О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров
В роботі обґрунтована можливість застосування вихрових кондиціонерів для нормалізації параметрів шахтного мікроклімату. Приведена їх класифікація по методу утилізації гарячого повітря. Розглянуті можливості підвищення ефективності роботи вихрових кондиціонерів. This work describes the possibility of...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2009
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33012 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров / В.Г. Перепелица, С.В. Тынына, В.В. Власенко, К.К. Подоляк, М.В. Стецюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860147407536259072 |
|---|---|
| author | Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Власенко, В.В. Подоляк, К.К. Стецюк, М.В. |
| author_facet | Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Власенко, В.В. Подоляк, К.К. Стецюк, М.В. |
| citation_txt | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров / В.Г. Перепелица, С.В. Тынына, В.В. Власенко, К.К. Подоляк, М.В. Стецюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | В роботі обґрунтована можливість застосування вихрових кондиціонерів для нормалізації параметрів шахтного мікроклімату. Приведена їх класифікація по методу утилізації гарячого повітря. Розглянуті можливості підвищення ефективності роботи вихрових кондиціонерів.
This work describes the possibility of using vortex conditioners for normalization of mine microclimate conditions. Also this work contains classification of vortex conditioners by method of hot air utilization. In addition, it is considered the possibility of effectiveness increase of 
vortex conditioners functioning.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:50:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
"Геотехническая механика"
УДК 662.210.587:621.572
В.Г.Перепелица, д.т.н.,проф.,
С.В.Тынына, мл.научн.сотр.,
В.В.Власенко, инж.,
К.К. Подоляк, инж.,
М.В. Стецюк, инж.
(ИГТМ НАН Украины)
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕВЫХ
ШАХТНЫХ КОНДИЦИОНЕРОВ
В роботі обґрунтована можливість застосування вихрових кондиціонерів для нормалі-
зації параметрів шахтного мікроклімату. Приведена їх класифікація по методу утилізації
гарячого повітря. Розглянуті можливості підвищення ефективності роботи вихрових кон-
диціонерів.
ABOUT POSSIBILITY OF INCREASE OF EFFICIENCY OF VORTICAL
MINE CONDITIONERS
This work describes the possibility of using vortex conditioners for normalization of mine
microclimate conditions. Also this work contains classification of vortex conditioners by method
of hot air utilization. In addition, it is considered the possibility of effectiveness increase of
vortex conditioners functioning.
Процесс добычи угля в шахтах происходит при наличии ряда неблагопри-
ятных факторов: высокая температура рудничей атмосферы, запылѐнность и
т.д. Высокая температура в забое возникает из-за тепловыделения от горного
массива, транспортируемого угля и работающих механизмов. Вследствие
этих процессов в шахтах Донецкого бассейна, где добыча уже осуществляет-
ся на глубине более 1500 м, температура в выработках выемочных участков
составляет 32-36°С, а в подготовительных тупиковых выработках 34-38°С [1].
Такие условия работы противоречат «Правилам безопасности ведения
горных работ в угольных шахтах», это означает, что добыча угля в шахтах не
должна осуществляться без дополнительных мероприятий по нормализации
параметров шахтной атмосферы. Наличие вышеупомянутых факторов приво-
дит к снижению работоспособности шахтѐров и ведѐт к резкому ухудшению
их здоровья. Согласно требованиям «Правил безопасности ведения горных
работ в угольных шахтах» температура рудничной атмосферы на рабочих
местах с учетом скорости и относительной влажности воздуха не должна пре-
вышать 22-26°С [1]. Однако, как показывает практика такие условия не со-
блюдаются на большинстве шахт Донбасса, что значительной мерой отража-
ется на их технико-экономических показателях . Из этого следует, что основ-
ной задачей угольной промышленности является обеспечение оптимальных
параметров рудничной атмосферы.
Существуют различные методы искусственного охлаждения рудничной
атмосферы: осушение воздуха сорбентами, охлаждение воздуха жидким воз-
духом, пропускание воздуха через тепловыравнивающие каналы, охлаждение
воздуха водой и т.д., но все эти способы имеют ограниченную область при-
Выпуск № 82
менения и невысокую эффективность охлаждения, вследствие чего их приме-
няют вспомогательными при наличии центральных шахтных кондиционеров
или условий проветривания [2].
