CH ODZENIE POWIETRZA W WYROBISKACH CH ODZIARK SPRÊ ARKOW O DZIA ANIU BEZPOŒREDNIM**

Transkrypt

1 Górnictwo i Geoin ynieria Rok 5 Zeszyt Marian Branny*, Krzysztof Filek*, Justyna Swolkieñ* CH ODZENIE POWIETRZA W WYROBISKACH CH ODZIARK SPRÊ ARKOW O DZIA ANIU BEZPOŒREDNIM** 1. Wstêp Do zwalczania zagro enia cieplnego w przodkach wydobywczych wyrobisk œlepych mog¹ byæ wykorzystywane urz¹dzenia ch³odnicze wodne przeponowe ch³odnice powietrza przy poœrednim sposobie ch³odzenia lub przystosowane do ch³odzenia powietrza parowniki ch³odziarek sprê arkowych przy ch³odzeniu bezpoœrednim. Lokalizacja tych urz¹dzeñ zale na jest miêdzy innymi od przyjêtego w danym wyrobisku rodzaju lutniowej wentylacji odrêbnej. Przy wentylacji t³ocz¹cej wymiennik ciep³a (wodn¹ ch³odnicê lub parownik) montuje siê na lutnioci¹gu w niewielkiej odleg³oœci od przodka sch³adza on wtedy ca³y strumieñ powietrza œwie ego p³yn¹cy lutnioci¹giem, natomiast przy wentylacji ss¹cej wymiennik ten umieszczony jest w wyrobisku i wyposa ony w dodatkowy wentylator, który t³oczy œwie e powietrze do wymiennika sch³adzana jest wtedy w wyrobisku ta czêœæ powietrza. Wentylator powinien zapewniaæ odpowiednie natê enie przep³ywu powietrza œwie ego przy istniej¹cym oporze wymiennika i ewentualnie po³¹czonego z nim krótkiego odcinka lutnioci¹gu [5, 6]. W sytuacji wykorzystania ch³odnicy wodnej œlepym wyrobiskiem prowadzone s¹ przewody kr¹ ¹cej w obiegu zamkniêtym wody zimnej (zasilaj¹cy i powrotny), a samo ch³odzenie wody odbywa siê najczêœciej poza omawianym wyrobiskiem w przystosowanym do ch³odzenia wody parowniku ch³odziarki sprê arkowej. Je eli natomiast powietrze ch³odzone jest bezpoœrednio w parowniku, to zespó³ maszynowy ch³odziarki (silnik, sprê- arka, skraplacz, zawór rozprê ny, urz¹dzenia sterowania i zabezpieczaj¹ce) umieszcza siê obok parownika tak, by d³ugoœæ przewodów kr¹ ¹cego miêdzy parownikiem a skraplaczem czynnika ch³odniczego nie przekracza³a kilku metrów. Wzd³u wyrobiska prowadzone s¹ wtedy przewody wody ch³odz¹cej skraplacz ch³odziarki; kr¹ y ona zwykle tak e w obwodzie zamkniêtym i jest ch³odzona w ch³odnicy wyparnej usytuowanej poza omawianym wyrobiskiem, w pr¹dzie powietrza zu ytego. * AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydzia³ Górnictwa i Geoin ynierii, Kraków ** Artyku³ powsta³ w ramach prac statutowych nr

