автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Нормализация теплового режима рабочих пространств установок геологоразведочного бурения

од

На правах рукописи

ДЕНИСОВ Валерий Николаевич

НОРМАЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОЧИХ ПРОСТРАНСТВ УСТАНОВОК ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ

Специальность 05.26.01 Охрана труда

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте методики и техники разведки (ВИТР) Комитета Российской Федерации по геологии и использованию недр.

Научный консультант:

академик РАЕН, доктор технических наук профессор Ю.В.Шувалов.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, академик РАЕН, доктор технических наук профессор Б.БЖудряшов,

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук профессор Л.С.Тимофеевский, доктор технических наук В.В.Ильин.

Ведущая организация: ГГП "Невскгеология"

Защита диссертации состоится _ 1997 г. в

/3 ч /( мин на заседании диссертационного совета Д.063.15.11 в Санкт-Петербургском горном институте им.Г.В.Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В-26, 21-я линия, д.2 в зале заседаний '№ 2 (Портретная галерея).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова.

Автореферат разослан

1997 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета ' ¡1 ^ А.Н.Маковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.Научно-технический прогресс в геологоразведочном производстве и повышение эффективности буровых работ приближают труд буровиков к труду рабочих высокомеханизированных промышленных предприятий. В зависимости от используемого оборудования и инструмента уровень механизации в отрасли колеблется от 75 до 80 -4- 85% от общего числа выполняемых операций. В начале 90-х годов на геологоразведочном бурении было занято более 40 тысяч работающих, обслуживающих около 2900 самоходных и 3300 передвижных и стационарных буровых установок. Постоянное развитие техники и технологии бурения геологоразведочных скважин требует систематического совершенствования организации работ по охране труда, в том числе производственной санитарии. Вместе с тем, в геологоразведочном бурении есть свои специфические особенности организационного и технологического плана, которые требуют нетрадиционного подхода к решению санитарно-гигиенических проблем, а именно:

- приуроченность к малонаселенным, необжитым, таежным и труднодоступным районам;

- рассредоточенность объектов при относительно малых объемах работ;

- производство работ в сложных природно-климатических условиях;

- сезонность и мобильность работ.

Анализ ежегодных технико-экономических показателей геологоразведочного бурения на протяжении последних 20-25 лет свидетельствует о том, что экономические потери от травматизма и заболеваемости в отрасли вызваны преимущественно природно-климатическими условиями регионов, где производятся работы и значительно превосходят профилактические расходы, имея устойчивую тенденцию роста, особенно, после 90-х годов.

Актуальность проблемы нормализации условий труда по тепловому фактору в геологоразведочном производстве связана с тем, что помимо повышения уровня травматизма, роста общих и

появления случаев профессиональных заболеваний на буровых работах, происходит значительное снижение производительности труда обслуживающего персонала. Производительность труда буровой бригады при температуре 45-50° С составляет Юн- 30% от производительности в нормальных условиях, при этом превышение температуры воздуха относительно допустимых значений (26-г-27°С) всего на несколько градусов вызывает увеличение частоты травмирования на 40%.

Успешность решения проблемы будет в значительной степени также определять уровень энергопотребления буровых установок. Результаты обследований показывают, что для буровых установок IY-YII классов, эксплуатируемых в северных районах страны, мощность систем отопления превышает десятки киловатт, что выше технологического энергопотребления.

В нашей стране работы по обеспечению нормальных условий труда в геологоразведочном производстве проводились во ВНИИ методики и техники разведки (г.Санкт-Петербург), Гипрогеол-строе, МГРИ, ЦНИГРИ, СКБ Роскомгеология (г.Москва), а также Днепропетровском горном институте, Криворожском горнорудном институте, СКБ "Союзгеотехника"(г.Луганск). Совершенствованию способов и средств нормализации микроклимата на установках геологоразведочного бурения посвящены работы П.Я.Богинского, В.И.Деньгуба, Ю.Ю.Кочинева, Д.М.Кураса, А.М.Лимитовского, В.И.Лузганова, В.И.Муравейника,

A.А.Немченко, А.В.Пономарева, В.П.Соколовского,

B.М.Степаньяна, Ю.В.Тихонова и др. Большой вклад в изучение гигиенических и санитарно-технических аспектов теплового режима мобильных зданий и сооружений внесли Л.Г.Бошнякович, О.Е.Гаврилова, И.А.Казанцев, А.А.Немченко и др. Анализ публикаций показал, что в настоящее время закономерности формирования теплового режима рабочих пространств буровых установок изучены недостаточно, а рациональные пути и способы его нормализации не разработаны.

В этой связи возникает настоятельная необходимость совершенствования существующих и разработки принципиально новых методов и технических решений, позволяющих улучшить произ-

водственный микроклимат для буровых бригад, работающих, прежде всего, в регионах с экстремальными климатическими условиями, при минимальных энергозатратах и с учетом особенностей, обусловленных многообразием применяемых строительных и объемно-планировочных решений, спецификой геологоразведочного производства и технологических операций, природно-климатических факторов.

Основные положения диссертации базируются на результатах исследований, проведенных автором в 1982-95 гг. по заданию и в соответствии с Координационным планом НИР и ОКР бывшего Министерства геологии, а затем Комитета РФ по геологии и использованию недр (NN гос. регистрации НИР: 81050940, 0186 0071278, 0187 0061935, 0187 0061941, 01.9.20014936).

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является нормализация параметров воздушной среды по тепловому фактору и предупреждение ее негативного влияния на обслуживающий персонал мобильных буровых геологоразведочных установок, эксплуатируемых в регионах с экстремальными климатическими условиями, на основе использования прогрессивных научно обоснованных методов и технических решений.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в максимальном использовании естественных факторов и физических эффектов ресурсосбережения при создании способов, систем и технических средств кондиционирования производственной воздушной среды объектов геологоразведочных работ, проводимых в экстремальных климатических условиях северных и южных регионов страны.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ включают математический анализ, стендовые и натурные эксперименты, опытно-конструкторские разработки, базирующиеся на результатах обобщения патентной информации, а также собственных исследований.

Теоретическая часть исследований основана на математическом моделировании тепловых и аэродинамических процессов с экспериментальной проверкой расчетных данных методом физического моделирования на макетах буровых зданий, имитирующих, при соблюдении соответствующих критериев подобия,

стадии технологического процесса бурения скважин, а также действие климатических факторов с учетом специфики принятых инженерно-строительных решений.

Опытно-конструкторские работы направлены на разработку и изготовление с последующей промышленной проверкой опытных образцов противоветрового дефлектора, аэродинамического от-секателя, малогабаритных воздухоохладителей и других технических средств для улучшения по тепловому фактору условий труда буровых бригад, работающих в регионах с экстремальными климатическими условиями.

Производственные испытания разработанных технических средств проводились в ряде геологоразведочных экспедиций Полярного и Северного Урала, Казахстана, Украины, на объектах буровых работ Узбекистана и Туркмении.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ :

1. Управление тепловым режимом рабочих пространств установок геологоразведочного бурения достигается путем применения единого комплекса мероприятий, обоснованного в результате изучения влияния метеорологических, инженерно-строительных и технологических факторов на состояние микроклимата, и выбора рациональных систем, способов и технических средств кондиционирования воздуха .

2. Снижение интенсивности ветровой аэрации и уровня конвективных теплопотерь через верхний технологический проем зданий буровых установок достигается компенсацией разрежения воздуха в плоскости проема с максимальной реализацией энергии ветрового потока, которая обеспечивается оптимизацией конструктивных и аэродинамических параметров безэнергоемких устройств нового типа.

3. Тепловые и аэродинамические процессы во внутреннем пространстве укрытий буровых установок в холодный период года зависят от выбора схемных решений и параметров систем воздушно-струйной защиты горизонтального технологического проема, определяющих угол наклона плоских струй, скорость истечения воздуха и ширину щели воздухо-раздающих устройств.

4. Установленные закономерности тепломассообменных про-

цессов внутри укрытий буровых установок, разработка принципиальных схем утилизации вторичной теплоты дизельного привода и созданный на этой основе комплекс аэродинамических устройств (ВЗ и ПВД) и теплообменных аппаратов - теплоутилизато-ров, обеспечивают повышение эффективности и снижение энергозатрат систем нормализации теплового режима рабочих пространств в холодный период года не менее, чем на 30 - 40%.