Основным способом нормализации тепловых условий в выработках глу-
боких шахт является искусственное охлаждение воздуха при помощи холо-
дильных машин и внешнего местного проветривания воздухом, взятого из
потока свежей струи.
Установки для кондиционирования рудничного воздуха в зависимости от
местоположения холодильной машины и воздухоохладителей подразделяют-
ся на три группы [3]:
- воздухоохладительная установка с расположением холодильной машины
на поверхности. В этом случае охлаждение воздуха может быть централизо-
ванным (когда весь воздух охлаждается на поверхности или в околостволь-
ном дворе), групповым (когда воздухоохладители обслуживают группу уча-
стков) и местным (при охлаждении воздуха на откаточном штреке вблизи
очистного забоя);
- воздухоохладительная установка с расположением холодильной машины
в шахте (при этом может быть осуществлено централизованное, групповое и
местное кондиционирование рудничного воздуха);
- местная установка для кондиционирования рудничного воздуха с располо-
жением холодильной машины и воздухоохладителей вблизи очистного забоя.
Третий тип установки считается самым практичным, так как он наиболее
оптимально решает все поставленные задачи для нормализации шахтной ат-
мосферы. Также он является менее энергопотребляемым по сравнению с воз-
духоохладительной установкой с расположением холодильной машины на
поверхности. К примеру, мощность только одной такой холодильной стан-
ции, расположенной на поверхности шахты, составляет от 4 до 20 МВт, в то
время как мощность холодильной установки с подземным расположением
будет составлять 400-500 кВт.
Учитывая, что в холодильные установки для нормализации шахтного
микроклимата входят хладагенты, которые являются озоноразрушающими и
вредными для здоровья людей, то альтернативным источником получением
холода является кондиционер на базе вихревых труб [4].
Вихревые кондиционеры успешно находят применение в таких отраслях
промышленности как металлургической, химической, машиностроительной, а
также при кондиционировании автомобилей, грузоподъемных кранов, локо-
мотивов и на других объектах, где присутствуют высокие температуры. Вих-
ревые кондиционеры обладают рядом преимуществ по сравнению с обычны-
ми холодильными установками. Они более мобильны, компактны и имеют
меньше энергопотребление в сравнении с аналогичными кондиционерами хо-
лодильного типа [5]. Также вихревые кондиционеры отличаются своей про-
стотой установки и надѐжностью при их эксплуатации.
Основным элементом вихревого кондиционера является вихревая труба. В
ней происходит процесс разделения воздуха на холодную и горячую состав-
"Геотехническая механика"
ляющие. Принцип работы вихревой трубы заключается в том, что сжатый
воздух, проходя через сопло определенной формы, разгоняется до высокой
скорости и закручиваясь по спирали Архимеда, образует вихревой поток,
приосевые слои данного потока имеют более низкую температуру, чем слои,
находящиеся на внешней стороне. Холодный поток газа отбирается через со-
пло, а горячий периферийный поток отводиться через дросселирующую диа-
фрагму и развихрительную камеру в противоположном направлении. При
этом возникает необходимость сброса или же утилизации горячего воздуха.
Существует немало теорий относительно того, какие именно процессы про-
исходят при разделении. Но однозначно никто не может утверждать о приро-
де процессов, протекающих в вихревой трубе [6, 7].
Кондиционеры на базе ВТ можно классифицировать по способу утилиза-
ции тепла горячего потока (рис. 1).
)
Вихревой
кондиционер (ВК
ВК без
утилизации
тепла
ВК с
утилизацией
тепла
ВК с газо-
динамиским БУТ
ВК с термо-
динамическим БУТ
Рис. 1 – Классификация вихревых кондиционеров
1. Вихревые кондиционеры без утилизации тепла.
Наипростейшим вихревым кондиционером является сама вихревая труба.
Примером может служить кондиционер, разработанный Р.С. Тер-Ионесяном
(рис. 2), который состоит из баллона 1 сжатого воздуха, запорного клапана 2,
редуктора 3, воздухо-воздушного теплообменника 4, вихревой трубы 5.
