О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах
В статті розглянуто один з можливих способів утилізації теплових потоків вугільних шахт на глибині понад 1000 м за допомогою енергозберігаючих технологій. Пропонується з такою метою використовувати тепловий насос, що працює за циклом Брайтона. Висвітлено рівень досконалості таких систем та вказані ї...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Геотехническая механика |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32844 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах / В.Г. Перепелица, С.В. Тынына, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-32844 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Клюев, Э.С. 2012-05-25T19:27:43Z 2012-05-25T19:27:43Z 2009 О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах / В.Г. Перепелица, С.В. Тынына, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32844 662.210.587: 621.572 В статті розглянуто один з можливих способів утилізації теплових потоків вугільних шахт на глибині понад 1000 м за допомогою енергозберігаючих технологій. Пропонується з такою метою використовувати тепловий насос, що працює за циклом Брайтона. Висвітлено рівень досконалості таких систем та вказані їх переваги в порівнянні зі звичайними утилізаційними установками. One of the possible methods of utilization of heat fluxes in coalmines on depth more than 1000m by means of energy saving technologies is considered in this article. For such purpose, we suggest to use heat pump, which based on Brighton cycle. The level of perfection such systems and its benefits comparing with simple utilization installations were indicated. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах About possibility of application heat pump systems for normalize temperature parameters of mine atmospherein process of deposits exploration at great depths Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах |
| spellingShingle |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Клюев, Э.С. |
| title_short |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах |
| title_full |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах |
| title_fullStr |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах |
| title_full_unstemmed |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах |
| title_sort |
о возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах |
| author |
Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Клюев, Э.С. |
| author_facet |
Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Клюев, Э.С. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Геотехническая механика |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
About possibility of application heat pump systems for normalize temperature parameters of mine atmospherein process of deposits exploration at great depths |
| description |
В статті розглянуто один з можливих способів утилізації теплових потоків вугільних шахт на глибині понад 1000 м за допомогою енергозберігаючих технологій. Пропонується з такою метою використовувати тепловий насос, що працює за циклом Брайтона. Висвітлено рівень досконалості таких систем та вказані їх переваги в порівнянні зі звичайними утилізаційними установками.
One of the possible methods of utilization of heat fluxes in coalmines on depth more than 1000m by means of energy saving technologies is considered in this article. For such purpose, we
suggest to use heat pump, which based on Brighton cycle. The level of perfection such systems and its benefits comparing with simple utilization installations were indicated.
|
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/32844 |
| citation_txt |
О возможности применения тепловых насосов для нормализации температурных параметров шахтной атмосферы в процессе разработки месторождений на больших глубинах / В.Г. Перепелица, С.В. Тынына, Э.С. Клюев // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 81. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT perepelicavg ovozmožnostiprimeneniâteplovyhnasosovdlânormalizaciitemperaturnyhparametrovšahtnoiatmosferyvprocesserazrabotkimestoroždeniinabolʹšihglubinah AT tynynasv ovozmožnostiprimeneniâteplovyhnasosovdlânormalizaciitemperaturnyhparametrovšahtnoiatmosferyvprocesserazrabotkimestoroždeniinabolʹšihglubinah AT klûevés ovozmožnostiprimeneniâteplovyhnasosovdlânormalizaciitemperaturnyhparametrovšahtnoiatmosferyvprocesserazrabotkimestoroždeniinabolʹšihglubinah AT perepelicavg aboutpossibilityofapplicationheatpumpsystemsfornormalizetemperatureparametersofmineatmosphereinprocessofdepositsexplorationatgreatdepths AT tynynasv aboutpossibilityofapplicationheatpumpsystemsfornormalizetemperatureparametersofmineatmosphereinprocessofdepositsexplorationatgreatdepths AT klûevés aboutpossibilityofapplicationheatpumpsystemsfornormalizetemperatureparametersofmineatmosphereinprocessofdepositsexplorationatgreatdepths |
| first_indexed |
2025-11-27T01:02:40Z |
| last_indexed |
2025-11-27T01:02:40Z |
| _version_ |
1850790032881745920 |
| fulltext |
Геотехническая механика"
УДК 662.210.587: 621.572
В.Г. Перепелица, д.т.н.,проф.
С. В. Тынына, мл.науч.сотр.
Э. С. Клюев, инж.
(ИГТМ НАН Украины)
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ
НОРМАЛИЗАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНОЙ
АТМОСФЕРЫ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА
БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
В статті розглянуто один з можливих способів утилізації теплових потоків вугільних
шахт на глибині понад 1000 м за допомогою енергозберігаючих технологій. Пропонується
з такою метою використовувати тепловий насос, що працює за циклом Брайтона. Висвіт-
лено рівень досконалості таких систем та вказані їх переваги в порівнянні зі звичайними
утилізаційними установками.