5.Полученные зависимости холодопроизводительности пенно-испарительного блока от его конструктивных параметров, расхода воздуха и уровня воды в поддоне аппарата обеспечивают создание нового автономного фреонового кондиционера и малогабаритного воздухоохладительного агрегата с адиабатическим охлаждением воздуха / холодопроизводительность 12,0 и 8,0 кВт/ , внедрение которых повышает эффективность систем регулирования теплового режима в производственных помещениях на объектах буровых работ, проводимых в регионах с жарким сухим климатом и ограниченными водными ресурсами.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, выводов И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается: удовлетворительной сходимостью результатов моделирования, стендовых и аналитических исследований тепломассообменных процессов с данными опытно-промышленных испытаний технических средств нормализации теплового режима рабочих пространств буровых установок в различных климатических зонах; результатами внедрения предложенных методических и научно-технических разработок на объектах геологоразведочного производства и смежных отраслей на территории России и СНГ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ : - установлена на основе экспериментальных и аналитических исследований количественная зависимость интенсивности процесса воздухообмена через горизонтальный технологический проем зданий буровых установок от основных конструктивных, геометрических и аэродинамических параметров устройств нового класса: противовет-рового дефлектора, аэродинамического отсекателя и тепловоз-душной завесы для условий естественной аэрации;

- установлена качественная и количественная зависимость хо-

лодопроизводительности нового автономного фреонового кондиционера от конструктивных характеристик и параметров режима работы пенно-испарительного конденсатора в результате стендовых исследований экспериментального образца холодильного агрегата.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов исследований заключается в следующем:

- разработан комплекс способов и малоэнергоемких технических средств нормализации теплового режима рабочих пространств установок геологоразведочного бурения, позволяющий значительно улучшить санитарно-гигиенические условия труда буровых бригад, работающих в различных климатических зонах;

- разработаны методические основы теплотехнического расчета укрытий буровых установок, включающие комплекс методов определения оптимальных параметров предлагаемых средств тепловой защиты буровых зданий в холодный период года;

- разработаны схемные и конструктивные решения системы комплексной утилизации вторичного тепла дизельного привода буровых установок, обеспечивающие наряду со значительным социальным эффектом экономию топливных энергоресурсов;

- обоснована возможность создания параметрического ряда автономных фреоновых кондиционеров общепромышленного назначения на базе конденсатора пенно-испарительного типа.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и рекомендации, разработанные по результатам проведенных исследований, использовались проектными подразделениями отраслевых институтов ВИТР (Санкт-Петербург), Гипрогеолстрой (Москва). Методические указания по теплотехническому расчету зданий буровых установок внедрены в геологической отрасли и используются в большинстве геологоразведочных организаций, осуществляющих проектирование буровых зданий.

Основные результаты исследований по нормализации условий труда по тепловому фактору реализованы в опытно-конструкторских разработках. По заданию Управления охраны труда Мингео комплекты конструкторской документации (КД) на аэродинамические средства тепловой защиты буровых зданий

были направлены для внедрения в 100 геологических подразделений отрасли. Комплект КД на газоводяной теплообменник -утилизатор тепла дизельного привода буровых установок передан на завод-изготовитель АО "Сантех" (Санкт-Петербург) для освоения серийного производства.

Внедрение разработанных технических средств на уровне промышленных образцов осуществлено при непосредственном участии автора по прямым хоздоговорам на ряде производственных предприятий РФ, Украины, Казахстана, Узбекистана и Туркменистана в 1988-95 гг. По внедренным разработкам получен социально-экономический эффект.

Под непосредственным руководством и при участии автора проведено внедрение разработанных научно-методических материалов по нормализации теплового режима укрытий буровых установок в учебный процесс обучения слушателей Отраслевого центра повышения квалификации руководителей и инженерно-технических работников геологических организаций на базе ВИТР, а также студентов технических специальностей Туркменского политехнического института.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА:

- основная идея работы, постановка задач исследований и разработка методологии их решения;

- разработка теоретических положений исследования факторов, определяющих параметры теплового режима рабочих пространств производственных помещений, имеющих открытый горизонтальный технологический проем;

- разработка методик исследований, физических моделей и участие в проведении экспериментальных работ по выявлению закономерностей формирования теплового режима рабочих пространств буровых установок;

- обоснование и расчет основных аэродинамических и конструктивных параметров горизонтальной тепловоздушной завесы, про-тивоветрового дефлектора и аэродинамического отсекателя;

- обоснование, разработка и внедрение новых прогрессивных решений, способов и средств нормализации теплового режима с использованием естественных факторов (энергии ветрового по-

тока), а также схем комплексной утилизации вторичного тепла ДВС;

- обоснование и разработка новых автономных воздухоохлади-тельных аппаратов общепромышленного назначения для регионов с сухим жарким климатом и ограниченными водными ресурсами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Отдельные положения диссертации докладывались автором на совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях, в том числе:

- межотраслевом научном семинаре "Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха", Ленинград, 1983;

- II региональной научно-технической конференции Северо-Запада "Пути повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин", Ленинград, 1985;

- Ill региональной научно-технической конференции Северо-Запада, Ленинград, 1987;

- XXIII, XXIY и XXY республиканских научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МинВУЗа ТССР, Ашхабад, 1987-89 гг;

- региональном научно-практическом семинаре "Охрана труда на геологоразведочных работах", Петрозаводск, 1989;

- технических совещаниях и советах ряда промышленных предприятий и объединений РФ и стран СНГ (1983-94 гг.);

- международной конференции "Научно-практические аспекты управления качеством воздуха", Санкт-Петербург, 1995;

- международной конференции "Healthy buildings'95", Италия, Милан, 1995.

- международной конференции "Энергосбережение в промышленности" ,С-Петербург, 1996;

Технические средства теплозащиты буровых зданий демонстрировались на ВДНХ СССР (1985) и удостоены бронзовой медали.

В полном объеме диссертация докладывалась и обсуждалась на расширенных заседаниях УС ВИТР и кафедры рудничной вентиляции и охраны труда СПГГИ в 1996 году.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание проблемы, которой посвящена диссертация, опубликовано автором в 44 работах, в том числе трех брошюрах, одной монографии, шести авторских свидетельствах, подтверждающих новизну решений (35 из них приведены в списке в конце автореферата).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов; изложена на 258 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 258 наименований и 10 приложений.

В первой главе выполнен анализ причин неблагоприятного состояния микроклимата на объектах геологоразведочного бурения, а также существующих способов и средств улучшения теплового режима рабочих пространств и оценена возможность их использования на буровых установках; сформулированы цель и задачи исследований. Во второй главе приведено обоснование новых принципиальных решений по управлению тепловым режимом рабочих пространств установок геологоразведочного бурения и даны прогнозные рекомендации по выбору рациональных способов и средств нормализации производственного микроклимата для регионов с экстремальными климатическими условиями. Третья глава освещает результаты исследований в разработке комплекса новых малоэнергоемких аэродинамических средств нормализации теплового режима в укрытиях буровых установок, эксплуатируемых в регионах с холодным климатом. В четвертой главе обоснованы принципиальные схемы утилизации вторичного тепла ДВС для одно- и двухблочного вариантов буровых установок, а также дан алгоритм расчета конструкций теплообменных аппаратов двух типов. В пятой главе обобщены результаты аналитических, стендовых и производственных исследований автономных средств кондиционирования воздуха для регионов с жарким сухим климатом и ограниченными водными ресурсами . Шестая глава посвящена разработке методик расчета и выбора параметров аэродинамических средств нормализации теплового режима зданий буровых установок в холодный период года.

В заключении обобщены результаты исследований в соот-

ветствии с поставленными задачами и даны рекомендации по внедрению перспективных направлений и совершенствованию средств и способов нормализации производственного микроклимата в укрытиях установок геологоразведочного бурения.

В подборе материалов, обработке их и выполнении отдельных экспериментальных исследований, приведенных в диссертации, принимали участие А.И.Бочаров, П.Я.Богинский, Н.Г.Рожков, И.А.Николаева, А.В.Пономарев, Е.Д.Разрезов, И.М.Оркин и другие сотрудники отдела охраны труда, а также специалисты Всероссийского НИИ методики и техники разведки (ВИТР) Лившиц И.С. и А.М.Иванова, которым автор выражает благодарность.