Включением в состав кондиционера теплообменника на рециркуляционном
потоке дополнительно повышает удельную холодопроизводительность в
1,2—1,3 раза. Полученный на выходе из ВТ горячий поток сбрасывается в ат-
мосферу [8].
2. Вихревые кондиционеры с БУТ.
Рассмотрим основные схемы компоновки кондиционеров с использовани-
ем блока утилизации тепла (БУТ) горячего воздуха. Структурная схема
(рис. 3) включает в себя вихревую трубу, запитанную сжатым воздухом на-
Выпуск № 82
прямую от компрессора или пневмомагистрали, БУТ. Нормализированный
воздух, полученный в результате работы ВТ, направляется для кондициони-
рования внутришахтного пространства, а тепло горячего потока в БУТ. Ути-
лизировать тепло можно газодинамическим (эжектор) или термодинамиче-
ским (теплообменник, тепловой насос) способами.
1 2 3 4
5
Х
Г
1- баллон сжатого воздуха, 2– запорный клапан, 3– редуктор,
4- воздухо-воздушный теплообменник, 5– вихревая труба,
Г – горячий поток, Х – холодный поток
Рис. 2 – Схема кондиционера Р.С. Тер-Ионесяна на базе ВТ без утилизации тепла
ВТ – вихревая труба, БУТ – блок утилизации тепла, Х – холодный воздух,
Г – горячий воздух
Рис. 3 – Структурная схема вихревого кондиционера с блоком утилизации тепла
3. Вихревые кондиционеры с газодинамическим БУТ
Утилизация тепла газодинамическим способом осуществляется с помо-
щью эжектора, преобразовывая внутреннюю энергию горячего потока в кине-
тическую энергию истекающей струи. Применяются как эжектора классиче-
ской компоновки [9] (рис. 4, а), так и кольцевые эжектора (рис. 4, б), отли-
чающиеся между собой схемой расположения эжектирующего и эжектируе-
мого потоков [10-14].
"Геотехническая механика"
1 – эжектирующий поток, 2 – эжектируемый поток
Рис. 4 – Схема распределения потоков в эжекторе
4. Вихревые кондиционеры с термодинамическим БУТ
Структурно схема кондиционера с термодинамической утилизацией тепла
имеет такой же вид, что и ВК с газодинамической утилизацией. Различие за-
ключается только в БУТ. Принцип работы термодинамического БУТ заклю-
чается в том, что внутренняя энергия одного рабочего тела передается друго-
му. В данном случае энергия горячего воздуха – хладагенту.
Тепло горячего воздуха, полученное в результате работы вихревой трубы,
можно использовать для хозяйственных нужд (отопление, горячее водоснаб-
жение). Возникают проблемы, связанные с отводом потока горячего воздуха
из шахты. Устранить их можно путем использования воздухо-жидкостного
теплообменника для передачи тепла жидкому теплоносителю. Последний бо-
лее эффективно применять для передачи тепла на поверхность.
Повысить эффективность предложенного выше метода можно преобразо-
ванием среднепотенциального тепла (горячий воздух на выходе из ВТ) в вы-
Выпуск № 82
сокопотенциальное тепло, с помощью теплового насоса [15, 16]. Основными
элементами теплового насоса являются соединенные трубопроводом испари-
тель, компрессор, конденсатор и регулятор потока (дроссель, детандер или
вихревая труба). Схематично тепловой насос представлен на рис. 5. Горячий
воздух от вихревой трубы 5 подается в испаритель 3, где отдает тепло хлада-
генту и испаряет его. Компрессор 4 нагнетает хладагент в конденсатор 1, по-
вышая его давление и температуру. В конденсаторе 1 хладагент конденсиру-
ется отдавая при этом тепло теплоносителю внешнего контура, который пе-
редает полученную тепловую энергию потребителю 6. Далее хладагент через
дроссель 2 подается в испаритель 3 и цикл повторяется [17, 18].