2 Artyku³ dotyczy sytuacji bezpoœredniego ch³odzenia powietrza przy ss¹cej wentylacji lutniowej schemat uk³adu pokazano na rysunku 1. Rozwa ono pracê dwóch górniczych ch³odziarek: typu DV-90 i typu TS-00B. Przedstawiono wyniki obliczeñ pracy parowników tych ch³odziarek w wariantach ró ni¹cych siê objêtoœciowym natê eniem przep³ywu ch³odzonego powietrza (Q p ) i jego temperatur¹ na wlocie do po³¹czonych z parownikami wentylatorów (t 0 ). W odniesieniu do ka dej z ch³odziarek przyjêto dwie wartoœci Q p oraz piêæ wartoœci t 0, otrzymuj¹c 0 wariantów obliczeniowych. Wszystkie obliczenia przeprowadzono dla wilgotnoœci wzglêdnej powietrza na wlocie wentylatorów równej 0 = 80%. Wyliczono temperaturê (t ), wilgotnoœæ wzglêdn¹ ( ) i wilgotnoœæ w³aœciw¹ (x ) powietrza na wylocie parownika, a tak e jego moc ch³odnicz¹ (N p ) z podzia³em na zwi¹zan¹ z ciep³em jawnym moc och³adzania powietrza (N pt ) i zwi¹zan¹ z ciep³em utajonym kondensacji pary wodnej moc osuszania powietrza (N px ). Rys. 1. Schemat wyrobiska œlepego z bezpoœrednim ch³odzeniem powietrza przy ss¹cej wentylacji lutniowej. Równania matematycznego modelu parownika Obliczenia wykonano, stosuj¹c wyprowadzony w [1] matematyczny model ch³odziarki sprê arkowej. W modelu tym przyjêto, e poszczególne elementy ch³odziarki maj¹ charakter skupiony, co odpowiada za³o eniu o skokowych zmianach parametrów przep³ywaj¹cych mediów. Poni ej przytoczono równania modelu odnosz¹ce siê do parownika: k F ( t t ) Q ( b )[ c ( t t ) p p c f pm 1 f p 1 c c ( t1x1 t x ) ( r c t )( x x )] w c c p c c 1 c (1) 14

3 k F ( t t ) Q [ e ( t t ) ( r c t )( 1 )] () p p c f f pf 0 f f 0 1 f 0 cf 0 f 0 1 t ( cptc cw tcxc rp xc )( 1 b f ) ( cpt1 cwt1x1 rpx1 )b f rp x c c x p w () x x ( 1 b ) xb 1 dla x ( 1 b ) xb 1 x xnp dla xc ( 1 b ) x1 b x c f f c f f np f f np (4) Równanie (1) wyra a równoœæ ciep³a przep³ywaj¹cego pod wp³ywem ró nicy temperatur w jednostce czasu od powietrza do paruj¹cego czynnika ch³odniczego przez przeponê parownika (miedziane œcianki rurek) i ciep³a odebranego ch³odzonemu powietrzu. Œredni¹ ró nicê temperatur ch³odzonej czêœci powietrza (t c ) i czynnika ch³odniczego (t f ) obliczono jako ró nicê œredni¹ logarytmiczn¹, przyjmuj¹c t f = t f0, gdzie t f0 jest temperatur¹ parowania czynnika ch³odniczego pod panuj¹cym w parowniku ciœnieniem p 0. Przez c p, c w i c c oznaczono ciep³o w³aœciwe odpowiednio powietrza suchego i pary wodnej przy sta³ym ciœnieniu oraz ciek³ej wody, natomiast przez r p ciep³o parowania wody. Pozosta³e symbole u yte w równaniu (1) oznaczaj¹: b f wspó³czynnik bocznikowania parownika, rozumiany [, ] jako stosunek masy ch³odzonej (umownej) czêœci powietrza do ca³ej jego masy [ ], F p pole powierzchni wymiany ciep³a w parowniku [m ], k p wspó³czynnik przenikania ciep³a przez przeponê parownika [W/(m K)], Q pm strumieñ masy powietrza suchego w parowniku [kg/s], t c temperatura ch³odzonej czêœci powietrza (o wydatku masowym Q p (1 b f )) na wylocie parownika [ C], temperatura powietrza na wlocie parownika [ C]; jest ona równa t 1 t 1 t 0 t w (5) gdzie: t 0 t w x c x 1 temperatura powietrza na wlocie wentylatora [ C], przyrost temperatury powietrza w wentylatorze [ C], wilgotnoœæ w³aœciwa ch³odzonej czêœci powietrza na wylocie parownika [kg/kg], wilgotnoœæ w³aœciwa powietrza na wlocie parownika [kg/kg]; obowi¹zuje zale noœæ x x 1 0 (6) gdzie x 0 wilgotnoœæ w³aœciwa powietrza na wlocie wentylatora [kg/kg]. 15