Автор благодарит работников производственных геологических объединений Российской Федерации А.И.Павлюткина,

A.В.Селянкина, В.А.Лаврова, В.А.Блинова, В.Н.Сенина,

B.П.Михайленко, А.Г.Домбровского и других.

Автор считает необходимым отметить дружескую помощь доцента Криворожского горнорудного института кандидата технических наук А.А.Немченко, доцента Туркменского политехнического института кандидата технических наук В.М.Степаньяна, старшего научного сотрудника Санкт-Петербургского Высшего военно-строительного училища им. генерала армии А.Н.Комаровского кандидата технических наук В.Д.Мерчанского, чьи советы и критические замечания были использованы при проведении работы. Автор благодарит также доцентов Санкт-Петербургского политехнического университета кандидатов технических наук Ю.Ю.Кочинева и Л.Е.Магедовича за участие в совместных исследованиях микроклимата буровых установок Заполярья и ценные замечания по работе.

Особую благодарность автор выражает профессору НИИ промышленной и морской медицины доктору технических наук Бит-колову Нуру Закирзяновичу и заведующему кафедрой Санкт-Петербургского Горного института, профессору, доктору технических наук Шувалову Юрию Васильевичу за творческую поддержку в период работы над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Управление тепловым режимом рабочих пространств установок геологоразведочного бурения достигается путем применения единого комплекса мероприятий, обоснованного в результате изучения влияния метеорологических, инженерно-строительных и технологических факторов на состояние микроклимата и выбора рациональных систем, способов и технических средств кондиционирования воздуха.

В ходе комплексных обследований объектов буровых работ, выполненных в рамках отраслевых заданий с 1972 по 1983 гг., установлено ухудшение состояния микроклимата в укрытиях буровых установок при одновременном увеличении потребления энергоресурсов на отопление производственных помещений.

Детальные исследования позволили выявить и изучить основные закономерности формирования теплового режима зданий буровых установок с учетом аэродинамической связи внутреннего объема укрытия с атмосферой, возникающей благодаря наличию открытых технологических проемов и неплотностей в ограждающих наружных строительных конструкциях буровых зданий, определить микроклиматические параметры на основных рабочих местах, а также оценить эффективность существующих средств и способов нормализации микроклимата.

В холодный период года было обследовано более 30 буровых установок с различными схемами размещения технологического оборудования и строительно-планировочными решениями в ПГО "Южукргеология", "Иркутскгеология", "Запсибгеология", "Читагеология", "Полярноуралгеология", "Севзапгеология", "Красноярскгеология" и "Туркменгеология". Замеры проводились в интервале температур наружного воздуха от минус 27 до плюс 18,6°С. Температура воздуха на рабочих местах внутри буровых зданий составила от минус 10 до плюс 17 С, что ниже значений, допустимых санитарными нормами. Характерно наличие значительного градиента температур по высоте помещения (5,9-г 8,4 град/м), превышающего допустимое значение в несколько раз.

Микроклимат буровых зданий отличается высокой динамичностью всех его параметров, а термодинамические процессы, формирующие микроклимат, характеризуются большой нестабильностью как во времени, так и в пространстве, что в значительной степени связано с особенностью технологических операций при ведении буровых работ. Эти выводы подтверждены многочисленными замерами и ходом кривых суточных совмещенных термограмм в зданиях буровых установок каркасного и панельно-щитового типов, полученных в зимний период года.

Микроклимат зданий буровых установок в летний период года определяется прежде всего интенсивностью солнечной радиации, а разность температур воздуха в здании и за его пределами зависит от времени суток и составляет несколько градусов. Значения альбедо, измеренные непосредственно в полевых условиях, для элементов наружных ограждений зданий буровых установок Южно-Туркменской и Криворожской ГРЭ составили величину от 0,13 до 0,55. С учетом этого воздействие инсоляции на непрозрачные ограждения (стены, кровлю) приводит к значительному нагреву. По данным натурных замеров, при интенсивности солнечной радиации 0,8-г 1,1 кВт/м2 , температура поверхности облицовочных материалов стен и крыши достигает 55 -е- 80°С, что сопровождается повышением температуры воздуха в здании на 5,6 -н 7,0вС по отношению к атмосферному.

Выполненные натурные обследования, проведенные в большинстве регионов страны, показали, что сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций буровых зданий колеблется от 0,27 до 2,8 м 2 К/Вт, а в основном равно 0,4-0,6

м2 К/Вт. Таким образом, наружные ограждения зданий буровых установок, находящихся в эксплуатации преимущественно в северных районах страны, относятся по СНиПН-3-79** к типу легких с приведенной тепловой инерцией, не превышающей 2,5.

Наиболее важным показателем зданий буровых установок с точки зрения обеспечения параметров теплового режима на рабочих местах и минимизации энергетических затрат на отопление в холодный период года является степень воздухопроницаемости

или герметичность наружных ограждающих конструкций, под которой понимается отношение суммарной площади поперечных сечений неплотностей к площади соответствующего ограждения. Причиной разгерметизации буровых зданий помимо верхнего технологического проема часто являются открытые рабочая и запасная двери, а также пол здания. Натурные обследования по количественной оценке степени герметичности различных типов наружных ограждающих конструкций (на примере зданий Криворожской ГРЭ) дали следующие результаты: крыша (кровля) -8-ь 17%; пол - 0,1 ^0,8%; рабочая дверь - 0,04-т-0,75%; запасная дверь - 0,01 -г-0,06 (в открытом положении до 17н-35%). Герметичность зданий буровых установок ухудшается с увеличением времени эксплуатации: в течение 1,5 лет - на 50%, 4-6 лет - на 100%.

Степень герметичности наружных строительных ограждающих конструкций является наиболее существенным фактором, влияющим на интенсивность естественного воздухообмена в буровых зданиях. Натурные замеры показали, что даже в достаточно герметичном буровом здании кратность воздухообмена составляет величину Ю-нЗО 1/час. При нарушении герметичности и неблагоприятных метеорологических параметрах, например, высокой скорости ветра, кратность воздухообмена возрастает до 220-^-250 1/час, что в условиях северных регионов приводит к быстрому выхолаживанию внутреннего объема укрытий буровых установок.

Анализ результатов расчета интенсивности ветровой аэрации показал, что наличие третьего (вспомогательного) проема, независимо от его ориентации относительно длинной оси бурового здания, увеличивает воздухообмен по сравнению с наличием двух технологических проемов в среднем на 16н-25%. Соотношение максимальных, среднегеометрических и минимальных расходов воздуха через здание в зависимости от направления ветра, определяющего величины коэффициента ветрового давления на ограждающие конструкции, для каждого из вариантов размещения технологических проемов оценивается как 3:2:1.

Методом продувки моделей буровых зданий в аэродинамической трубе установлены значения коэффициента ветрового давления К в для вертикальных ограждающих строительных конструкций (-0,49 < К в<0,87), верхнего среза фонаря ( К3=-0,42±0,01), для крыши здания ( К в=-0,34±0,01). Аэродинамический коэффициент внутри бурового здания К 3 составил величину минус 0,36 ± 0,01.

Общий уровень теплопотерь буровых зданий на 60 -г 80% определяется эксфильтрацией нагретого воздуха через незакры-вающийся верхний технологический проем путем совместного действия тепловой и ветровой аэрации. Причем влияние тепловой аэрации на результирующий воздухообмен значимо при скорости ветра до 10 м/с.

Экспериментальный материал позволил проанализировать и количественно оценить изменение температуры воздуха в буровом здании на основе решения дифференциального уравнения, общий вид которого

С?!7 / \

£ (т)ъ*— = т) , (1)

где В, (г) - коэффициент тепловой инерции бурового здания как термодинамической системы; \Л/- суммарная теплоемкость этой системы, кДж-К ; Т ,Тв - температура воздуха внутри и снаружи бурового здания, К; (? ^ - тепло, поступающее или уходящее из системы в единицу времени, кДж* ч"1,- л=1,2.....6; V -

скорость ветра, м/с; т -время, с.