1
2
3
4
6 5
1 – конденсатор, 2 – дроссель, 3 – испаритель, 4 – компрессор, 5 – вихревая труба,
6 – потребитель
Рис. 5 – Схема теплового насоса
Способы повышения эффективности вихревого кондиционера
1. Применение пары эжекторов
Один из способов повышения эффективности вихревого кондиционера яв-
ляется применение вихревой трубы оснащенной эжекторами, которые распо-
лагаются на ее горячем и холодном концах (рис. 6). Давление в эжекторе 1 и
эжекторе 2 обеспечивается благодаря воздуху из пневмомагистрали. Эжекто-
ра, в свою очередь, обеспечивают статический перепад давлений необходи-
мый для работы ВТ. Суть этого метода состоит в том, что воздух в вихревую
трубу подсасывается из атмосферы, а не из пневмомагистрали. Холодный по-
ток направляется в эжектор 1, где его температура нормализируется. Горячий
поток из вихревой трубы направляется в эжектор 2, что позволяет утилизиро-
вать его, тем самым значительно повысить эффективность данного конди-
ционера.
2. Каскадная схема в вихревом кондиционере
Работа ВК, разработанных на базе одной ВТ, характеризуется относитель-
но невысоким КПД (55-60%). Этот факт диктует необходимость разработки
новых схем с улучшенными характеристиками. Одним из способов повыше-
ния эффективности ВК является применение многокаскадных схем компо-
новки, примером может служить схема, приведенная на рис. 7. Принцип ра-
боты заключается в следующем. На вход первой вихревой трубы (ВТ1), рас-
"Геотехническая механика"
считанной, к примеру, на разделение газа с μ=0,5, подается воздух с темпера-
турой 50ºС. На выходах образовываются два газовых потока с температурами
20ºС и 80ºС. Поток с температурой 20ºС направляется в атмосферу для ее
нормализации, второй горячий поток (с температурой 80ºС) поступает на
вход второй трубы (ВТ2), имеющую то же μ=0,5, но рассчитанную на расход
в два раза меньше. В результате разделения получим потоки Тх=50ºС,
Тг=110ºС. Холодный поток направляется на вход ВТ1, а горячий, для после-
дующего разделения, на вход в ВТ3. В третьей ступени каскада воздух снова
разделится на Тх=80ºС и Тг=140ºС. После чего поток с Тх=80ºС перенаправля-
ется на вход ВТ2, а поток с температурой 140ºС в БУТ, где он будет утилизи-
рован и направлен в рабочее пространство для его охлаждения. В качестве
БУТ в приведенной схеме используется эжектор.
Х Г
пневмомагистраль
в помещение
ВТ
Э1 Э2
атмосферный
воздух
Э1, Э2 – эжектора, Х – холодный поток, Г – горячий поток
Рис. 6 – Схема ВК, оснащенного эжекторами
Для такой системы не трудно рассчитать μ, который составит 0,87 вместо
0,5 однокаскадной схемы. Такое повышение эффективности значительно
снижает затраты на утилизацию вторичного тепла, что, естественно, сказы-
вается на стоимости всего процесса производства.
Предложенная в работе классификация ВК позволила указать пути повы-
шения эффективности его работы, а именно:
- применение многокаскадных схем (более трѐх ступеней), что приводит к
увеличению коэффициента μ до 0,85-0,95;
- применение эжектирующих устройств для создания необходимого раз-
ряжения на выходе из ВК, что в свою очередь подразумевает снижение дав-
ления на входе в него.
Выпуск № 82
Воздух от компресора
50oC
80oC
110oC
20oC
50oC
80oC 140oC 20oC
ВТ 1
ВТ 2
ВТ 3 Э
Рис. 7 – Каскадная схема
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила безпеки у вугільних шахтах: Затверджено наказом Міністерства праці та соціальної політики
України від 22.08.2000 №215 ДНОАП 1.1.30–1.01.-00; Зареєстровано 17.10.2000 за №715/4936. – К., 2001. –
481 с.
2. 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.
3. Терпигорев А.М. Горное дело [Энциклопедический справочник] / Терпигорев А.М. –
М.: Углетехиздат, 1959. – 377 с.
4. 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
5. Рей Д. Экономия энергии в промышленности. Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 208 с.
6. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. – М.: Машиностроение, 1969. – 184 с.
7. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент. Теория. Техниче-
ские решения. Под ред. акад. РАН А.И. Леонтьева. – М.: УНПЦ Энергомаш, 2000 – 405 с.
8. Суслов А.Д. Физические основы вихревого эффекта. – М.: Машиностроение, 1985. – 252 с.
9. Абрамович Г.Н. Прикладная газодинамика, изд.3. – М., 1969. – 652 с.
10. Васильев Ю.Н. Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. /
Сб. научн. тр. "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 2.– М.: "Машиностроение",1967. –
С. 171-235.
11. Васильев Ю.Н. Некоторые одномерные задачи течения двухфазной газопарожидкостной смеси /
Сб. научн. тр. "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 6.– М.: "Машиностроение",1972 –
С. 179–201.
12. Патент №31326 Украина, МПК (2006) F04F5/00 B02C 19/06 G01M 9/00 «Кольцевое эжектирующее
устройство» / С.В. Тынына, А.И. Астапов, А.Д. Чаплиц [и др.] / Украина /. u2007 06582 Заявлен от
12.06.2007; опубликован 10.04.2008, Бюл. №7 – 6 с.:ил.
13. Соколов Е.Я., Зигнер Н.М. Струйные аппараты. – М., 1989. – 352 с..
14. Христианович С.А. О расчете эжектора. Сб. "Промышленная аэродинамика", ЦАГИ, 1944. –
С. 35-48.
15. 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.
16. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплона-
сосных системах // АВОК. – 2003. – № 2. С. 56 – 60
17. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы. Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 224с.
18. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энергоатомиздат, 1989. – 128 c.
Рекомендовано до публікації д.т.н. К.К. Софійським 18.08.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33012 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:50:36Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Власенко, В.В. Подоляк, К.К. Стецюк, М.В. 2012-05-26T17:14:53Z 2012-05-26T17:14:53Z 2009 О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров / В.Г. Перепелица, С.В. Тынына, В.В. Власенко, К.К. Подоляк, М.В. Стецюк // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2009. — Вип. 82. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33012 662.210.587:621.572 В роботі обґрунтована можливість застосування вихрових кондиціонерів для нормалізації параметрів шахтного мікроклімату. Приведена їх класифікація по методу утилізації гарячого повітря. Розглянуті можливості підвищення ефективності роботи вихрових кондиціонерів. This work describes the possibility of using vortex conditioners for normalization of mine microclimate conditions. Also this work contains classification of vortex conditioners by method of hot air utilization. In addition, it is considered the possibility of effectiveness increase of 
 vortex conditioners functioning. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров About possibility of increase of efficiency of vortical mine conditioners Article published earlier |
| spellingShingle | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров Перепелица, В.Г. Тынына, С.В. Власенко, В.В. Подоляк, К.К. Стецюк, М.В. |
| title | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров |
| title_alt | About possibility of increase of efficiency of vortical mine conditioners |
| title_full | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров |
| title_fullStr | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров |
| title_full_unstemmed | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров |
| title_short | О возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров |
| title_sort | о возможности повышения эффективности вихревых шахтных кондиционеров |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33012 |
| work_keys_str_mv | AT perepelicavg ovozmožnostipovyšeniâéffektivnostivihrevyhšahtnyhkondicionerov AT tynynasv ovozmožnostipovyšeniâéffektivnostivihrevyhšahtnyhkondicionerov AT vlasenkovv ovozmožnostipovyšeniâéffektivnostivihrevyhšahtnyhkondicionerov AT podolâkkk ovozmožnostipovyšeniâéffektivnostivihrevyhšahtnyhkondicionerov AT stecûkmv ovozmožnostipovyšeniâéffektivnostivihrevyhšahtnyhkondicionerov AT perepelicavg aboutpossibilityofincreaseofefficiencyofvorticalmineconditioners AT tynynasv aboutpossibilityofincreaseofefficiencyofvorticalmineconditioners AT vlasenkovv aboutpossibilityofincreaseofefficiencyofvorticalmineconditioners AT podolâkkk aboutpossibilityofincreaseofefficiencyofvorticalmineconditioners AT stecûkmv aboutpossibilityofincreaseofefficiencyofvorticalmineconditioners |