Аэрология

4.6. Установки для охлаждения шахтного воздуха
Наибольшее применение нашло искусственное охлаждение шахт­ного воздуха холодильными установками. Принцип работы такой установки (рис. 4.1) состоит в следующем. С помощью насосов и компрессора поддерживается движение хладагента в машине, жидкости для охлаждения конденсатора и холодоносителя для ох­лаждения воздуха. Компрессор всасывает пары хладагента из ис­парителя и нагнетает их в конденсатор. Под влиянием повышен­ного давления и внешнего охлаждения пары переходят в жидкое состояние, отдавая теплоту в конденсаторе. За регулирую­щим вентилем давление снова понижается и хладагент испаря­ется, охлаждая при этом хладоноситель в контуре воздухоохла­дителя. При этом термодинамическом цикле в контур машины поступает теплота из охлаждаемой жидкости внешнего контура в испарителе в охлаждающую жидкость внешнего контура в кон­денсаторе. Это возможно согласно второму закону термодинамики благодаря подведенной к системе механической энергии компрес­сора, мощность которого

(4.28)

4>к —Фх — Фаз
где \|)_к — мощность компрессора, Вт; я|э₀. _ж — тепловой поток от охлаждаемой жидкости (холодоносителя) к хладагенту, Вт; ^_х — тепловой поток от хладагента к охлаждающей жидкости (теплота конденсации), Вт.
Хладагент должен обладать высокими хладопроизводитель-пыми свойствами в термодинамическом цикле машины. Кроме того, он должен отвечать требованиям безопасности в шахтах (не

Рис. 4.1. Принципиальная схема установки для искусственного охлаждения шахтного воздуха:
/ — компрессор; 2 — испаритель; 3 — конденсатор; 4 — регулирующий вентиль; 5 — охлаж­дающее устройство; 6 — насосы; 7— воздухоохладитель
69