ABOUT POSSIBILITY OF APPLICATION HEAT PUMP SYSTEMS FOR
NORMALIZE TEMPERATURE PARAMETERS OF MINE ATMOSPHERE
IN PROCESS OF DEPOSITS EXPLORATION AT GREAT DEPTHS
One of the possible methods of utilization of heat fluxes in coalmines on depth more than
1000m by means of energy saving technologies is considered in this article. For such purpose, we
suggest to use heat pump, which based on Brighton cycle. The level of perfection such systems
and its benefits comparing with simple utilization installations were indicated.
Разработка месторождений полезных ископаемых на глубоких горизонтах
связана с проявлением ряда неблагоприятных факторов, таких как наличие
ядовитых газов и пыли в воздухе. Кроме того, эти явления сопровождаются
увеличением температуры горного массива с глубиной. Так, на ряде шахт Ук-
раины горные работы ведутся на глубинах более 1000 м, где температура
горного массива составляет 40–50°С [1]. К тому же, тепловыделения пород,
транспортируемого угля, работающих электрических машин и механизмов
определяют нагрев воздуха, поступающего как на проветривание лав и тупи-
ковых подготовительных выработок, так и призабойных рабочих зон. Темпе-
ратура воздуха в выработках выемочных участков без принятия эффективных
мер достигает в отдельных случаях 36-38°С, в подготовительных тупиковых
выработках – 38-40°С [1].
Эти условия являются недопустимыми в соответствии с «Правилами безо-
пасности ведения горнах работ в угольных шахтах» по температуре воздуха в
выработках и на рабочих местах. Такие неблагоприятные параметры микро-
климата отражаются на безопасности горных работ, резко снижают произво-
дительность труда и могут привести к несчастным случаям и профессиональ-
ным заболеваниям. В связи с этим проблема нормализации температурного
режима на больших глубинах стала актуальной и требует незамедлительного
решения. Поэтому основным требованием для обеспечения этого является
поддержание температуры воздуха на допустимом уровне.
Важно, что этот источник имеет постоянную температуру в течение всего
Выпуск № 81
времени, что позволяет разработать стабильную по температурному режиму
установку. Упомянутые температурные показатели позволяют рассматривать
шахтный вентиляционный воздух в качестве низкопотенциального источника
теплоты, т. е. его можно с выгодой использовать для функционирования теп-
лового насоса.
Тепловым насосом является термодинамическая система, позволяющая
трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высо-
кий. Данные машины предназначены преимущественно для получения горя-
чей воды, воздуха, пригодных для отопления, горячего водоснабжения и дру-
гих целей.
Даже сбросная теплота с температурой 25 – 30 С может быть эффективно
утилизирована, если еѐ улучшить качественно (т.е. повысить до более высо-
кой температуры), а затем повторно использовать непосредственно в упомя-
нутых процессах [2].
Энергетическая целесообразность применения тепловых насосов как до-
полнительного источника энергии убедительно доказана результатами значи-
тельного числа научных исследований и опытом эксплуатации миллионов те-
пловых насосов в различных странах мира [2-5]. В частности, такие установ-
ки с успехом используются в химической промышленности [6-8] и в жилищ-
но-коммунальной сфере с целью отопления и горячего водоснабжения
[1,10,11].
В энергетическом цикле теплового двигателя теплота поступает к рабоче-
му телу, которое затем совершает работу, и сбрасывает теплоту при более
низкой температуре. В цикле теплового насоса все происходит в обратном
порядке. Такие системы работают аналогично холодильным компрессионным
установкам по обратному термодинамическому циклу Карно. Теплота вос-
принимается при низкой температуре, затем рабочим телом совершается ра-
бота, и оно отдаѐт теплоту при повышенной температуре.
Принципиальная схема теплового насоса представлена на рис. 1 [12].
1 – испаритель, 2 – компрессор, 3 – конденсатор, 4 – дроссель
Рис. 1 – Принципальная схема теплового насоса.
Геотехническая механика"
В испаритель 1 поступает отработанный поток с низкой температурой, и
при испарении циркулирующего рабочего тела теплота поступает в систему
теплового насоса. Затем образовавшийся пар проходит через компрессор 2, в
котором давление и температура его повышаются. Затем рабочее тело
поступает в конденсатор 3, где отдает теплоту, полученную в испарителе 1, и
теплоту сжатия в компрессоре 2. При этом пар конденсируется, а нагретый
конденсат проходит через дроссель 4, и его температура снижается. Рабочее
тело, которое обычно представляет собой фторированные углеводороды,
остаѐтся в герметично замкнутом контуре [612].
