автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение эффективности шахтных турбокомпрессорных установок за счет совершенствования системы охлаждения

Научно-исследовательский институт горной механики

РГ6 О Л им" ^>едоРова

О Л г: ' '' 1 ~ "

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Юрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШАХТНЫХ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫХ УСТАНОВОК ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

05.05.06 — „Горные машины"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК 1993

диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Научно-исследовательской институте горной и'еханики ии.М.М.Федорова

Научний руководитель: доктор технических наук, профессор ДЕГТЯРЕВ В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие: 1'орлсшский рудоремонтный завод производственного объединения "Донецкуглеренонт".

К 135.09.01 при НйИГМ.им.и.М.Федорова по адресу 340055 Допецк-55, пр~спект Театральный, 7 , НШГМ им.М.М.Федорова, актовый зал.

С диссертацией иоасно-ознакомиться в на-учно-технической библиотеке института.

ЛОГВИНОВ Н.Г.

доктор технических наук, профессор

БАБАК Г.А

Автореферат разослан

Учений секретарь специализированного совета, ияидидат технических наук

БОГАТОВ И.В.

оващ! ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность_работу_

Народнохозяйственными планами нашей страны предусматривается [еревооружение и реконструкция горных предприятия, повышение . ффективности эксплуатируемого оборудования на рудниках и шахтах.

Одним из путей реаения этих задач является повышение эффек-ивности эксплуатации компрессорного оборудования, в частности, ¡ентробежннх компрессорных (турбокомпрессорнкх) установок, кото-ш получили широкое распространение на угольных вахтах. Центробанке компрессоры имеют более высокие технико-экономические оказатели по сравнении с порлневыми, поэтому их применение на ахтах непрерывно увеличивается. Однако, в отличие от поршневых, ак показывает опыт, турбокомпрессоры значительно быстрее ухуд-ают свои технико-экономические показатели в процессе эксплуатации

Основной причиной ухущзения технико-эксплуатационных ка-зств пахтннх турбокомпрессорных установок (ШТУ) является снижена эффективности работы их систем охлаждения, которая в усло-ипх дефицита и низкого качества охлаждающей воды, каковой она вляэтся на большинстве шахт, работает неудовлетворительно, роме того, существующие систем охлаждения требуют больших ксплуатационных затрат, имеют низкий потенциал отводимого тепла, то затрудняет его утилизацию. '

В настоящее время еще недостаточно изучено влияние, изме-яшихся в процессе эксплуатации, параметров воздухоохладителей ВО) на показатели турбокомпрессоров, особенно эксплуатирующихся пахтннх условиях, из делаются попытки создания применительно к огирэссорнкм установкам высокоэффективных воздухоохладителей чэ чигопих трубпх, иеппльзупдих эффект сверхтеплопроводимости.

Поэтому установление закономерностей изменения основных показателей компрессоров от эксплуатационных качеств систем охлаждения и на этой основе выбор оптимальных параметров и схем воздухоохладителей на тепловых трубах, позволяющих обеспечить существенное повышение эффективности эксплуатации шахтных турбокошрессоршх установок, является актуальной вадачей, имеет важное значение для угольной промышленности.

Цельр работы является установление закономерностей изменения основных показателей компрессоров от эксплуатационных качеств систем охлаядения и выбор оптимальных параметров и схем воздухоохладителей на .тепловых трубах, позволяющих обеспечить повышение эффективности эксплуатации шахтных турбокомпрессорных установок.

Ииея_работн заключается в использовании принципа сверхтепло-проводимости тепл^чых труб для создания высокоэффективных воздухоохладителей сжатого воздуха шахтных турбокомпрессорных установок.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

установлены закономерности изменения параметров воздухоохладителей в процессе эксплуатации и их влияние на основные показатели и режимы работы шахтни { турбокомпрессоров;

установлено, что доминирующее влияние-'на изменение показателей ШТУ в процессе их эксплуатации оказывают дроссельные потерн ь воздухоохладителях, особенно первого ВО по ходу движения воздуха, недоохлаждение воздуха влияет на температурные режимы компрессора;

разработана экономико-математическая модель оптимизации параметров воздухоохладителей, отличающаяся тем, что в ней учтено влияние эксплуатационных качеств воздухоохладителей на параметры и режимы работы шахтных турбокомпрессоров;

. /

/

Сказана возможность создания беэградирневой системы охлажде-т?/1 повышения степени утилизации тепла ШТУ на базе воздухсхла-тителей на тепловых трубах;

показана эффективность разработанных схем "оздухоохладите-1ЭЙ на тепловых трубах для систем охлаждения гаахтннх турбокомп-эессортте установок;

повышение эффективности шахтных турбокомпрессорных устано-зок и степени утилизации тепла сжатого воздуха может быть до-¡тигнуто за счет использования в системах охлаждения разработан-1ых схем воздухоохладителей на тепловых трубах с выбранными оптимальными параметрами.