На основе решения уравнения с использованием ЭВМ оценено влияние на температурный режим таких конструктивных показателей буровых зданий, как степень герметичности и приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций, а также, исходя из особенностей схем воздухообмена передвижных буровых зданий, выполнен расчет требуемой сум-

марной теплопроизводительности (201 ,кДж * ч 1 системы отопления:

& = (3,6-Кп-Н+а-Сь-Ь- У0) • (Г-Гн) +3600 С^ • (Г-Гн) •

' <2)

где К п - приведенный коэффициент теплопередачи ограждающих

конструкций бурового здания, Вт'м 2-ЛГ_1;Н - суммарная поверх-

2

ность наружных ограждающих конструкций, м ; а - коэффициент избытка воздуха при сжигании топлива (а =2,47); Св - удельная

теплоемкость воздуха, кДж* кг"1^-1; Ст - расход топлива,

кг* ч-1; - теоретически необходимое количество воздуха для

сжигания 1 кг топлива, кг* кг-1; ¡л ,/л0 - коэффициенты расхода

воздуха дверного проема и неплотностей в ограждающих конструкциях; Р - суммарная площадь неплотностей ограждающих кон-

2

струкции здания и площадь дверного проема, м ; гэ - эквивалентное по воздухопроницанию время открывания дверей, ч; N -число открываний дверей в единицу времени; 0,9 - коэффициент, учитывающий влияние фигуры человека в сечении дверного проема на объем протекающего воздуха; М'- суммарная расходуемая мощность электропривода оборудования, кДж * ч ~ ; у/ - средний КПД

электродвигателей; у/ - коэффициент использования их во времени; у/ з - коэффициент одновременности работы; у - коэффициент, характеризующий долю перехода механической энергии в тепловую.

Перепад давления воздуха внутри здания Ар, Па, относительно атмосферного рассчитывается по формуле:

Ар= 931- Ь (рв -р£) + О* ра ■V2 • (к, - К^) , (3)

где Ь - расстояние по вертикали от уровня зоны нейтральных давлений до верхнего среза фонаря бурового здания, м; рв ,рв

- плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м3; Кпр -

аэродинамический коэффициент на верхнем срезе фонаря бурового здания; К 3 - аэродинамический коэффициент внутри буро-

-1

вого здания; V - скорость ветра, м с .

Произведение у/1 • у/ г • у2 • у/А на буровых установках принимается равным 0,25. Расстояние Л = 0,5Н ф ■ К ' , где Я ф -

общая высота здания с фонарем, м; К'- коэффициент, характеризующий соотношение площадей эквивалентных отверстий, работающих на приток и на вытяжку, принимаемый равным 0,1 0,2.

На рис.1 приведены графики расчетной теплопроизводитель-ности системы обогрева буровых зданий в зависимости от температурного перепада при характерных значениях приведенного коэффициента теплопередачи, площади приточных и вытяжных отверстий, а также скорости ветра.

На основе анализа информационного массива и выявления тенденций развития и аргументации решений по вопросам улучшения производственного микроклимата разработаны прогнозные рекомендации по использованию наиболее перспективных и рациональных средств и способов нормализации теплового режима рабочих пространств установок геологоразведочного бурения.

С учетом результатов патентной экспертизы, прогнозных рекомендаций, теоретических и экспериментальных исследований автора основные способы нормализации теплового режима в буровых зданиях в холодный период года образуют единый комплекс

температурного перепада Т — Т

N п/п Кп, ВТ -М'2 К'1 V, м ■ с 1

1 1,5 0,1 10

2 2,5 0,03 10

3 2,0 0,03 . . 10

4 2,0 0,03 5

5 1,5 0,03 10

6 1.5 0,03 5 .

7 2,0 0,01 10

8 1,0 0,01 10

9 0,55 0,01 10

мероприятий и по степени важности расположены в следующей последовательности:

- снижение расхода воздуха через верхний технологический проем;

- снижение воздухопроницаемости ограждающих строительных конструкций;

- утепление и обогрев пола;

- применение рециркуляционных схем воздушного отопления; использование вторичного тепла отработавших газов и охлаждающей жидкости дизельного привода буровых установок.

В южных регионах страны основным способом поддержания нормальных микроклиматических параметров в укрытиях буровых установок, наряду с пассивными методами защиты от летнего перегрева, необходимо применять искусственное охлаждение воздуха с помощью малогабаритных кондиционеров, имеющих минимальный расход воды.

2. Снижение интенсивности ветровой аэрации и уровня конвективных теплопотерь через верхний технологический проем зданий буровых установок достигается компенсацией разрежения воздуха в плоскости проема с максимальной реализацией энергии ветрового потока, которая обеспечивается оптимизацией конструктивных и аэродинамических параметров безэнергоемких устройств нового типа.

В ходе экспериментов по аэродинамической модели доказано, что сокращение конвективных теплопотерь через верхний технологический проем укрытий буровых установок возможно за счет совершенствования конструктивного оформления самого технологического проема и фонаря бурового здания (рис.2). Предлагаемые схемы конструкций фонарей буровых зданий даны на рис. 2в. За счет изменения параметров 1/В, b/В и h/H можно добиться уменьшения коэффициента расхода воздуха через фонарь с 0,80 до 0,48. О целью снижения интенсивности ветровой аэрации и минимизации конвективных теплопотерь через верхний технологический проем разработаны и исследованы конструкции двух модификаций безэнергоемкого аэродинамического

в

н

ь

б г*^

- н

1 - в

Ь

н

Рис.2. Конструкции фонарей буровых зданий: а - обычное исполнение фонаря; б - фонарь со шторками

по контуру; в - фонарь со шторками и диафрагмами; Н - высота фонаря; В - ширина фонаря; 11 - высота шторок; Ь - ширина диафрагмы; I - шаг установки диафрагм

устройства - противоветрового дефлектора (ПВД), способного автоматически поддерживать статическое давление воздуха в фонаре на уровне атмосферного или достаточно близкого к нему за счет энергии внешнего ветрового потока, причем независимо от его направления. Модификации ПВД, имея общий принцип работы, отличаются друг от друга конструкцией чувствительных элементов: в одном случае это секционные подвижные шторы из легкого эластичного материала, в другом - неподвижные элементы, имеющие наиболее обтекаемый профиль усеченного "руля Н.Е.Жуковского". Схемы ПВД показаны на рис.3.

По результатам экспериментальных исследований с использованием метода продувки моделей в аэродинамической трубе установлена количественная зависимость между разностью статических давлений на нижнем срезе дефлектора и за его пределами, отнесенной к динамическому напору ветрового потока, и основными параметрами ПВД. Доказано, что поддержание необходимого избыточного давления воздуха внутри дефлектора, компенсирующего разрежение над верхним срезом фонаря, обеспечивается при следующих оптимальных соотношениях конструктивных параметров: для ПВД шторного типа Й/а=0,25-г-0,30 , Ь/а=0,25; для ПВД с неподвижными элементами - с!/а=0,7 ,с/а=0,2 , = =0,131 , где I - полная длина профиля Жуковского; число секций с чувствительными элементами по высоте конструкций ПВД - пять.

Полученные результаты исследований конструкций безэнергоемких противоветровых устройств позволили обеспечить разработку КД, изготовление, производственные испытания опытных образцов и внедрение ПВД шторного типа в ПГО "Полярноуралгеология", "Южукргеология" и "Уралгеология". Основные технические характеристики ПВД по результатам производственных испытаний таковы: чувствительность шторок дефлектора к ветровому потоку - 2 м/с; уровень давления воздуха на нижнем срезе дефлектора при ветре - ± 5 Па; коэффициент расхода воздуха через верхний технологический проем при скорости ветра более 2 м/с - 0,40 ± 0,05.

а - ПВД шторного типа: 1 - каркас дефлектора, 2 - щель, 3 - эластичные шторы, 4 -диафрагма (козырек), 5 - стенка фонаря; б - ПВД с неподвижными элементами: 1 - стойка каркаса, 2 - неподвижные профильные элементы, 3 - щель, 4 - стенка фонаря.

Стрелками показано направление ветрового потока.

3. Тепловые и аэродинамические процессы во внутреннем пространстве укрытий буровых установок в холодный период года зависят от выбора схемных решений и параметров систем воздушно-струйной защиты горизонтального технологического проема, определяющих угол наклона плоских струй, скорость истечения воздуха и ширину щели воздухораздающих устройств.

С целью оценки эффективности применения различных вариантов систем воздушно-струйной защиты горизонтального технологического проема буровых зданий и выявления их оптимальных параметров была проведена серия лабораторных экспериментов. Эксперименты проводились с помощью аэродинамических стендов, выполненных в масштабе 1:1, для четырех типов расположения воздушных завес в фонаре бурового здания: а) завеса кольцевого типа, расположенная по нижнему контуру фонаря; б) двухсторонняя воздушная завеса, расположенная по нижнему контуру фонаря; в) двухсторонняя воздушная завеса, расположенная по верхнему контуру фонаря; г) односторонняя воздушная завеса, расположенная на верхнем срезе фонаря.