Таким образом, в тепловом насосе теплота внешней среды, которой может
быть отработанный воздух, переходит в результате затраты механической
энергии в компрессоре от низкого температурного потенциала на более высо-
кий температурный уровень. При этом затрачивается в несколько раз меньше
первичной энергии. Для комплектации таких установок часто используют
выпускаемое промышленностью холодильное оборудование.
При расчѐте теплового насоса важнейшим показателем является коэффи-
циент преобразования энергии СОР (от англ. coefficient of performance – ко-
эффициент преобразования), который является величиной обратно пропор-
циональной величине энергетического КПД теплового двигателя и поэтому
больше единицы:
1
L
o
Q
COP (1)
где Qo – полезная тепловая энергия, получаемая при работе теплового насоса,
Вт; L – использованная механическая энергия, Вт.
Учитывая, что полезная энергия Qo складывается из теплоты, полученной
от низкопотенциального источника Qи, и теплоты при сжатии в компрессоре
L, можно определить механическую энергию:
иo QQL (2)
Подставляя формулу (2) в (1) и заменяя величину энергий соответствую-
щими температурами, получим:
ио
о
ио
о
ТТ
Т
QQ
Q
COP (3)
где То – температура конденсации рабочего тела, К; Ти – температура испаре-
ния рабочего тела, К.
На основе последнего соотношения построен следующий график (рис. 2). Из
этого графика следует, что для повышения энергетической эффективности тепло-
Выпуск № 81
вых насосов необходимо обеспечить минимальную разность температур То – Ти,
т.е. нужно иметь отработанный воздух с повышенной температурой Ти.
Рис. 2 – Зависимость коэффициента преобразования СОР теплового насоса от разницы
температур конденсации и испарения.
Типичный интервал рабочих температур теплового насоса составляет 30 –
80 С. Тогда идеальный коэффициент СОР составляет:
06,7
3080
353
COP
Однако на практике тепловой насос имеет гораздо более низкий коэффи-
циент СОР, чем предполагаемый в идеальном цикле. В реальных установках
при расширении рабочего тела имеют место потери за счѐт механического
трения и используется дроссельный вентиль, поэтому процесс снижения дав-
ления в нѐм происходит при постоянной энтальпии. Поскольку при этом ни-
какая работа не производится он не влияет на количество теплоты, получае-
мой в конденсаторе, но уменьшает количество теплоты, воспринимаемой в
испарителе при постоянной температуре. Дроссель делает процесс необрати-
мым. Кроме того, реальный цикл характеризуется тем, что сжатие обычно
происходит в области перегретого пара со снятием перегрева в конденсаторе
и имеет место дополнительное охлаждение (переохлаждение) рабочего тела
между конденсатором и дросселем. К тому же давление рабочего тела падает
по мере прохождения его через теплообменники [12].
Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энер-
гии, например, электрических, газовых и дизельных генераторов тепла за-
ключается в том, что при производстве тепла до 80 % энергии извлекается из
источника с низкой температурой.
Кроме того, отличие теплового насоса от обычных теплообменников со-
стоит в том, что теплообменник позволяет передавать теплоту только от бо-
Геотехническая механика"
лее нагретого к менее нагретому потоку, т.е. в сторону уменьшения градиента
температуры.
Преимущества тепловых насосов по сравнению с другими утилизацион-
ными установками следующие:
- высокая энергетическая эффективность;
- отсутствие выбросов дымовых газов в окружающую среду, поскольку
при его работе не происходит сжигание органического топлива;
- автономность в снабжении электроэнергией;
- надежность и безопасность работы.
Важной особенностью системы является ее сугубо индивидуальный ха-
рактер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе
стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента
преобразования, окупаемости и прочего.
В контексте рассматриваемой проблемы, следует рассмотреть способ ра-
боты теплового насоса по циклу Брайтона, который заключается в утилиза-
ции отработанных шахтных тепловых потоков. Такая схема и цикл работы
теплового насоса на T-S диаграмме изображен на рис. 3 [7]. Принципиальная
особенность цикла Брайтона, представляющего интерес для тепловых насо-
сов, состоит в возможности применения паровой турбины для выработки
электроэнергии. Принцип его работы состоит в следующем. Процесс 4-1 ха-
рактеризуется сжатием паров хладагента в компрессоре. В процессе 1-2 про-
исходит передача тепла от низкотемпературного источника хладагенту; при
этом происходит закипание последнего. В процессе 2-3 происходит преобра-
зование кинетической энергии парового потока хладагента в механическую
энергию вращения турбины; при этом пары хладагента расширяются. Для за-
мыкания процесса необходимо отвести температуру от хладагента, что и про-
исходит в процессе 3-4.