0боснованнос1£_и_достоверность научных положений, выводов I рекомендаций подтверждены:

использованием апробированных положений поэлементного мето-щ анализа работы турбокомпрессоров и достаточным объемом экспе-тментальннх исследований характеристик ШТУ с различными пара-гетрами промежуточного охлаждения;

удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных й расчетных исследований (расхождение расчетных и экспери-:энтальных характеристик турбокомпрессоров, полученных-в пройменных условиях не превышает 8-10$);

положительным опытом эксплуатации воздухоохладителей на эплоеых трубах в пропиленных условиях, создание которых осу-ествлено на основе выполненных исследований. •

Научное эначв?гае в области совершенствования шахтных пневма-ических. установок состоит:

в развитии научных преиставлений о закономерностях изменения процессе эксплуатации параметров ВО и их влиянии на показатели рпж!'!'и работы ЮТУ, в обосновп.мич нэ ЯТОЯ осногй

параметров к схем принципиально новых воздухоохладителей на те вых трубах с высокими ¡эксплуатационными качествами, что позволь повысить эффективность эксплуатации турбокоипрессорннх установок в шахтних условиях.

Практическое значение работы заключается в разработке:

научно-обоснованного способа нормализации температурного режима ИТУ, а также схемных и конструктивных решений по его реализации;

методики выбора рациональных параметров' ВО ШТУ с учетом изменения показателей воздухоохладителей в специфичных шахттк условиях;

принципиально новых схем и конструкций воздухоохладителей на тепловых трубах (ВОГТ)* что позволило создать на их основе высокоэффективную систему охлаждения, дающуо возмокносвь повысить эксплуатационные показатели ШТУ, существенно сократить расход воды и утилизировать отводимое тепло.

Й2™2§Ц2Д_Ш22Д2Г-И_В220У§ЦЗЗШИ_Ваботы. Разработанные мет! шки выбора рациональных параметров и расчета воздухоохладителей на тепловых трубах использованы конструкторскими бюро ГРРЗ и НШ1ГМ им...!.М,Федорогл при разработке параметрического ряда воздухоохладителей иахтних турбокомпрессорных. установок.

По результатам выполненных исследований ГРРЗ ИО"Донецкугле--ремонт" и 1ШГМ им.М.М.Федорова,при непосредственном участии автора,создан эффективный воздухоохладитель на тепловых трубах для шахтных турбокомпрессорных'установок, который рекомендован к серийному произвоцству.

Опытный образец воздухоохладителя на тепловых трубах турбокомпрессора К-500 (№ 1) успешно проаел проь.иалннние испшанин и передан дли эксплуатации шахте "Красный Профинтерн" 1Ю"Ор1що-никидлеугиль". Разработаны, изготовлены и чспытыш в яксплуата-ции вазц1хаохлшштели В0ТТоцян шахтных турбокомпрессорных уста-

6

новой вахт "Красный Профинтерн? (ТК К-500 £2), "Булавинскал" (турбокомпрессор К-250, № I п № 2) ПО "Ордяоникидзеуголь".

Ап£0бадия ¡тбота^ Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на научном семинаре н^федры рудничных зтационарных установок (РСУ) ЛГИ им.Г.В,Плеханова ;(г.Ленинград, [989г.), на научно-технической конференции по вопросам развития зтационарных установок угольных пахт (г.Донецк, 1988г.), на научном семинаре лаборатории теплообианпых аппаратов ЛенНИИхин-иааа (г.Ленинград, 1989г.), на ПИ Всесоюзной научно-технической конференции "Создание компрессорных цаиип и уотановок, обеспечивавших интенсивное развитие отраслей топливно-энергетического коиплекса" (г.Суиы, 10-12 октября 1989г.), на заседаниях научно-технического семинара "Шахтные турбомашины" и ученого совета ШИГЦ ии.Н.Ц.Зэдорова г.Донецк, 1993г.

Пу£ликяцтаА По теме диссертации опубликовано 9 работ, полу чено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и ¿аботы^ Диссертационная работа состоит аз введения, пести разделов и заключения, изложенных на 140 страницах нашиполисного текста, содержит 69 риоунка, 13 таблиц, список использованных источников из 109 наименований и 2 прилоаений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Вопросам повышения эффективности эксплуатации шахтных тур- . бономпрессорных установок и совершенствованию систем их охлаждения уделяется болызое внимание, поскольку от этого в значительной степени зависит эффективность функционирования воздушно-силовой системы пахты в целом и безопасность работа компрессоров в частности.