Угол наклона воздухораздаюидей щели о, по отношению к сечению проема изменялся от 0 до 90 град, через 15 град., ширина щели регулировалась в пределах 0,02 -г- 0,08м. Скорость воздуха на выходе из воздухораздающей щели Vщ составляла

последовательно 18,5; 11,5; 8,0; 6,0 и 2,3 м/с. Эксперименты проводились в изотермических условиях. В качестве критерия эффективности работы завес принималось отношение фактического давления, Рф , создаваемого завесой в зоне проема, к теоретически возможному давлению АР :

F,

Ф

(4)

2

где Рф - площадь поперечного сечения фонаря, м - сум-

марная площадь щелей коробов, м 2; рз - плотность воздуха,

выходящего из щели, кг/м 3 .

Обобщенные результаты измерений и расчетов коэффициентов для воздушных завес типов (а) - (г) представлены в

виде графиков на рис. 4. Сравнение кривых а^ - f(cc) показывает, что эффективность односторонней завесы приблизительно на 10% выше, чем двухсторонней и кольцевой. Визуальные наблюдения свидетельствуют о том, что структура зоны вихреобра-зования в фонаре также отличается от структуры вихрей при двухсторонней завесе. При работе односторонней завесы происходит меньшая турбулизация потоков и формируется лишь один явно выраженный вихрь. Характерно, что для всех четырех типов завес при угле наклона щели 0 град, интенсифицируется выход воздуха из здания через фонарь. При угле наклона струи завесы, равном 90 град., эффективность завесы также недостаточно велика вследствие того, что основная энергия струй расходуется нерационально и затрачивается, главным образом, на деформацию и повышение турбулизации потока в месте набегания на ограждающие поверхности (пол). Полученные экспериментальные данные обобщены в виде регрессионных моделей, позволяющих определить коэффициент <% для четырех типов расположения воздушных завес в фонаре бурового здания в зависимости от параметров Чщ , а и соотношения / Рф .

Коэффициенты множественной корреляции равны: для первой модели 0,89; для второй 0,76; для третьей и четвертой 0,87. Стандартная ошибка оценки составила соответственно 0,09;

0,08; 0,08 и 0,10.

Преимущества односторонней завесы, установленной в верхней части фонаря бурового здания, в сравнении с воздушными завесами других типов позволили создать на ее основе малоэнергоемкое аэродинамическое устройство - отсекатель, главная особенность которого заключается в создании двухслойного рециркуляционного воздушного контура, позволяющего использовать данное устройство в целях предотвращения конвективных теплопотерь через верхний технологический проем буровых

Рис.4. Зависимость коэффициента эффективности 3э от угла наклона а при фиксированном значении скорости V' =18,5 м/с и расположении завесы по схемам:

х - а) (Ь=-0,370, с=0,006, 6=1,810, е=0,710)

о - б) (Ь=0,080, с=0,007, 6=0,810, е=0,270)

а - в) (Ь=0,660, с=0,010, 6=0,140, е=0,190)

л - г) (Ь=0,370, с=0,010, 6=0,980 е=0,008)

зданий как с подогревом, так и без подогрева воздуха. Вспомогательная плоская воздушная струя выполняет роль отбойного козырька, сжимающего зону вихреобразования в фонаре. Зона циркуляции воздушных потоков в фонаре бурового здания Л , ограничивается отметками установки двух воздухораздающих насадков - верхнего и нижнего:

Л = 0,28а- оог"2 ащ , (5)

где ащ - угол наклона основной плоской струи, а - ширина технологического проема.

Экспериментально в натурных условиях доказано, что оптимальными параметрами малоэнергоемкого устройства - аэродинамического отсекателя, устанавливаемого на верхнем срезе фонаря бурового здания являются: углы наклона основной и вспомогательной плоских струй 45 и 43 град, соответственно; ширина щели основной и вспомогательной струй 30 и 20 мм, а скорости 18-20 и 6-8 м/с соответственно.

Установлена в ходе проведения специальных макетных и натурных исследований эффективность работы двухсторонней тепло-воздушной завесы ВЗ, расположенной по нижнему контуру фонаря, с дополнительным подогревом воздуха и "душированием" им рабочих мест бурильщика и его помощника. Получены количественные зависимости изменения температуры воздуха и вертикального перепада температур в буровом здании от расхода воздуха, П, подаваемого в завесу ВЗ, и угла наклона а истекающей плоской струи к плоскости проема. При оптимальных параметрах тепловоздушной завесы П=0,75н-1,0 м3 /с и угле наклона а =90 град, температура воздуха в рабочей зоне бурового здания повышается на 10 -г- 15°С, а вертикальный перепад температур снижается до 0 -г 2 град/м.

4. Установленные закономерности тепломассооб-менных процессов внутри укрытий буровых установок, разработка принципиальных схем утилизации вторичной

теплоты дизельного привода и созданный на этой основе комплекс аэродинамических устройств (ВЗ и ПВД) и теплообменных аппаратов - теплоутилизаторов, обеспечивают повышение эффективности и снижение энергозатрат систем нормализации теплового режима рабочих пространств в холодный период года не менее, чем на 30 -40%.

Доказано результатами комплексных производственных испытаний опытных образцов ВЗ и Г1ДВ, проведенных по специально разработанной методике, что наибольший теплозащитный эффект достигается при совместном использовании завесы ВЗ и ПВД. Усредненные за период испытаний в условиях Заполярья значения коэффициента расхода воздуха для незащищенного и оснащенного ВЗ и ПВД верхнего технологического проема бурового здания составили 0,77 + 0,03 и 0,35 + 0,02 соответственно. Таким образом, совместная работа тепловоздушной завесы и дефлектора позволяет снижать потери тепла через верхний технологический проем примерно в 2 раза, что приводит к повышению эффективности системы нормализации микроклимата зданий буровых установок в целом не менее, чем на 3040%.

Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что величина тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, превышает механическую мощность данного энергоисточника в 2,5-v-3,0 раза.

В целях ресурсосбережения и нормализации теплового режима укрытий автономных буровых установок разработаны принципиальные схемы комплексной утилизации теплоты дизельных агрегатов для одно- и двухблочного вариантов передвижных и самоходных буровых установок. Новизна разработанных схем базируется на автоматизации процесса нагрева воды внешнего контура в расходной емкости и возможности эксплуатации систем утилизации теплоты охлаждающей воды без вмешательства обслуживающего персонала. Данная система утилизации тепла охлаждающей жидкости дизельного привода защищена A.c. 1390395.

Наряду с этим разработан комплекс технических средств использования тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов дизельного привода, обеспечивающий нормальные по температурному фактору условия труда буровых бригад. Расчет основных параметров утилизационных теплообменных аппаратов осуществлен на основе решения задачи термодинамической оптимизации согласно алгоритму, разработанному совместно с ЛПИ им. М.И.Калинина. В качестве целевой функции был принят эксерге-тический КПД установки

^ гоах = (Л э + ДЯ) , (6)

где N э - эффективная мощность дизеля на расчетном режиме;

АЕ - эксергетическая мощность системы утилизации теплоты охлаждающей воды и отработавших газов дизеля;

Ем - эксергия топлива, расходуемого силовой установкой.

Исходя из условия АЕ = Ш ах , при заданных параметрах греющего теплоносителя и общей поверхности теплообмена были выбраны параметры теплообменников с учетом ограничений, диктуемых конструктивными и технологическими соображениями.

Обоснованность предложенных схем и конструктивных параметров теплообменных аппаратов подтверждена результатами экспериментальных исследований. Были изготовлены и испытаны в производственных условиях два теплообменника: газовоздушный кожухотрубчатый теплообменник с пучком газовых трубок, омываемых нагреваемым воздухом, и газо-водяной нагреватель кожухотрубчатого типа с гладкотрубным поперечным пучком. Испытания проводились в ПГО "Полярноуралгеология" в составе бурового комплекса, оснащенного в качестве силового привода дизелем ЯМЗ-238. Доказано, что при работе дизеля в номинальном нагрузочном режиме практически возможно утилизировать до 70-80 кВт тепловой энергии без снижения эффективной мощности дизеля и увеличения расхода топлива. Этой величины тепловой энергии вполне достаточно для компенсации

всех теплопотерь и создания тепловоздушных завес для обогрева рабочих и технологических зон буровой установки, что подтверждено производственными исследованиями. В ходе испытаний теплообменных аппаратов-теплоугилизаторов также доказана правильность предложенного алгоритма и возможность использования его при расчете систем утилизации теплоты дизелей различной мощности.