4 Równanie () z kolei przyrównuje ciep³o przep³ywaj¹ce przez œcianki rurek parownika do ciep³a oddanego czynnikowi ch³odniczemu. Wystêpuj¹ce w równaniu symbole c cf0 i c pf0 to ciep³o w³aœciwe paruj¹cego pod ciœnieniem p 0 czynnika ch³odniczego odpowiednio jego fazy ciek³ej i gazowej, a r f0 to jego ciep³o parowania. Przez Q f oznaczono strumieñ masy czynnika ch³odniczego, a przez t f i 1 odpowiednio temperaturê jego przegrzanej pary na wylocie parownika i stopieñ suchoœci na wlocie parownika. Równania () i (4) opisuj¹ mieszanie na wylocie parownika umownej ch³odzonej czêœci powietrza o temperaturze t c i wilgotnoœci w³aœciwej x c z czêœci¹ niech³odzon¹ o temperaturze i wilgotnoœci równych wartoœciom wlotowym t 1 i x 1. Parownik opuszcza powietrze o temperaturze t, wilgotnoœci w³aœciwej x i wilgotnoœci wzglêdnej. Przez x np oznaczono wilgotnoœæ w³aœciw¹ powietrza nasyconego par¹ wodn¹ na wylocie parownika. Ca³kowita moc (wydajnoœæ) ch³odnicza parownika (N p ), rozumiana jako ciep³o odebrane powietrzu w jednostce czasu, jest równa N Q c ( t t ) c ( t x t x ) ( r c t )( x x ) p pm p 1 w 1 1 p c 1 (7) Ca³kowita moc parownika jest sum¹ jego mocy jawnej (N pt ) zwi¹zanej ze zmian¹ temperatury powietrza i mocy utajonej (N px ) zwi¹zanej ze zmian¹ wilgotnoœci w³aœciwej powietrza na skutek kondensacji zawartej w powietrzu pary wodnej, przy czym: N Q c ( t t ) c ( t x t x ) pt pm p 1 w 1 1 (8) N Q ( r c t )( x x ) px pm p c 1 (9). Wyniki obliczeñ Obliczenia wykonano z wykorzystaniem utworzonego programu komputerowego, przyjmuj¹c dwie wartoœci strumienia powietrza w parowniku: Q p =10m /s i Q p = 8,5 m /s. Pierwsza z tych wartoœci odpowiada pracy ch³odziarki w warunkach zbli onych do nominalnych, natomiast druga obni onej wydajnoœci parownika na skutek zast¹pienia jego wentylatora fabrycznego wentylatorem WLE-804AM. We wszystkich wariantach przyjêto t w = C. Za³o ono, e w ch³odziarce DV-90 kr¹ y czynnik ch³odniczy R, a w ch³odziarce TS00B czynnik R407C. Niezbêdne dane dotycz¹ce czynników ch³odniczych okreœlono na podstawie [4]. Wyniki obliczeñ zestawiono w tabeli 1, a tak e na wykresach (rys. 6), na których przedstawiono moc ch³odnicz¹ parownika N p, z podzia³em na czêœæ N pt i N px, temperaturê powietrza sch³odzonego t, jego wilgotnoœæ wzglêdn¹ i w³aœciw¹ x w funkcji temperatury powietrza na wlocie wentylatora t 0. U yte w tabeli 1 oznaczenia 0 i 1 to wilgotnoœæ wzglêdna powietrza odpowiednio na wlocie wentylatora i na wlocie parownika. 16

