

Из таблицы видно, что температура воздуха в период интенсивного проветривания (tох) изменяется в широких пределах и существенно зависит от температуры воздуха на первом этапе (бурение, крепление, уборка породы) и коэффициента теплоотдачи, причем, при соответствующем подборе последнего (Biпр) схема регулирования может быть использована даже при положительной температуре воздуха в призабойной зоне.

Выбор рациональных параметров теплового режима по критерию надежности работы машин и механизмов проведен для условий проходки выработок и ведении очистных работ, где эта проблема, как показали наши натурные исследования, наиболее значима. Проведенными исследованиями, было установлено, что в зависимости от климатических, геокриологических, технологических и экономических условий разработки пластовых месторождений криолитозоны всегда существует оптимальное значение температуры воздуха на выходе из лавы, при котором эффект от кондиционирования воздуха по технологическому критерию (снижению длительности рабочих операций по креплению лавы), будет максимальный. Равно, как и существует предельная температура воздуха, выше которой подогревать его нецелесообразно. На рис.1 приведены графики изменения оптимальной температуры в типичной очистной выработке угольной шахты криолитозоны, которые наглядно подтверждают данную закономерность.

Рис.1. Экономическая эффективность кондиционирования

воздуха в очистной выработке угольной шахты.

К(Т) - эргономический коэффициент, доли единицы.

Графики построены на основании разработанной методики выбора оптимальных параметров теплового режима очистных выработок криолитозоны. Методика позволяет также прогнозировать изменение температуры по длине лавы и рассчитывать установочную и эксплуатационную мощность калориферной установки при локальной схеме регулирования теплового режима.

2.Математическое моделирование горнотехнических систем регулирования теплового режима подземных сооружений при управлении процессами по критерию экономии энергии должно проводиться на основе представления их как систем с распределенными параметрами, характеристики которых изменяются во времени, с использованием методов многомерной оптимизации соответствующих целевых функций затрат на создание нормативных параметров микроклимата.

Проведены комплексные теоретичес­кие исследования горнотехнических систем регулирования теплового режима подземных сооружений различного назначения как связанных с горным производством (шахты, рудники), так и не связанных (подземные холодильники, за­щитные сооружения, специальные геоаккумуляторы). Были исследованы основные классы горнотехнических систем: обыкновенные, рекуперативные, регенеративные, смешанные (рекуперативные, работа­ющие в регенеративном режиме) и комбинированные, включающие горные вы­работки и скважинные коллекторы.

Для тепловых расчетов параметров вентиляционной струи в горнотехнических системах кондиционирования нельзя однозначно применить методы, используемые в теплотехнике для расчета подобных систем. Принципиальным различием является то, что в теплотехнике рекуперативные и регенеративные системы обычно моделируются как системы с сосредоточенными параметрами, в то время как горнотехнические системы такого класса относятся к системам с распределенными параметрами, характеристики которых переменны по координатам и во времени. В связи с этим, сохраняя общую идеологию моделирования, принятую в теплотехнике, и учитывая особенности теплообмена, происходящего в горных выработках, был разработан комплекс программ по выбору оптимальных параметров горнотехнических систем всех рассмотренных классов. Для инженерных расчетов предложены регрессионные зависимости, позволяющие оперативно, не прибегая к численному моделированию, оценить эффективность использования горнотехнических систем различного класса в конкретных условиях. В основу расчетных моделей заложена методика прогноза температуры в горных выработках, включающая численное решение системы дифференциальных уравнений в частных производных, а именно: двухмерного уравнения энергии для воздуха и уравнений Фурье для описания теплового поля в талой и мерзлой зоне пород, которые дополнены дифференциальным уравнением Стефана на движущейся границе раздела фаз и уравнением Ньютона на границе «воздух – порода». Начальные условия предполагают произвольное распределение температур по координатам и во времени, причем функция изменения температуры воздуха на входе в выработку учитывает не только сезонные, но и суточные колебания, что позволяет более полно учесть особенности климата северных регионов. В отличие от существующих, разработанная нами модель позволяет учесть также и изменение основных факторов, влияющих на интенсивность теплообмена во времени, а именно изменение влажности (льдистости) горных пород, и, как следствие, изменение теплофизических свойств породного массива в пределах зоны теплового влияния. Модель позволяет учесть переменность термического сопротивления по длине выработки и наличие произвольно распределенных нестационарных абсолютных источников тепловыделений. Подобная мо­дель является наиболее полной из известных и адаптированной к различным условиям эксплуатации выработок, пройденных в криолитозоне. Для выбора оптимальных параметров горнотехнических систем минимизировалась целевая функция приведенных затрат, которая включала в себя затраты на проведение и крепление (реконструкцию для случая вторичного использования) выработок, затраты на вентиляцию и затраты на кондиционирование. Так как температура воздуха определена не явно, а ищется из численного решения соответствующей задачи Коши, для минимизации полученной целевой функции многих переменных, использовался метод Хука и Дживса, который не требует знания производных функций. Результаты расчетов позволяют определить для конкретных условий эксплуатации обыкновенных горнотехнических систем такие параметры, как оптимальное сечение и длину выработок, оптимальное количество параллельных выработок и расход воздуха в них, годовой экономический эффект от использования системы и целесообразность строительства специальных теплообменных выработок. Результаты математического моделирования, в частности, показали, что традиционное представление об эффективности параллельного соединения теплообменных выработок справедливо только в определенных случаях. В действительности, в зависимости от стоимостных параметров (затрат на проведение новых или реконструкцию старых выработок, стоимости тепловой и электрической энергии) последовательное соединение является более предпочтительным, как энергетически, так и экономически. Для инженерных расчетов получено простое выражение, позволяющее определить целесообразность того или иного способа соединения выработок в единую сеть:

,

где Z3 — стоимость электрической энергии, руб./кВт·ч; — длительность периода эксплуатации выработок в году, час/год; Z1 — затраты на проведение и крепление погонного метра выработки, руб./м; E — нормативный коэффициент, 1/год; E1 — нормативный коэффициент, учитывающий часть капитальных вложений, идущих на эксплуатацию теплообменных выработок, 1/год; N’ — мощность вентилятора, затрачиваемая на проветривание одного метра теплообменной выработки в год, кВт/ м·год.

Если условие выполняется, то имеет смысл соединение “n” выработок параллельно, если нет — то последовательно. Оптимальное количество выработок, которое может быть соединено параллельно: no =(12Ка/Кв)0,3. Выполненная оценка величин Kа и Kв показывает, что для вновь строящихся теплообменных выработок целесообразным соединением является только последовательное.

Для рекуперативных и регенератив­ных систем построены математические модели, основанные на применении современных методов экспериментальных исследований и вычислительной математики: метода подобия, факторного анализа, планирования экспери­мента, регрессионного и статистического анализа, теории разностных схем. Оценку экономической эффективности систем проводили с помощью целевой функции приведенных затрат. Для характерных случаев определялись эффективные длина, сечение выработок и расход воздуха в них, а, для регенеративных систем также и длительность циклов проветривания выработок, которая является управляющим параметром. Комплексный анализ рекуперативных систем двух классов: «труба в трубе» и «разделительная стенка» показал, что, в отличие от существующих традиционных представлений, горнотехнические системы второго типа более эффективны, как с энергетической, так и экономической точки зрения.

Сложность условий, в которых проходятся выработки в зоне многолетней мерзлоты - наличие термальных вод, высокая интенсивность тепловых процессов, наличие сторонних, не из воздухопроводов, утечек (притечек) воздуха, сложные схемы проветривания и др. обусловили необходимость разработки не конкретной методики прогноза тепловых условий в выработке в период проходки, а обобщенной модели для тепловых расчетов, которая бы наиболее полно учитывала все особенности и возможные варианты проходки выработок в мерзлых породах, и позволяла бы оперативно получить методику прогноза для конкретного способа и условий проходки путем упрощения исходной модели.. В общем случае принято, что все параметры, входящие в уравнение теплового баланса, а именно: геометрические размеры выработки и трубопроводов, коэффициенты теплопередачи, источники абсолютных тепловыделений в выработке и воздухопроводах, количество транспортируемого ископаемого, расходы воздуха в выработке и воздухопроводах и др., являются функцией координат и времени. То есть по существующей терминологии параметры модели являются распределенными. Обобщенная модель получена в виде системы дифференциальных уравнений первого порядка в частных производных, которая для определения промежуточных параметров дополнена системой линейных алгебраических уравнений. В предложенном виде модель может быть реализована одним из численных методов, а, принимая во внимание известное и широко используемое допущение о том, что инерционным членом в уравнении энергии для воздуха можно пренебречь, модель представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, которая в некоторых частных случаях может быть решена аналитически или интегрируется с помощью стандартных программ. На графиках (рис.2) приведены результаты численных расчетов по предлагаемым уравнениям, с результатами расчетов по уравнениям, аналогичным тем, которые приведены в известных методиках А.Н.Щербаня, В.П.Черняка, Н.А.Брайчевой, В.Кертикова и др., где использовано допущение о возможности усреднения определяющих параметров по длине.

 Изменение температуры воздуха при движении по выработке и воздухопроводам. -6

Рис. 2. Изменение температуры воздуха при движении

по выработке и воздухопроводам.

Из графиков, представленных на рисунке, видно, что, следуя традиционному допущению о возможности усреднения исходных данных по длине выработки, мы можем получить не только количественно, но и качественно отличные результаты.

Исследованы закономерности формирования теплового режима выработок различного назначения при наличии рассредоточенных источников энергии. Результаты дали возможность получить новые представления о формировании температурного режима в горных выработках и энергоёмкости процесса кондиционирования рудничного воздуха при использовании рассредоточенных источников энергии. В частности, получены зависимости для определения оптимального количества установок, необходимых для энергетически и экономически эффективного регулирования теплового режима. Установлено, что наиболее эффектив­ным способом регулирования теплового режима подземных сооружений является способ, основанный на использования рассредоточен­ных источников энергии. На рис. 3 показаны графики изменения суммарной мощности двух установок в зависимости от места их расположения по длине выработки.

Рис. 3. Изменение суммарной мощности двух калориферных установок в зависимости от места их расположения. Рис. 4. Изменение отношения длин в зависимости от коэффициента доставки воздуха.


Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.