Таким образом, выполненные аналитические и экспериментальные исследования позволили обосновать эффективность и технические параметры новых малоэнергоемких аэродинамических средств нормализации микроклимата, а также систем утилизации теплоты ДВС, обеспечивающих соответствие санитарным нормам параметров теплового режима укрытий буровых установок в холодный период года. Результаты производственных испытаний тепловоздушной завесы, противоветрового дефлектора и аэродинамического отсекателя подтверждают их малую энергоемкость, а их практическое применение в составе систем нормализации микроклимата позволяют обеспечить применение совместно с теплоутилизаторами снижение общих энергозатрат на обогрев буровых зданий не менее, чем на 30-^40%.

5. Полученные зависимости холодопроизводитель-ности пенно-испарительного блока от его конструктивных параметров, расхода воздуха и уровня воды в поддоне аппарата обеспечивают создание нового автономного фреонового кондиционера и малогабаритного воздухоохладительного агрегата с адиабатическим охлаждением воздуха /холодопроизводительность 12,0 и 8,0 кВт/, внедрение которых повышает эффективность систем регулирования теплового режима в производственных помещениях на объектах буровых работ, проводимых в регионах с жарким сухим климатом и ограниченными водными ресурсами.

Известные в отечественной практике кондиционеры типа КПА и КТА, выпускаемые Домодедовским машиностроительным и Тюменским заводами, не нашли промышленного применения в геологической отрасли из-за недостаточной холодопроизводитель-

ности и больших массогабаритных параметров. По результатам научных исследований пенных теплообменных аппаратов, проведенных в ВИСИ (г.Санкт-Петербург), в ВИТРе, начиная с 1987 года, выполнен комплекс работ по созданию нового образца автономного кондиционера для условий жаркого и сухого климата при наличии дефицита водных ресурсов. Проведенные на первой стадии работ патентные иссследования позволили установить, что создание нового типа автономного кондиционера на базе пенно-ударного аппарата с повышенной холодопроводитель-ностью и меньшими габаритными размерами является перспективным направлением, не имеющим практической реализации ни в нашей стране, ни за рубежом. Это позволило защитить разработку авторским свидетельством на изобретение. Принцип, заложенный в пенных теплообменных аппаратах, позволяет интенсифицировать процессы тепломассообмена между потоком воздуха и водой, что дает возможность создать малогабаритный, но высокоэффективный пенно-испарительный конденсатор, выполняющий одновременно функции двух аппаратов: конденсатора паров фреона и аппарата, отводящего тепло конденсации в окружающую среду. Интенсификация процессов тепломассообмена происходит за счет подачи воздушного потока с большой скоростью на поверхность воды, залитой в поддон аппарата. Вытесненная вода, интенсивно перемешиваясь с воздухом, образует подвижную водо-воздушную пену, которая заполняет весь объем рабочей камеры аппарата и омывает спиральный теплообменник конденсатора, расположенный в этой камере. В ходе экспериментальных исследований, наряду с оценкой температурной эффективности агрегата, предстояло определить теплотехнические и гидродинамические характеристики пенно-испарительного конденсатора.

Работы проводились на специальном экспериментальном стенде, который состоял из двух основных блоков: I блок - экспериментальный образец автономного кондиционера; II блок - блок подготовки воздуха.

Аэродинамические параметры экспериментального стенда были выбраны, исходя из того, что испытываемый автономный кон-

дйционер укомплектован одним центробежным вентилятором типа ВЦ14-46 N2,5 с электродвигателем мощностью 4 кВт, числом оборотов 2900 об/мин. В состав кондиционера входил фреоновый компрессор марки 2ФУБС12. В качестве хладагента использовался фреон-22.

Результатами экспериментов на стенде доказано, что, определяющее значение на величину холодопроизводительности воздухоохладителя и в целом кондиционера имеет выбор рационального режима работы пенно-испарительного конденсатора. Интенсификация процесса тепло- и массообмена отличает этот конденсатор от конденсаторов воздушного и водяного охлаждения. Если в конденсаторах воздушного или водяного охлаждения, кроме температурных уровней, на процесс теплопередачи влияет только расход охлаждающих сред ( воздуха или воды соответственно), то в пенно-испарительном конденсаторе существенное влияние оказывает, кроме температурных уровней и расхода воздуха, уровень воды в поддоне аппарата, от которого во многом зависит качество пенного слоя. Установлена количественная зависимость холодопроизводительности конденсатора от уровня II в интервале реальных значений -5,0 см <Ъ < +5,0 см, из которой следует, что с увеличением уровня воды на 10 мм холодо-производительность конденсатора возрастает приблизительно на 0,4 -г- 0,6 кВт. Интенсивность процесса передачи тепла в конденсаторе такова, что процесс конденсации проходит с понижением температуры воздуха на выходе из аппарата.

С другой стороны, изменение уровня воды в поддоне должно быть связано с аэродинамическим сопротивлением аппарата, а следовательно, с энергопотреблением кондиционера. В ходе эксперимента проанализирована зависимость аэродинамического сопротивления конденсатора от расхода воздуха и уровня воды в поддоне аппарата. Доказано, что с увеличением уровня Ь растет сопротивление аппарата, а потребление энергии кондиционером также увеличивается. Учитывая характеристики штатного вентилятора кондиционера, а также то обстоятельство, что для эффективной работы холодильной машины, как показали ис-

следования, необходимо подавать в конденсатор 1200-1600 м3/ч воздуха, оптимальным признан режим работы конденсатора с со-

2

противлением не более 200 кг/м , что соответствует уровню воды Ь в поддоне аппарата в пределах от 0 до минус 5 см. В последующем весь цикл испытаний кондиционера проводился в интервале этих значений уровня воды в поддоне аппарата. Отклонения реальной температуры воздуха на выходе из конденсатора от теоретических значений (по ьТ— диаграмме) в ходе экспериментов не превышали 1°С. После пересчета на стандартные условия холодопроизводительность автономного кондиционера составила 12,3 кВт. Остальные технические показатели агрегата:

производительность по воздуху - 2,0 тыс.м3/ч; потребляемая мощность в режиме охлаждения - 6,1 кВт; расход воды - 0,03

м3 /ч; масса - 400 кг.

Одним из главных результатов экспериментальных исследований явилось доказательство того, что разработанный автономный кондиционер в достаточной степени эффективно работает в режиме адиабатического охлаждения воздуха, благодаря чему значительно расширяется область его применения за счет малого энергопотребления, прежде всего, в регионах с сухим жарким климатом.

Выявлено также, что охлажденный воздух, выходящий из пенно-испарительного аппарата, имеет относительную влажность 90-^95%, что позволяет конструктивно, при помощи регулирующих заслонок осуществлять обработку сухого холодного воздуха после воздухоохладителя влажным воздухом из конденсатора, не прибегая к использованию специальных увлажнительных устройств.

Результаты всего цикла испытаний нового кондиционера продемонстрировали возможность осуществления с его помощью следующих процессов обработки воздуха: охлаждение, охлаждение с осушкой, охлаждение с увлажнением, адиабатическое охлаждение и увлажнение, увлажнение, нагрев, нагрев с увлажнением, глубокую очистку от пыли (до 96%), а также ароматизацию воздуха.

Высокая степень изученности тепломассообменных процессов в пенно-испарительном теплообменном аппарате и закономерности, выявленные в ходе проведенных испытаний конденсаторного блока, однозначно свидетельствуют о возможности создания целого параметрического ряда автономных фреоновых промышленных кондиционеров, имеющих различную производительность по воздуху, теплу и холоду с использованием пенно-испарительного теплообменного аппарата в качестве конденсатора.