Исследованиям я повышению зффектиз. ¿ста турбокомпрессорных установок за счет совершенствования систем их охлаждения поезяпо-

ны работы А.Г.Германа, А.С.Ильичева, М.М.Федорова, К.С.Борисен-ко, В.А.Мурзина, С.С.Смородина, А.Н.Кабакова, В.И.Ушакова, В.А.Алексеева, Б.А.Носырева, А.И.Бороховича, Л.Л.Моисеева, П.П.Фролова, Н.Г.Логвинова, В.И.Дегтярева, Н.Ы. Баранникова, Ю.А.Цейтлина, В.Ф.Риса, К.Н.Селезнева, Я.А.Бермана, А.И.Рыбина, Ю.Н.Шшяена, 15.11.Парфенова и других ученых.

Вместе с тем в настоящее время нет единого мнения о влиянии параметров воздухоохладителей на показатели шахтных турбокомпрес-сорных установок, недостаточно исследованы фактические режимы работы этих установок и изменение параметров воздухоохладителей в процессе их эксплуатации, отсутствуют принципиально новые и достаточно эффективные схемы охлакдения воздуха компрессоров. Предложенные рядом авторов новые схемы водяного, воздушного и комбинированного охлаждения улучшают работу ШТУ, однако не всегда обеспечивают необходимую экономичность и безопасность условий работы компрессоров, ловыиениз эксплуатационных их качеств. Кроме того, эти системы охлаждения либо трудоемки в эксплуатации, либо не позволяют полностью исключить охлаждающую воду; имеют низкий потенциал отводимого тепла, что затрудняет повшение эффективное! Ш'У за счет утилизации этого тепла. Из 'анализа предшествующих работ следует, что одной из наиболее перспективных систем охлаждения для ШТУ является система, построенная на зеноье воздухоохлад» телей на тепловых трубах, в которой используется эффект сверх-теплопроьошшости. Однако до настоящего ьроьени специальных иссле цоьаний в направлении создания таких ы>знухоохлакителей для шахт-!шх турбокомпрессоров но приводилось.

В связи с ИЯЛО.ЧЙНИНЫ, били 1101П;11'Л.'!Ц|-1 еденучтив основные зпц.пш:

а

I. Исследовать фактические режим» работы ПГГУ, установить закономерности изменения параметров ВО в процессе эксплуатации и их влияние на' показатели турбокомпрессора.

2. Разработать экономико-математическую модель системы охлаждения компрессора,- учитнваюшуо эксплуатационные качества ВО и их влияние на показатели и режимы работы ШТУ и на этой базе определить оптимальные параметры воздухоохладителей.

3. Исследовать термодинамические процессы и режимы работы тепловой трубы применительно к ВО ШТУ и на базе установлешгох закономерностей разработать схемы воздухоохладителей на тепловых трубах (ВОТТ) для высокоэффективной системы охлаждения шахтных компрессорных установок.

4. Разработать методику расчета и выбора основных параметров ВОТТ для системы охлаждения ШТУ.

5. Реализовать результаты работы в промышленных условиях внедрением ВОТТ на турбокомпрессорных установках угольных шахт.

Обобщенный анализ технико-экономических показателей и характеристик наиболее представительных ШТУ с параметрами всасывания воздуха близкими с паспортным (температура 293 К и давление 0,1 НПа всасывания) показал, что отклонение средней фактической характеристики от паспортной в рабочем диапазоне производитель-ностей составляет более 20£ (при коэффициенте вариации равном 3,5$ и наибольшем отклонении характеристик компрессоров от средней равном 8,3%). Смешение выходной характеристики компрессора в сторону меньшей производительности происходит, как правило, не параллельно паспортной, как принято обычно при их пересчете, а с изменением ее крутизны - угла наклона к оси расхода воздуха. В отличие от суиестпушего мнемпя, сумеет венного отклонения удельной потребляемой поганости когпрзссорч при этом не наблюдается, оно почти па порядок меньяе, чем отклонение производительности и обусловлено тек, что с уменьшением производитель-

9

пости почти пропорционально уменьшается и потребляемая компрессором мощность. Аналогично изменяются характеристики секций неохлан лаемых ступеней центробежного компрессора. Влияние на изменение характеристик и ухудшение показателей компрессора оказывают как аффект ивность охлаждения ), так и дроссельные потери (дР)

в ВО, особенно первого по ходу движения воздуха.

Однако, на изменение удельной потребляемой мощности компрессора большее влияние оказывает недоохлаждение воздуха в промежуточных воздухоохладителях (ПВО), дроссельные потери в ПВО больше влияют на изменение производительности турбокомпрессора. На базе причинного анализа установлено, что недоохлакдение воздуха на Ю°С приводит к снижению производительности центробежного компрессора на 1,5-2,0^, а увеличение не дроссельных потерь на 0,01 Ш1а (примерно раь'.юе кратности, возмоиного снижения недоохлажде-шш ка практике) - на 4-ЭТ.