5 TABELA 1 Wyniki obliczeñ parametrów powietrza sch³odzonego i mocy parownika Typ ch³odziarki Qp t0 0 t1 1 x1 = x0 t x Npt Npx Np [m /s] [ C] [%] [ C] [%] [g/kg] [ C] [%] [g/kg] [kw] [kw] [kw] ch³odziarka DV-90 ch³odziarka TS-00B 8,5 10,0 8,5 10,0 8,0 0,0 71,7 19,9 19,15 97,4 1,66 109,6 19,7 9, 9,0 1,0 71, 0,48 19,98 97,44 14,40 111, 19,1 50, 0,0 80,0,0 71,9 1,74 0,8 97,46 15,0 11,8 148,7 61,5 1,0,0 71,45,06 1,68 97,48 16,04 114,1 158,6 7,7,0 4,0 71,51 4,46,55 97, , 168,6 8,9 8,0 0,0 71,7 19,9 19,6 96,96 14,01 1,4 14,0 66,4 9,0 1,0 71, 0,48 0,46 96,98 14,78 15, 15,5 78,7 0,0 80,0,0 71,9 1,74 1,1 97,00 15,59 16,9 164,1 91,0 1,0,0 71,45,06,17 97,0 16,46 18,4 175,1 0,5,0 4,0 71,51 4,46,05 97,04 17,9 19,8 186, 16,0 8,0 0,0 71,7 19,9 18,78 95,6 1,09 11,5 14,9 56,4 9,0 1,0 71, 0,48 19,57 95,69 1,77 115,5 15,6 69,1 0,0 80,0,0 71,9 1,74 0,7 95,76 14,50 117,4 164,6 8,0 1,0,0 71,45,06 1,19 95,81 15,8 119,1 175,8 94,9,0 4,0 71,51 4,46,0 95,86 16,11 10,7 187, 08,0 8,0 0,0 71,7 19,9 19,0 95,00 1,44 17,4 158,5 85,9 9,0 1,0 71, 0,48 0,10 95,07 14,15 19,7 170,4 00,1 0,0 80,0,0 71,9 1,74 0,91 95,1 14,91 11,7 18,6 14, 1,0,0 71,45,06 1,74 95,19 15,7 1,7 195,1 8,8,0 4,0 71,51 4,46,59 95, 16,58 15,4 07,9 4, 17

6 ] Ch³odziarka DV-90, strumieñ powietrza Q p =8,5 m /s Np m o c p a r o w n ik a [ k W m o c p a r o w n ik a N k W ] N p p [ Ch³odziarka DV-90, strumieñ powietrza Q p =10,0 m /s N p N px Npt Npx Npt Rys.. Moc ch³odnicza (N p ) parownika ch³odziarki DV-90 z podzia³em na moc och³adzania (N pt ) i moc osuszania (N px ) w funkcji temperatury powietrza w wyrobisku przed sch³odzeniem (t 0 ) przy natê eniu przep³ywu powietrza: a) Q p = 8,5 m /s; b) Q p = 10,0 m /s 18

7 ] 50 Ch³odziarka TS-00B, strumieñ powietrza Q p =8,5 m /s 00 Np 50 m o c p a r o w n ik a [ k W m o c p a r o w n ik a N k W ] N p p [ Ch³odziarka TS-00B, strumieñ powietrza Q p =10,0 m /s N p Npx N pt N px N pt Rys.. Moc ch³odnicza (N p ) parownika ch³odziarki TS-00B z podzia³em na moc och³adzania (N pt ) i moc osuszania (N px ) w funkcji temperatury powietrza w wyrobisku przed sch³odzeniem (t 0 ) przy natê eniu przep³ywu powietrza: a) Q p = 8,5 m /s; b) Q p = 10,0 m /s 19

8 5 Ch³odziarka DV-90 temperatura powietrza na wylocie parownika [ C] Q = 10,0 m /s p Q = 8,5 m /s p temperatura powietrza na wylocie parownika [ C] Ch³odziarka TS-00B Q = 10,0 m /s p Q = 8,5 m /s p Rys. 4. Temperatura powietrza sch³odzonego (t ) w funkcji temperatury powietrza w wyrobisku przed sch³odzeniem (t 0 ): a) ch³odziarka DV-90; b) ch³odziarka TS-00B 0