1-2 – изобарный подвод тепла; 2-3 – адиабатическое расширение в турбине;
3-4 – изобарный отвод тепла; 4-1 – адиабатическое сжатие в компрессоре
Рис. 3 – Упрощенная схема теплового насоса по циклу Брайтона.
Результатом работы установки является производство дополнительной
электрической энергии, получаемой в процессе 2-3 вследствие работы турби-
Выпуск № 81
ны, соединенной с электрическим генератором. Эта энергия может быть ис-
пользована с целью электроснабжения шахт, в частности, для привода забой-
ных машин, погрузочно-транспортных комплексов и стационарных шахтных
установок [14].
Применение тепловых насосов, работающих по циклу Брайтона, является
перспективным направлением в вопросах нормализации параметров микро-
климата рабочей зоны. А совершенствование конструкции позволит создать
промышленную установку с высокой энергетической эффективностью.
Саму же стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценить из
расчета 750 – 1500 грн. за 1 кВт полученной энергии. А срок окупаемости ка-
питаловложений приблизительно составляет 7 – 14 лет. За границей же такой
срок длится всего лишь 2 – 7 лет. Это объясняется тем, что страны западной
Европы всячески стимулируют внедрение энергосберегающих технологий. В
Украине же пока не стимулируется масштабное внедрение систем на основе
тепловых насосов на действующих предприятиях [12]. Тем не менее, исполь-
зование тепловых насосов является одним из важнейших пересечений техни-
ки низких температур с теплоэнергетикой, что приводит к энергосбережению
невозобновляемых источников энергии и защите окружающей среды за счет
сокращения выбросов СО2 и NOx в атмосферу.
Такое направление перспективно в комбинированных системах тепло-
снабжения в сочетании с другими технологиями использования возобновляе-
мых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии) и позволяет оп-
тимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких
экономических показателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мартынов А. А., Лунев С. Г., Яковенко А. К., Солдатов В.И., Розенберг А. С. Кондиционирование
воздуха в действующих рабочих шахтах // Уголь Украины. – 2002. – №5. – с. 44 – 48
2. Рей Д. Экономия энергии в промышленности. Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 208 с., ил.
3 Васильев Г. П., Шилкин Н. В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплона-
сосных системах // АВОК. – 2003. – № 2. с. 56 – 60
4. . Попов А. В. Анализ эффективности различных типов тепловых насосов // Проблемы энергосбереже-
ния. – 2005. – № 1 – 2.
5. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 224с., ил.
6. Фиалко Н. М., Зимин Л. Б. Оценка эффективности применения тепловых насосов в условиях метропо-
литенов и угольных шахт // Пром. теплотехника. – 2006. – Т.28. – № 2. – с. 111 – 119.
7. Снєжкін Ю.Ф., Чалаєв Д.М., Шаврін В.С., Хавін О.О., Дабіжа Н.О.. Використання теплових насосів у
процесах сушіння // Пром. теплотехника. – 2006. – Т.28. – № 2. – с. 106 – 109.
8. Святун А.А., Клюев Э.С. Концепция энергетического рециклинга в технологическом процессе кон-
вективной сушки измельченных материалов с рециркуляцией воздуха на мусороперерабатывающем заводе //
Матеріали міжнародної наукової конференції “Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасоперено-
су”. – Дніпропетровськ, ДНУ, 2008, с. 153 – 154.
9. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1989. – 128 c.: ил.
10. . Васильев Г. П. Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяй-
стве Москвы // Энергосбережение. – 2007. – № 8. – с. 63 – 65
11. Наздрашов М.Н. Комплексный подход к вопросу отопления, вентиляции и горячего водоснабжения адми-
нистративных, культурно-бытовых и жилых зданий // Новости теплоснабжения. – 2000. – № 02. – с. 35 – 38.
12. Фролов В. П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгинский А.Я.. Эффективность использования теп-
ловых насосов в централизованных системах теплоснабжения // Новости теплоснабжения. – 2004 – №7
13. Шилкин Н. В. Использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения зданий // Сан-
техника. – 2003. – № 3. – с. 65 – 67
Геотехническая механика"
14. Электрификация горных работ: Учебн. для вузов / Под ред. Волотковского С.А. – К.: Вища школа,
1980.– 448 с
15..Холодильні установки: Підручник: У двох книгах. Кн.2 / І. Г. Чумак, В. П. Чепурненко, С. Ю.
Лар’янівський та ін. – К.: Либідь, 1995. – 224 с.
Рекомендовано до публікації д.геол.-мін.н. В.В. Лукіновим 18.08.09
|