На рис.I приведено изменение эффективности охлаждения воздуха (Я. ) - отношение фактического количества передаваемого тепла к максимально возможному, установленного для турбокомпрессоров, эксплуатирующихся на шахтах; Как видно из рисунка, очистка ВО (смещение кривой на рис. / ) не приводит к полному восстановлению их показателей, после каждой очистки эффективность ВО уменьшается по сравнению с первоначальной.

В результате анализа статистических данных о работе компрессора получены корреляционные зависимости изменения эффективности охлаждения воздуха и сопротивления и ^ -ом промежуточном воздухоохладителе каждого ¿ - ого периода между очистками

= - О/,;-/,

д- Арф

■ где Ъи Л- перпоиачаиин,^ параметры ВЛ;

Оу',( и -^¡А - ¡¡о-цущниити, хьр.ьгтофн интенсивность

' Ю

т

№ \г о

\

\ л. N

то 3000 Ч$00 ЪЧаС

3

ТЫс.р.

то по т т

Ч г \\\ 7% //

у ✓ Ш

Г/,

Рис.! Изменение эрреяти&ности Рис.2 Выоороптимальной охлажЗгния ВозЗуоа & 0,0 & ъттетВнсоти охлаждения

процессе тнсплуатации на $0 гтн/рВоцомпреасора:

шахтах. ¿Оезмггсу зхсму&г&ци&'/тх

изменений 8 30; 2-е мггпен жпматщион-ных изменении В В О.

_Во1дп — ■Вода ^

-сжатый . ¡ОЗдИх —

а)

>гг

б)

Рис.3 Принципиальны схеиаВОП(я) итепкоки ' труВЫ (6): Л'- зоне/ поВ&оЗа тепло/; Б- зона отбора теплеу угилизационнаЦ ВоЗай; В -зона/ от&сЗа теплы ВозШхом.

Н

изменения параметров ВО; t - время эксплуатации.

Статистическая оценка надежности полученных зависимостей показывает возможность использования их при расчете параметров г режимов работы ШТУ ( коэффициент корреляции колеблется в пределах Z = 0,766 + 0,878; коэффициент надежности - J*- = 3,38- 15,0; средне квадратичное отклонение Scf>.= 0,0233 - 0.0956; остаточная дисперсия Socr. =( I8>7 ~

Поскольку всякое .изменение режима работы ВО приводит к отклонению параметров компрессора , при определении оптимальных значений Ч. и др компрессор и воздухоохладители рассматривались, в отличие от принятого подхода - рассмотрения одной секции v. воздухоохладителя компрессора, как единая система. Согласно требованиям эксплуатации и учитывая основное назначение пневматических установок,^принято постоянным обеспечение потребителей расчетным количеством воздуха в любой период эксплуатации ШТУ без изменениирезерва компрессорной станции (КС). Уменьшение объемно! производительности компрессора в результате изменения ^t и др компенсируется расширением КС. Тогда приведенные затраты являющиеся критерии оптимальности любого решения равны .

ty Vi Vj Vi 4 ' .

где

2. 1 9j,i = Us -/Vno, (fy; +

Vj Vi Vj Vi 1

i2

не Су и У - соответственно удельные капитальные затраты на ооружение КС и установления комплекта оборудования и коэффициент, читнвающий транспортные и складские расходы; оС» , Ы>/ , оответственно стоимость электроэнергии, теплоносителя (воды) и дельное потребление электроэнергии КС; & ; и

Мег. (<5,1 ; Др^)- соответственно изменен» объемной производи-ельности компрессором и потребляемая им мощность;' - ряс-

ой охлаждающей воды; ¡)и - эксергия утилизируе- ■

ого тепла соответственно воды и воздуха. Термические составляп-ив эксергии отводимой воды и воздуха соответственно равны

110 / -г- г,- / Тч.х.\ .

де Срк/ -массовая теплоемкость воды; д 7*/г 7ьгч. ~ 7к<>/. , до 71лк. 7м»г соответственно температуры нагретой и поступающей в ВО воды; •

Ср». - массовая-изобарная теплоемкость воздуха; 7?; То ~ соответственно температуры нагретого воздуха и

окружающей среды. Изменение эффективности охлаждения и дроссельные потери в О, а также тепло утилизации в модели приняты дифференцированно а каждый I -й период эксплуатации воздухоохладителя по уста-овленным зависимостям. "

"13 формализованом вица задача формируется следующим образом: ребуется найти такие значения Я^ и дР * при которых привс-енныз затраты за период эксплуатации ВО - один год будут мини-альними.