9 Ch³odziarka DV-90 wilgotnoœæ w³aœciwa powietrza na wylocie parownika [%] Q p = 8,5 m /s Q = 10,0 m p /s Ch³odziarka TS-00B wilgotnoœæ w³aœciwa powietrza na wylocie parownika [%] Q = 8,5 m p /s Q p = 10,0 m /s Rys. 5. Wilgotnoœæ wzglêdna powietrza sch³odzonego ( ) w funkcji temperatury powietrza w wyrobisku przed sch³odzeniem (t 0 ): a) ch³odziarka DV-90; b) ch³odziarka TS-00B 1

10 Rys. 6. Wilgotnoœæ w³aœciwa powietrza sch³odzonego (x ) w funkcji temperatury powietrza w wyrobisku przed sch³odzeniem (t 0 ): a) ch³odziarka DV-90; b) ch³odziarka TS-00B

11 4. Podsumowanie W przypadkach gdy temperatura powietrza p³yn¹cego œlepym wyrobiskiem w stronê przodka mieœci siê w granicach miêdzy 8 C a C, przy jego wilgotnoœci wzglêdnej oko³o 80% i przy wzroœcie temperatury powietrza w wentylatorze o oko³o C, mo na oczekiwaæ temperatury powietrza sch³odzonego w granicach od oko³o 19 C do C (czyli o oko³o 9 C ni szej ni przed wentylatorem) i wilgotnoœci wzglêdnej od 95% do 97,5%. Ograniczenie natê enia przep³ywu powietrza z 10 m /s do 8,5 m /s przy niezmiennych pozosta³ych parametrach powietrza na wlocie powoduje obni enie jego temperatury na wylocie parownika o oko³o 0,5 C i wilgotnoœci wzglêdnej o oko³o 0,5 0,6%. Wyliczona moc ch³odnicza parownika mieœci siê w zakresie od oko³o 40 kw do oko³o 40 kw. Temperatura powietrza poddawanego ch³odzeniu wyraÿnie wp³ywa na wartoœæ mocy wzrost tej temperatury o 1 C daje efekt w postaci wzrostu mocy o oko³o 11 14,5 kw, zale nie od typu ch³odziarki i wydatku przep³ywu powietrza ch³odzonego; temperatura powietrza na wylocie roœnie wtedy o oko³o 0,8 0,9 C. Przy wilgotnoœci wzglêdnej powietrza przed sch³odzeniem równej 80% moc osuszania powietrza w ka dym z rozwa onych przypadków przekracza moc jego och³adzania moc osuszania (utajona) stanowi oko³o 55 60%, a moc och³adzania (jawna) oko³o 40 45% ca³kowitej mocy parownika. Oznacza to, e nieco mniej ni po³owa wydajnoœci parownika daje skutek w postaci obni enia temperatury powietrza, pozosta³a czêœæ jest zu ywana na skroplenie pary wodnej zawartej w ch³odzonym powietrzu. Literatura [1] Nowak B., Filek K.: Mathematical description of media parameters changes in the compression refrigerator. Archives of Mining Sciences, issue 1, vol. 54, 009 [] Häussler W.: Zastosowanie wykresu i-x w in ynierii sanitarnej. Warszawa, Arkady, 1971 [] Ko³odziejczyk L., Rubik M. Technika ch³odnicza w klimatyzacji. Warszawa, Arkady, 1976 [4] Bonca Z., Butrymowicz D., Dambek D., Depta A., Targañski W.: Czynniki ch³odnicze i noœniki ciep³a. W³asnoœci cieplne, chemiczne i eksploatacyjne. Poradnik. Gdañsk, Wyd. IPPU Masta, 1998 [5] Nowak B.: Temperatura i wilgotnoœæ powietrza w wyrobiskach korytarzowych przewietrzanych nieszczelnymi lutnioci¹gami. Rozprawy Monografie, nr 56, Kraków, Wydawnictwa AGH, 1997 [6] Sinha A.: Variation of temperature and humidity of cooled air in mine dog heading galleries ventilated through leaky duct lines. Kraków, AGH, 1996