Результаты испытаний пенно-испарительного конденсатора автономного фреонового кондиционера легли в основу создания конструктивно несложной малогабаритной воздухоохладительной установки пенного типа для регионов с сухим жарким климатом и ограниченными водными ресурсами. Принцип действия аппарата заключается в адиабатическом охлаждении воздуха в пенно- воздушном слое. Испытания его проводились на том же экспериментальном стенде при трех значениях уровня воды (1=-5,0;+5 см в поддоне аппарата, разных значениях расходов воздуха в интервале 500-^-2000 м /ч и температуры его наовходе в воздухоохла-дительный аппарат в диапазоне от 23 до 38 С при относительной влажности 25 ^ 30%. Полученные результаты стендовых испытаний подтвердили высокую эффективность работы воздухоохладительного аппарата пенного типа, которая выражается в значительном понижении температурного потенциала воздуха на выходе из аппарата (на 13,3 17,3 С) и его высокой холодопроизво-дительности (до 8,0 кВт) в зависимости от выбранного режима. Доказано, что оптимальным является режим работы, характеризуемый параметрами И—3-Т--5 см и расходом воздуха 1,5-^2,0

тыс.м3/ч. Производственные испытания и внедрение воздухоох-ладительных установок пенного типа осуществлено на объектах геологоразведочного производства и других смежных отраслей в Туркменистане.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано теоретическое обобщение и новое решение крупной научной проблемы выявления широкого комплекса закономерностей, описывающих процессы формирования теплового режима рабочих пространств установок геологоразведочного бурения и разработки на его основе методов расчета оптимальных параметров и режимов работы средств кондиционирования воздуха, объединенных в единый комплекс мероприятий на стадиях проектирования и эксплуатации буровых установок, позволяющий обеспечить нормативные санитарно-гигиенические условия труда по тепловому фактору при геологической разведке месторождений полезных ископаемых, расположенных, прежде всего, в регионах с экстремальными климатическими условиями, что имеет важное значение для геологоразведочного производства России.

Основные выводы по работе сводятся к следующему: 1. Доказано многолетними систематическими наблюдениями, что производственная среда объектов геологоразведочного бурения, характеризуемая действием целого ряда вредных факторов, не отвечает требованиям нормативных документов, регламентирующих параметры микроклимата в рабочих помещениях, особенно для регионов с экстремальными климатическими условиями; по результатам обследования большинства геологоразведочных экспедиций температура воздуха на рабочих местах составляла в холодный период года в среднем от +2 до +8 С, при этом температурный перепад по высоте рабочей зоны находился в интервале от 5 до 8 град/м, и, напротив, в условиях летнего перегрева температура воздуха на рабочих местах на 5-=-10 град, превышала допустимые значения.

2. Установлено, что наибольшее отрицательное влияние на тепловой режим укрытий буровых установок в холодный период года наряду с наружными ограждающими строительными конструкциями, имеющими, как правило, недостаточную степень теплозащиты, оказывает открытый во время бурения и проведения спускоподъемных операций верхний технологический проем;

кратность воздухообмена в основном производственном помещении, может достигать 220 1/час; Общий уровень теплопотерь укрытий буровых установок на 60+80% определяется именно эксфильтрацией нагретого воздуха через незакрывающийся верхний технологический проем путем действия тепловой и ветровой аэрации.

3. Доказано, что нормализация теплового режима рабочих пространств существующих и вновь проектируемых типов установок геологоразведочного бурения, предназначенных для эксплуатации в регионах с экстремальным климатом, может быть достигнута на базе комплекса инженерно-строительных и теплотехнических мероприятий с максимальным использованием природных энергоресурсов и физических эффектов тепломассообмена.

4. Разработан на основе аналитических и экспериментальных исследований комплекс малоэнергоемких аэродинамических средств тепловой защиты укрытий буровых геологоразведочных установок, включающий аэродинамический отсекатель, противо-ветровой дефлектор двух модификаций и тепловоздушную завесу, предназначенную для установки на нижнем срезе фонаря; доказано, что в холодный период года за счет применения указанного комплекса средств, а также совершенствования конструктивного оформления технологического проема и фонаря вдвое сокращаются конвективные теплопотери укрытий буровых установок; эффективность работы комплекса подтверждена в ходе эксплуатации в геологоразведочных организациях:

4.1. Определены на основе изученных закономерностей циркуляции воздушных потоков в фонаре буровых зданий оптимальные параметры аэродинамического отсекателя, представляющего собой устройство двухслойной воздушной завесы, устанавливаемое на верхнем срезе фонаря; углы наклона, ширина щелей и скорости истечения основной и вспомогательной плоских струй соответственно должны составлять значения: 45 и 43 град; 30 и 20 мм; 18-г 20 и 6 + 8 м/с.

4.2. Разработана конструкция тепловоздушной завесы нового типа с возможностью подогрева воздуха и "душирования" рабочих мест бурильщика и помощника, воздухораспределительные

устройства которой расположены по контуру горизонтального технологического проема; при реальных размерах технологического проема и оптимальных параметрах тепловоздушной завесы (производительность по воздуху 1 м3/с, угол истечения плоских струй по отношению к горизонту 60 + 90 град.) температура воздуха в рабочей зоне буровой установки повышается на 10+ 15 С, а вертикальный перепад температур снижается до нуля, что в большинстве случаев обеспечивает соответствие микроклиматических параметров воздушной среды требованиям санитарных норм.

4.3. Разработаны две модификации безэнергоемкого аэродинамического устройства - противоветрового дефлектора, предназначенного для снижения интенсивности ветровой аэрации укрытий буровых установок; конструкции дефлектора обеспечивают поддержание статического давления воздуха в зоне открытого горизонтального технологического проема на уровне атмосферного или близкого к нему за счет энергии внешнего ветрового потока; модификации противоветрового дефлектора отличаются друг от друга конструкцией чувствительных элементов: в одном случае это секционные подвижные шторы из легкого эластичного материала, в другом - неподвижные элементы, имеющие профиль усеченного "руля Н.Е.Жуковского"; конструкция дефлектора проста, технологична и прошла испытания в производственных условиях.

5. Предложены новые принципиальные схемы и технические решения по комплексной утилизации вторичного тепла выхлопных газов и охлаждающей жидкости дизельного привода передвижных и самоходных буровых геологоразведочных установок. Разработана конструкция двух типов теплообменных аппаратов, отличающихся высокой эксплуатационной надежностью и высокой эффективностью, что подтверждено результатами их производственных испытаний в разных регионах страны.

6. Разработан комплекс методик: теплотехнического расчета наружных ограждающих конструкций, расчета тепловоздушных завес для верхнего технологического проема, выбора параметров противоветрового дефлектора и аэродинамического отсекателя,

а также расчета требуемой теплопроизводительности системы обогрева буровых зданий, что обеспечивает повышение эффективности средств тепловой защиты буровых установок в холодный период года.

7. Разработан новый образец, автономного фреонового кондиционера с холодопроизводительностью 12,0 кВт, предназначенного для снятия теплоизбытков в производственных помещениях на объектах буровых работ, проводимых в регионах с жарким и сухим климатом и ограниченными водными ресурсами. Новый кондиционер по своим основным технико-экономическим показателям не уступает лучшим отечественным и зарубежным образцам, а по многообразию процессов обработки воздуха превосходит все типы отечественных кондиционеров благодаря использованию пенно-испарительного теплообменного аппарата в качестве конденсатора. На базе созданного автономного фреонового кондиционера разработан высокоэффективный малогабаритный воздухоохладительный агрегат с адиабатическим охлаждением воздуха, прошедший эксплуатационную проверку в жаркий период года на нескольких производственных объектах Среднеазиатского региона.

8. Внедрение разработанного комплекса мер и технических средств на объектах ГГП "Полярноуралгеология", "Южукргеология", "Узбекнефтегазгеология", "Невскгеология" повышает эффективность средств нормализации теплового режима рабочих пространств установок геологоразведочного бурения. Разработанные мероприятия включены в "Методические указания по теплотехническому расчету зданий буровых установок", одобренные Управлением охраны труда и техники безопасности Министерства геологии. Кроме того, эффективность разработанных средств кондиционирования воздуха подтверждена путем внедрения на промышленных объектах смежных отраслей, а именно компрессорных газоперекачивающих станциях и цехах легкой промышленности Туркменистана.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Оценка и пути повышения эффективности отопи-тельно-вентиляционной системы в передвижных производственных зданиях / Сб. "Повышение энергетической эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха", -Л., ЛДНТП.1983- С.23-26 (Соавтор: П.Я.Богинский).