дп = Щц 21Ъп ; л/^)

при ограничениях 0 « ^ 1-0; О^Д «

г*}

Задача решена методом прямого поиска, имеющего логически простую стратегию. Алгоритм прямого поиска включает два основных этапа: исследующий поиск вокруг базисной точки и поиск по образцу, т.е. в направлении выбранном для минимизации. Сущность метода заключается в изменении каждый раз одной переменной, тогда как другая остается постоянной пока не будет достигнут минимум целевой функции.

В результате решения задачи установлено, что для режима работы компрессора с параметрами характерными для шахтных пневмо-онергетических систем, т.е. давления нагнетания /к =0,6 МПа и температуры всасываемого воздуха 7о =293 К оптимальными параметрами являются =0,68 и дре =0,6-10"^ Ша. Эти параметры несколько отличаются от обычно принимаемых при проектиро-. вании ВО ( Ча =0,75 - 0,8; Дро =0,8 Ю~2МПа). В условиях эксплуатации компрессоров на угольных шахтах при учете эксплуатационных ..ачеств ВО и изменения не только расхода энергии, но и объемной производительности в функции и Др выгоднее, оказы-

/Г

вается, несколько поступиться эффективностью охлаждения ВО ради снижения дроссельных потерь.- Такие выводы объясняются большим влиянием на изменение объемной производительности йр по сравнению с Я^ .

Исследования целевой функции показало, что оптимальные значения и др приближаются к общепринятым, если неучитываются эксплуатационные характеристики ВО, т.е. в уравнениях для определения Я и Ар допускается, что Ч'Я'о! и ДР'^Рсс (рис.2). С изменением давления нагнетания компрессора в диапазона от 0,9 до 0,6 Ша оптимальные значения Я~ практически не меняются,.хотя минимальное значение приведенных затрат растет с увели-

чением Гк . функция приведенных затрат в зависимости от (эффективность охлаждения в первом ВО) имеет ярко выраженный минимум, в то время как эта же функция в зависимости от Я^ имеет минимум в более широком диапазоне изменения эффективности охлаждения. Объясняется это меньшим влиянием на изменение объемной производительности Я^г по сравнению с 5/ .

Выбранные оптимальные значения и &р явились базой для разработки схемы воздухоохладителя на тепловых трубах (ВОТТ).

Принципиальная схема воздухоохладителя ВОТТ показана на рис.3 ( О) - схема; 5)- тепловая труба). Основным элементом ВОТТ является тепловая труба (рис.3.б), состоящей из зоны испарения А, обдуваемой холодным воздухом, подаваемым вентилятором. Промежуточная зона В служит для нагрева воды, используемой для технологических и других нужд. Благодаря эффекту сверхтеплопроводимости, осуществляемого за счет испарения и конденсации теплоносителя внутри тепловой трубы, перенос тепла по длина трубки осуществляется практически без потерь.

Исследования теплофизических свойств тепловой трубы (П) осуществлялось на моделях и на натурных образцах. Из большого числа существующих в настоящее время типов и модификаций теплоЕих труб для шахтных ВО наиболее приемлемыми являются тепловые трубы, не имеющие капиллярной структуры и работающие на использовании гравитационных сил - бесфитильние тепловые трубы (термосифоны). Они

конструктивно просты, не сложны в изготовлении, могут передавать

с-

большие тепловые потоки, удовлетворительно работают в широком диапазоне рабочих температур, получили наибольшее распространение в промышленности.

Теоретические исследования ТТ являются затруднительными и. недчстаточно эффективными, поэтому изучение процессов, протекая-

них в них, осуществлялось в основной экспериментально. Основными факторами, влияющими на эффективность работы ТТ являются степень заполнения тепловой трубы рабочей жидкостью и ее свойства, влияние неконденсирующегося газа (.азота воздуха ) и др.

Требованиям, предъявляемый к теплоносителю, в наибольшей степени удовлетворяет вода, которая и использована в тепловых трубах ВОТТ шахтных компрессоров в качестве рабочей жидкости.

Исследованиями распределения температур вдоль тепловой трубы установлено, что ТТ с неконденсирующимся газом имеет существенно большее термическое сопротивление в зоне конденсации по сравнению с И без неконденсирующегося газа. Это сопротивление меняется в зависимости от передаваемой мощности. Длина зоны газовой пробки ТТ может быть определена по формуле

— ЙЙм ' о -г

где т - масса неконденсирующегося газа; л - газовая постоянная; /г -

температура газа; Ли, - внутренний диаметр ТТ; 7п - температура пара, ■ А - коэффициент, определимый свойствами рабочей жидкости ТТ.

о *

Коэффициент Р определяемый конструктивными свойствами тепловой трубы, равен 1.—:--— "

О I » Сн *Си -

где Си - длина зон конденсации и испарения; т - угол наклона

ТТ относительно горизонта.