гореть, не быть ядовитым, не образовывать взрывчатых смесей, иметь слабую агрессивность в отношении конструктивных мате­риалов и масел). Наибольшее, применение в качестве хладоноси-теля нашли аммиак и фреон, но аммиак в подземных холодильных машинах не используется, так как он ядовит и образует взрывча­тые смеси. Фреон имеет хорошие термодинамические свойства и более безопасен, чем аммиак, что позволяет применять его в под­земных холодильных машинах. Наибольшее применение нашли фреон-12 (CF₂C1₂) и фреон-22 (CHF₂C1). Фреон-12 —бесцветный газ со слабым запахом (при концентрации более 20 %), не ядовит и не образует взрывчатых смесей. При температуре >400 °С он разлагается и образует отравляющий газ фосген. Аналогичные свойства имеет фреон-22, но его хладопроизводительность по сравнению с фреоном-12 в 1,6 раз больше.
Для охлаждения конденсатора чаще используется вода, кото­рая движется в замкнутом цикле и отдает свою теплоту в гради­рованном или брызгальном бассейне. В небольших подземных машинах вода движется в открытом цикле (поток теплой воды выводится из проветриваемых горных выработок изолированными трубопроводами или канавами). Хладоносителем в контуре испа­ритель-воздухоохладитель является вода или раствор соли (рас­сол). Вода ограничивает глубину охлаждения в испарителе и про­изводительность холодильной машины. Растворы хлорида натрия, хлорида кальция или хлорида магния имеют температуру замер­зания соответственно —21,2; —55 и —33,6 °С, Водные растворы указанных солей могут использоваться в смеси с другими мине­ральными компонентами так, чтобы их температура была на 5— 10 °С ниже по сравнению с максимальной температурой охлаж­дения хладоносителя, а они не были ядовитыми, не имели запаха, не были агрессивными, имели высокую удельную теплоту. Если испаритель холодильной машины расположен на поверхности или на верхнем горизонте, давление хладоносителя в воздухоохлади­теле может быть очень высоким. В таких случаях в шахте преду­сматривается промежуточный теплообменник с высоким давле­нием. Таким образом, оформляются два основных контура хладо­носителя (с высоким и низким давлением). В контуре с высоким давлением в качестве хладоносителя используется рассол, а в кон­туре с низким давлением— вода. Трубопроводы с охлажденным хладоносителем имеют теплоизоляцию. Трубопроводы, по которым хладоноситель возвращается к теплообменникам, могут иметь теп­лоизоляцию или быть открытыми (в зависимости от теплового ре­жима выработок, по которым они проложены).
На шахтах применяются также (более ограниченно) воздуш­ные и абсорбционные холодильные машины. В воздушно-компрес­сорных машинах цикл хладопроизводства открытый, а хладаген­том и хладоносителем является воздух, который после расширения поступает в вентиляционный поток. В абсорбционных машинах цикл хладопроизводства замкнут и поддерживается процессом сорбции и внешней тепловой энергией испарения хладагента.
70
Рис. 4.2. Схема передвижной холодильной установки:
/-компрессор; 2 ~ испаритель; 3 - конденсатор; 4 - регулирующий вентиль; 5 - теплый ишдух, 6 - охлажденный воздух; 7 - холодная вода; 8 - теплая вода
Холодильные установки бывают стационарными и передвиж­ными. Передвижные установки (рис. 4.2) предназначены для ох­лаждения воздуха в тупиковых выработках или в отдаленных очи­стных забоях и имеют хладопроизводительность 50—^140 кВт. Воз­дух в них охлаждается непосредственно у испарителя, а теплота конденсации отводится водой в незамкнутом или замкнутом цик­лах с дополнительным внешним охлаждением. Некоторые модифи­кации передвижных холодильных установок имеют легкоперено­симый воздухоохладитель. Воздушно-компрессорные машины РВК-1 и ВВК-1 имеют хладопроизводительность соответственно 17—20 и 35—45 кВт, а парокомпрессорные типа КПШ —40— 120 кВт.
В перспективе будут применяться следующие схемы искус­ственного охлаждения воздуха в общешахтной вентиляционной си­стеме:
холодильная установка находится на дневной поверхности, а поступающий в шахту воздух охлаждается у устья шахтного ствола;
холодильная установка находится на дневной поверхности, а высоконапорный теплообменник —в околоствольном дворе; воз­духоохладители расположены недалеко от очистных забоев;'
холодильная установка находится в шахте, а воздухоохлади­тели—недалеко от забоев; теплота конденсации отводится из шахты исходящим вентиляционным потоком или шахтной водой.
Холодильные установки на поверхности комплектуются турбо-компрессорными холодильными машинами производительностью 2300—4600 кВт. Стационарные холодильные установки в шахте комплектуются турбокомпрессорными или поршневыми машинами хладопроизводительностью 400—1500 кВт. Расположение холо­дильной машины и всего оборудования на дневной поверхности обеспечивает высокую надежность, эксплуатационную безопас­ность и большую хладопроизводительность. Однако охлаждение воздуха на дневной поверхности недостаточно эффективно (осо-
71

бенно для глубоких шахт). Этого недостатка можно избежать при расположении высоконапорного теплообменника в околостволь­ном дворе. В случае же расположения воздухоохладителей неда­леко от забоев возникают затруднения с выносом теплоты кон­денсации, ограничивающие мощность холодильной установки. Выбор схемы искусственного охлаждения воздуха требует комп­лексного технико-экономического обоснования с учетом природ­ных условий и дальнейшего увеличения глубины шахты.
На отечественных шахтах для кондиционирования шахтного воздуха используются стационарные и передвижные холодильные установки. Так, на шахте им. А. Стаханова в Донбассе работают три холодильные установки мощностью 8130, 9260 и 7070 кВт, в которых в качестве хладагента используется фреон-12. В воз­духоохладителях на дневной поверхности в качестве хладоноси-теля используется рассол. Каждая установка включает три холо­дильные машины ХТМФ-248-4000-1С.