2. Нормализация температурных условий как фактор повышения качества буровых установок /Сборник научных трудов "Методы повышения качества и надежности геологоразведочной техники", - М., ВПО "Союзгеотехника", 1983, С.69-73 (Соавтор: П.Я.Богинский).

3. Тепловой режим в зданиях буровых установок /Сб. Охрана труда на геологоразведочных работах, - М., ЦНИГРИ, вып. 190, 1984, С.61-66 (Соавторы: П.Я.Богинский, А.В.Пономарев, А.А.Немченко и др.).

4. Тепловой режим зданий геологоразведочных буровых установок / Обзор сер. Техника и технология геологоразведочных работ; организация производства. - М., ВИЭМС, 1985, С.35 (Соавторы: П.Я.Богинский, А.А.Немченко, В.П.Соколовский).

5. Противоветровой дефлектор / Информационный листок. Ленинградский межотраслевой территориальный Центр НТИ и П. - Л., 1986, N 86-211, Зс (Соавторы: А.А.Немченко, И.А.Николаева, А.В.Пономарев, М.Ф.Щербович).

6. Противоветровое устройство здания буровой установки /A.C. N 1170163, Бюл. N28, 1985 -2с (Соавторы: П.Я. Бо-гинский, A.B. Пономарев, A.A. Немченко, В.П. Соколовский).

/.Отраслевой стандарт "ССБТ. Установки геологоразведочные буровые. Требования пожарной безопасности" / ОСТ 41-01-244-85 введен с 01.01.86, 12с. (Соавторы: А.И.Бочаров, П.Я.Богинский, А.И.Сопин).

8. Параметры неизотермической воздушной завесы верхних технологических проемов буровых зданий / Сб. Улучшение условий труда на геологоразведочных работах. -М., ВПО "Союзгеотехника", 1986, С.41-43 (Соавторы: А.В.Пономарев, А.А.Немченко, И.А.Николаева, И.Т.Овчинник).

9. Влияние подполья буровых зданий на тепловой режим передвижных буровых установок в холодный период года / Сб. Улучшение условий труда на геологоразведочных работах. -М., ВПО "Союзгеотехника", 1986, С.44-52 (Соавторы:

A.А.Немченко, И.А.Николаева, И.Т.Овчинник).

10. Оценка эффективности системы утилизации тепла дизельного привода передвижных буровых установок / Сб. "Пути повышения эффективности алмазного бурения". -М., ВПО "Союзгеотехника", 1986, с. 100-105 (Соавторы: Ю.Ю.Кочинев,

B.Н.Сенин).

11. Улучшение теплового режима в буровых зданиях при высокооборотном бурении / Сб. "Пути повышения эффективности алмазного бурения". -М., ВПО "Союзгеотехника", 1986, с.95-99 (Соавтор: А.А.Немченко).

12. Оценка эффективности воздушных завес для верхнего технологического проема буровых зданий / Сб. "Совершенствование и внедрение технологической промывки и тампонирования скважин в условиях Восточной Сибири и Крайнего Севера". - М„ ВПО "Союзгеотехника", 1987, с. 88-91 (Соавторы: А.А.Немченко, А.В.Пономарев).

13. Методика расчета тепловоздушных завес для буровых установок, эксплуатируемых в районах Крайнего Севера /Сб. "Совершенствование и внедрение технологии промывки скважин в условиях Восточной Сибири и Крайнего Севера". -М., ВПО "Союзгеотехника", 1987, с. 92-96 (Соавторы:

A.А.Немченко, А.В.Пономарев, И.А.Николаева).

14. Условия труда при обслуживании самоходных буровых установок / Безопасность труда в промышленности. -М., Недра, 1987, N 4, с.34 (Соавторы: А.А.Немченко,

B.П.Соколовский, А.В.Пономарев)

15. Снижение интенсивности ветровой аэрации зданий буровых установок / КГРИ, Кривой Рог, 1987, 15 с. (Соавторы: И.А.Николаева, А.В.Пономарев).

16. Система жидкостного охлаждения тепловой машины / A.C. 1390395, Бюл. N 15, 1988, 3 с. (Соавторы: Ю.Ю.Кочинев, А.А.Немченко, А.В.Пономарев).

17. Устройство для создания воздушной завесы /

A.C. 1399606, Бюл. N 20, 1988, 2 с. (Соавторы: А.А.Немченко,

B.И.Деньгуб, В.П.Соколовский).

18. Повышение эффективности системы теплоиспользо-вания силового привода / Сб. "Совершенствование технических средств ССК и повышение эффективности их внедрения", ВИТР, -Л., 1987, с. 163-168 (Соавтор: Ю.Ю.Кочинев).

19. Оптимизация параметров системы утилизации тепла дизельного привода буровой установки УКБ-4СТ / Сб. "Разработка и совершенствование методов и технических средств оптимизации и автоматизации технологических процессов алмазного бурения". ВИТР, -Л., 1988, с.69-71 (Соавтор: И.В.Нассонов).

20. Оценка качества укрытий буровых установок эксплуатируемых в южных районах страны / Сб. "Повышение качества и надежности геологоразведочной техники". ВИТР, -Л., 1987, с.70-74 ( Соавторы: А.А.Немченко, И.Т.Овчинник).

21.Комплекс средств обогрева и теплозащиты зданий буровых установок / Информационный листок N 88-13, ЛенЦНТИ, 1988, 3 с. (Соавторы: Ю.Ю.Кочинев, Л.Ф.Щербович).

22. Технические аспекты защиты воздушной среды от загрязнения при геологоразведочном бурении / Сб. "Промывка и крепление скважин и охрана окружающей Среды", - Л., ВИТР, 1988, с.121-123 .

23. Методические указания по теплотехническому расчету зданий буровых установок / -Л., ВИТР, 1988, 28 с. (Соавторы:

A.А.Немченко, И.А.Николаева, А.В.Пономарев).

24. Исследование естественного воздухообмена в зданиях буровых установок / КГРИ, Кривой Рог, 1988, 13 с. ( Соавторы: В.И.Деньгуб, А.А.Немченко, Ю.Калиниченко,

B.М.Серебренников).

25. Натурные исследования температурного режима буровой установки / Информационный листок N 86-89, г.ТуркменНИИНТИ, 1989, 4 с. (Соавторы: А.Ф.Соколов, В.М.Степаньян).

26. Солнечный коллектор / A.C. 1578418, Бюл. N26,

1990, Зс.(Соавторы: В.М.Степаньян, А.Т.Аблаев).

27. Кондиционер / A.C. 1576796, Бюл. N25, 1990, 3 с. (Соавторы: Мерчанский В.Д., И.С.Лившиц, В.М.Степаньян,

A.Т.Аблаев).

28. Производственная санитария при колонковом бурении геологоразведочных скважин / -Л., изд."Недра", 1990, 222 с. (Соавторы: А.А.Немченко, Р.Т.Чиркин, В.Г.Самугин).

29. Тепловой режим в буровых зданиях при наличии инсоляции / КГРИ, Кривой Рог, 1989, 14 с. (Соавторы:

B.М.Серебренников, В.И.Деньгуб, А.А.Немченко).

30. Тепловой режим в буровых зданиях при наличии экрана с вентилируемой прослойкой / КГРИ, Кривой Рог, 1989, 9 с. (Соавторы: В.М.Серебренников, В.И.Деньгуб,

A.А.Немченко).

31. Ветрозащитное устройство здания буровой установки / A.C. 1657649, Бюл. N23 , 1991, 4 с. (Соавторы:

B.М.Серебренников, В.И.Деньгуб, А.А.Немченко, В.П.Соколовский).

32. Производственные испытания средств теплозащиты зданий буровых установок / Сб. "Улучшение условий труда на геологоразведочных работах", -СПб, ВИТР, 1992, с. 39-40 (Соавторы: И.А.Николаэва, В.И. Деньгуб, А.А.Немченко).

33. Солнечный коллектор для тепловодоснабжения буровых установок / Сб. "Улучшение условий труда на геологоразведочных работах", -СПб, ВИТР, 1992, с. 41-42 (Соавторы: А.Т.Аблаев, В.М.Степаньян).

34. Нормализация параметров воздушной среды в геологоразведочном производстве / Тез. докл. международной конференции "Научно-практические аспекты управления качеством воздуха" - СПб, 1995, с. 60-61.

35. Нормализация теплового режима укрытий буровых установок / Сб.: Методика и техника разведки, N 7 (145) - СПб, ВИТР, 1996, с. 96-98.