Измерениями температуры пара по длине ТТ установлено, что при мощности трбы 22-50 Вт происходит разогрев только зоны испарения ( рисЛ, кривая1 ). В зону охлаждения тепло поступает лишь посредством теплопроводности и''веЛ^чина его незначительна. С ростом тепловой мощности ТТ поток моленул пара из зоны испарения в зону кон-' денсации увеличивается. Кривая 2 нй рис.4 соответствует свободно ш лекулярному режиму течения, а кривые 3 и потоку сплошной кассы пара.

erp

sa SO но 20 0

AEj^.7

Рис-Ч Шигнение тзмперст/ру пара по Заине. TT : ей

V- разогрев гоны испарения;

2- режим нолг&лярмго течения nop&j Ег-317

Зи^-пога* сплошной массы rmgпри н&шчии ' нехон&енсцрующего r&já и oes нега.

X 0.2

0,6

ОМ

r-"—

// // V t IL 12.

/t // // / I t ■uL

üEj»l7

6)

А Еах~66.б

Рис. s Зависимость эррем^Ёмоста

охиазеЗёнир^ ВОТТ от

Pu с. S Потоки жеергци S !

noBepxuaoruF охлаж&ениег'- а} зкерггичъЫапcb&. ; i-соЗнои êai&ù/Hoùзоной , гр&мнхЕЮМ;

КОНЩНСУЦШ; З-сеаЬоиёо&агнои

Эонои k'CHtfeHctíuvv; З-сЗЬ/мя Зиагр&мна,

(ScaPua/voù uEcdwoù) зонами '

MOUS'OUCQ'CÍ uu ■

Of

Теллопередающая способность ТТ зависит от степени еэ заполнения теплоносителем. Устойчивый режим ТТ обеспечивается в том случае, если пленка теплоносителя покрывает внутреннюю поверхность трубы, доходя до самой нижней зоны нагрева. Минимальное келичество теплоносителя должно быть не менее суммарного количества, находящегося на стенках ТТ и в паровой фазе. При меньшем заполнении тепловой поток ТТ резко снижается, чрезмерное заполнение ТТ теплоносителя отрицательно влияет на тепловой поток. Предельная нагруженность ТТ в предположении, что молекулы могут отрываться от поверхности раздела фаз без помех, т.е. испарение происходит в вакуум, хорошо согласуется с расчетом по формуле

где

г

Рп %

- теплота парообразования;

- давление пара;

- температура пара.

Результаты исследований положены в основу разработки конструктивной схемы ВОГГ для шахтных компрессоров, на базе которых разработаны опытные образцы воздухоохладителя (а.с.№> 1511571). Мощность, передаваемая одной тепловой трубой, может быть определена по зависимости

Йгг' {(ы.и.х. >с1ъ ) йтт; £тт) •

- разность температур сжатого воздуха на входе и выходе из ВО, отнесенная к одной трубке;

- средне^ суммарное термическое сопротивление тепловой .трубы;

оСнк. - коэффициент теплоотдачи от К -го внешнего

теплоносителя к наружной стэнке тепловой трубы;

где

Ягт

Ci a - коэффициент теплоотдачи между внутренним теплоносителем и внутренней стенкой тепловой трубы; ¿тт,С1ТТ)£тт~ конструктив""0 параметры тепловой трубы - длина, диаметр и-коэффициент оребрения;

0ТН - критериальный комплекс, зависящий от теплофиаи-ческих свойств теплоносителя тепловой трубы.

Предложенная конструкция ТТ обеспечивает передачу мощности т 1,0.до 1,9 кВт а зависимости от температурного напора, а Эффективность охлаждения воздуха в воздухоохладителе на тепло-ых трубах зависит от теплофизических свойств внешнего тепдо-осителя,' количества зон в ВО и охлаждающей поверхности {F ).

Интенсивность изменения эффективности.охлаждения в функции ~ с увеличением ?" уменьшается (рис.5), что объясняется уиень-ением температурного напора при передаче тепла. Наибольшая ффективность охлаждения воздуха достигается при использовании трех он и наименьшая - при использовании одной зоны конденсации, обуваемой воздухом.

Выполненные расчеты и экспериментальные данные подтверждает озможность создания на базе воздухоохладителей на тепловых рубах безградирневой системы охлаждения воздуха турбокоипрассо-оа с высокой степенью утилизации тепла (коэффициент утилизации олее 0,?). • ■

0 качестве отводимого тепла и эффективности утилизации моано удить по сравнительному эксергетическому анализу теплопотоков существующем воздухоохладителе ВОК и ВОТТ. Потоки эксергии в озлухоохлашггелях представлены на рис.6, из которого видно, что ри прочих равных условиях эксергетическая эффективность нсполь-уе.пго тепла в В01Т в 2 раза eibs, чем в BGK.

Испытанна ошдашх образцов воздухоохладителей на тепловых pyfî.ix просолен*) нц vjрч'ско^прзссорэ K-bw и пор:лноЕом коммрас-

сора 55В шахт им.А.И.Гаевого и им.Румянцева ПСГАртемуголь", гае было постигнуто расчетное снижение температуры воздуха и подтверждена правомерность использования для расчета полученных в работе зависимостей.

Промышленные испытания ВОТТ в качестве концевого воздухоохладителя с двумя зонами (воздушной и водяной) и утилизацией тепла проведены на турбокомпрессоре К-500 шахты "Красный Лрофинтерн" П0"0рдяоникидзеуголь". Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность ВОТТ, сделанные выводы и разработанные положения. Система охлаждения воздуха и утилизации тепла с близким к расчетном параметрами работает более 4-х лет и продолжает эксплуатироваться в настоящее время. В летний период тепло сжатого воздуха использовалось для нагрева воды, подаваемой в быткомбинат, а зимой - для нагрейа воздуха подаваемого в шахтный ствол для его . . обогрева. По результатам испытаний приемочная комиссия рекомендовала воздухоохладитель ВОТТ к серийному производству. Изготовление ВОТТ осуществляется в настоящее вреыя Горловским рудореыо!..-иым заводом ПОвДонецкуглеремонт* совместно с экспериментальным ' производством ВНИИГМ по заказам шахт и объединений.

Результаты работы внодрены в промышленности в вице разработанной методики расчета оптимальных параметров воздухоохладителей ВОТТ для ШТУ, утвержденного технического задания на производство на Горловском РРЗ ПОнДонецкуглеремонт" типорязмерного ряда воздухо охладителей на тепловых трубах, разработанной схемы и технической документации на изготовление ВОТТ в качестве концевого воздухоохладителя-утилизатора на тепловых трубах, изготовленных и внедренных на компрессорах К-500 и К-Л50 нч шахтах "Красный Профич- ' терн", "Булавинская" ПСОрджоникипяоуголь", "Красноармейская'1 ПОиДобропольеугольн, "Тороцкая" П0"Л•юртингкуголь".

Годовой народнохозяйственный экономический эффект от внедрения ВОТТ в системе охлаждения шахтной турбокомпрэссорной установки составляет 101тыс.руб. (в ценах 1990г.). Экономия тепловой энергии только от утилизации тепла в концевом ВОТТ составляет 4,75тыс.Гнал..окупаемость ВОТТ менее одного года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научная задача, состоящая в установлении закономерностей влияния изменения параметров воздухоохладителей на показатели ШТУ, определении оптимальных параметров воздухоохладителей аахтных турбокомпрессоров, разработке схемы и методики расчета воздухоохладителя'на тепловых трубах, позволившая повысить эффективность эксплуатации шахтных турбо-компрессорных установок за счет улучшения охлаждения компрессоров и утилизации тепла сжатого воздуха.

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Работа шахтных турбокомпрессорных установок характери-зуе 2Я ухудшением технико-экономических показателей в процесса их эксплуатации, что в значительной степени обусловлено низкими эксплуатационным!! качествами воздухоохладителей и недостаточной эффективностью системы охлаждения компрессорных установок.

2. Отклонение характеристик турбокомпрессоров в процессе юс эксплуатации от первоначальных (паспортных) в сторону мень'лей производительности происходит чак б результате их смещения, так и увеличения угла наклона этих характеристик к осп расхода. До1..шп:ру|иу!1! при этом является изменение производительности; удельно з потр^геиие м-лшости компрессора меняется в меньшей сте-пе;;и.

3. На изменение удельной потребляемой мощности компрессора большее влияние оказывает недоохлаждение воздуха, дроссельные потери в воздухоохладителях больше влияет на изменение производительности турбокомпрессора. Установленные корреляционные зависимости изменения параметров воздухоохладителей в процессе их эксплуатации позволяют с достаточной степенью точности оценить их влияние на изменение показателей шахтных турбокомпрессорных установок.

4. Разработанная экономико-математическая модель оптимизации параметров ВО на базе рассмотрения компрессора и воздухоохладителей как единой системы и выбранный критерий оптимальности -приведенные затраты позволили определить наиболее выгодные параметр! ВО с учетом их эксплуатационных качеств, влияния внешних условий, технологических и экономических факторов.

5. Анализ оптимальных параметров ВО на тепловых трубах, определенных с помощью разработанной модели, показывает, что при эксплуатации этих ВО на 11ГГУ целесообразно несколько поступиться эффективностью охлаждения воздуха ради снижения дроссельных потерь в воздухоохладителях.

6. Разработанный воздухоохладитель на тепловых трубах с оптимальными параметрами имеет высокие технико-эксплуатационные качества, позволяет повысить эффективность эксплуатации шахтных турбокомпрессорных установок, позволяет обеспечить требуемый температурный режим даже при безграцирневой системе охлаждения компрессоров, повышает потенциал отводимого тепла, 'гго дает воз-мотаость использовать вго при утилизации.

7. Теоретически и экспериментально установлено, что наиболее рлпиональнт.и для воздухоохладителей шахтных турбокомпрессорных установок являются, бесфитильные тепловые трубы не имеющие клпил-

[ярной структуры и работавшие на использовании гравитационных сил. 1ри этом большое значение аля устойчивой работы тепловой труби в птныальцых режимах имеет правильный выбор сочетания поверхности агрева и охлаждения, схемы воздухоохладителя применительно к онкретным условиям его эксплуатации. Устойчивый ражим работы епловой трубы обеспечивается в той случае, если пленка теплоно-ителя покрывает внутреннюю поверхность трубы, доходя ко саыой ;елей части зоны нагрэва.

8. Наибольшая теплопередающая способность тепловой трубы беспечивается при движении внутри трубы сплошной массы- пара из оны испарения в зону конденсации. Шнимальноэ количество тепло-осителя должно быть нэ менее суммарного количества его на стенке Г н в паровой фазе. Рациональная степень заполнения труби тепво-осителеы составляет 8-12$ от внутреннего объема трубы..

9. Исследования ВОТТ в промышленных условиях показали, что эказатели его в процессе эксплуатации незначительно отклоняются

г первоначальных, ВОТТ устойчиво обеспечивает заданные параметры ээдухоохлаждения и компрессора з целом* термическая составляющая <сергии отводимого тепла от воздухоохладителей на тепловых тру-»х в два раза больше, чей у лучших существующих воэдухоохладн-элей-утилизаторов только с водяным охлаждением. Промышленные ;пытания ВОТТ подтвердили возможность создания на их базе без-5ацйрневых систем охлаждения аахтных турбокоыпрессорных устано->к с утилизацией теплоты сжатия.

10. Результат работы внедрены в промышленности в виде размотанных методик определения оптимальных параметров воздухоохла-¡телей ШТУ и расчета ВОТТ, утвержденного технического задания

I производство на Горловском РРЗ ПСДонецкуглеремонт" типораз-рного ряди воздухоохлад1ггелей на тепяоБих трубах, разработанной хннческой документации на изготовление ВОТГ, изготовленных и

внедренных образцов ВОТТ компрессоров К-500 и К-250 на шахтах "Красный Профинтерн", "Булавинская" П0"0рд«оникидзеуголь", "Красноармейская" ПО"Добропольеуголь", "Торецкая" ПО"Дзержинск-уголь". Годовой народнохозяйственный экономический аффект от внедрения ВОГТ в системе охлаждения шахтной турбокомпрессорной установки К-500 составляет Ю1тыс.руб. (в ценах 1990г.).Экономия тепловой энергии только от утилизации тепла в концевом ВОТТ составляет 4,75 тыс.Гкал..окупаемость ВОТТ.менее одного года.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. С.И.Федоров, В.И.Дегтярев. Повышение технико-экономичвски; показателей центробежных компрессоров /Горные машины н автоматика. - М. :ЦНИЭИуголь.- № 5. - Шб. - с.25-26.

2. В.В.Лобода, О.И.Ацылканов, Ю.И.Федоров, С.С.Фомин. Совершенствование шахтных пневматических установок. - В сб."Шахтные турбоматины" /ИГМТК им. М.М. Федорова, Донецк, IS77, вш.№ 43,

с.85-97.

3. О.И.Федоров, Г.А.Червоненко.Л.А.Карасева. Исследование модели теплообменника на тепловых трубах для охлаждения сжатого воздуха на КС угольных шахт. - В кн. :Сопцанио и совершенствование шахтных стационарных установок /ВНИИГМ им.М.М,Федорова, Донецк, i960, с.172-184.

4. A.c. I5II57I (СССР) Теплообменник/ Ю.И.«едоров,А.А.Коч-мурадов, В.Я.Литвинчук и В.Е.Курбаков. - Залвл.0б.04.87, Г422233Я/ 24-06. -Опубл. вБ.И.,1909, №36.

5. Ю.И.Фецоров. Статистически!! анализ эффективности рзботм промежуточных воздухоохладителей турбокомпрессоров. - В кн.: Исследование, разработка и эксплуатация чгагнмх стационарных установок /ВНИИГМ им.М.М.Федорова, Доненк, 1991, с.!30-85,