автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Скважинный термосифонный теплообменник для утилизации теплоты газов подземного сжигания угля

министерство науки, высшей школы и технической политики российской федерации

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

На правах рукописи

ЕПИФАНОВ Александр Анатольевич

УДК 622. 278:в62.99:336.24

СКВАЖИННЫЙ ТЕРМОСИФОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ГАЗОВ ПОДЗЕМНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЯ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена в Ниводаевсвои ордена вого Знамени кораблестроительной институте С. О. Макарова.

Трудового Красина ая адщрава

Научный руво'-дагею дозт.техн.ыук, проф. РЫКОВ C.B.

Официальные оппоненты: дом. техн. наук, проф. КНЙНИН Е.В., капд.твхя.наук, доц. ИИЗШН В.Я.

Ведущее предприятия - Ассоциация "Еаоелезскугогь".

Эавдта диссертации состоштся ¿Ç tUt-i-^Ъ/1992 г, в /Учао. на заседаяги спзцпализированногооовета К-053.12.05 Московского горного института по адресу: II7935, В-49, Иосква, Ленинский проспект» 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотека института.

Автореферат разослан fa г. .

Учений секретарь специализированного совета канд.техн.наук, доц. £.£.1Ш0.

общая пштвжтш РАБОТЫ

Актуальность работ. Одним из перспективных методов получения энергии из угля, не извлекая его на поверхность,является технология подземного сжигания угля ("СУ), разрабатываемая в Московском горном институте.

Одним из основных процессов технологии является утилизация 4 зической теплоты ¿азов. Этот процесс осуцествдяется с помощью тэплообмегчыт аппаратов, устанавливаемых на поверхности. СерийЕО выпускаемые теплообменники газо- и водотрубные не всегда удовлетворяю"1 требованиям надежной работы применительно к технологии ПСУ.

Кроме того, такие теплообменники из-8а конструктивных особенностей не могут быть размещены непосредственно в газоотводящих скважинах, что в конечном-итоге снижает эффективность технологии ПСУ по получении теплоты гследствие потерь в наземных газеходах. Поэтому важной задачей является разработка конструкций теплообменников с высокой степень!) надежности, размещаемых в газоотводящих скважинах, го "позволит повисать эффективность утиЕиззции теплоты газов ПСУ.

В последние годы все более широкое распространение получают теплообменники, поверхность нагрева которых выполнена иа двухфазных гравитационных термосифонов, отличающихся повышенной надежностью, простотой конструкции и тепловой эффективностью. Указанные преимущества термосифонных теплообменников открывают перспективу для их использования по утилизации теплоты газов ПСУ. Кроме того, конструктивные особенности термосифонов позволяют погружать их непосредственно в газоотводящую скважину на глубину десятков метров. Однако до сих вор такое техническое решение не нашло практической реализация. Эхо объяснится тем, что отсутствуют данные о тепловой эффективности н- особенностях рабочих процессов в термо-

сифонах большой длины с отношением подвой длины термосифона в его диаметру ¡сС> 100. •

В связи с этии научная задача по исследованию тепловой эффективности и рабочих процессов £ термосифонах большой ?ъяш в условиях технологии ПСУ, а такяе разработке в» этой основе вонох-рукцаи скважинных термосифоин„х тепзообменвиков (СИ), является чктуальной.

Целью г 'ото является исследование тепловой эффективности I. рабочих процессов в двухфр-ных гравитационных* термосифонах боль- . вой длины лримецителоно к технологии ЦСУ, разработка ва згой основе конструкции скважиннкх термосифонвых теплообменников, а так-ае методики их проекхировашая^ что обеспечит создание теплообменников с высокой степенью надежности и повысят эффективность утилизации тепловой энергии.

Идея работа. Псвысзние эффективности использования тепловой анергии газов ПСУ достигается га счет передачи теплоты о помощыз двухфазных гравитационных термосифонов, зова испарения которых по* гружена непосредственно в гаэоотзодяяую скваживу.

Научные положения, разработанные дичво автором, и новизна:

- предложенная физшеокая иоде ль гидродинамической обстановка в полости термосифонов отличается тем^ что учтены пульсациов-

.вый характер кипения теплоносителя а движение конденсата в зове ячпарения в виде капель;

- термосифоны больной длины ( ¿¡Ж = 100-250) сохраняй! свои работоспособность при тепловых нагрузках^» 1,0-12,0 кВт/м^,' характерных для технологии ПСУ, а их тепловая мощность достигает 6,0 кВт;

- в зависимости от тепловой нагрузки существуя» две режима кипения теплоносителя в зоне испарения термосифонов: беспульсаци-онша сра ^ = 1,0-3,0- кЗт/а2 ц пулъозцзоаный при, <? =» 3,0-

-12,0 кВт/н^; при этом рациональная степень заполнения термосифонов составляет 20-'30 % объема зовы испарения;

- интенсив- ion теплообмена при кипении в стесненных условиях термосифонов большой длины в 1,5-2,7 раза выше, чем при кипении s больном объеме, а интенсивно л теилообмена при конденсации ниже расчетных коэффициентов по. формуле у -ссельта на 10-15

- разработанная математическая модель теплового взаимодсйст-Biu.i потока газов ПС У в сквамнном термосифошюм теплообменнике позволяет установить зависимость длины его подземной части от температуры газов с учетом потерь теплоты в горный массив;

- рациональный диаметр термосифонов, при которой обеспечивается наибольшая тепловая мощность скважанного термосифонного теплообменника, составляет 32-38 ин.

Обоснованность и достоверность науч!шх положений, выводов а рекомендаций подТБергд:на Експерииентальными данными, полученными в лабораторных усаовгях в результате непосредственных измерений параметров рабочих процессов в термосифонех большой длины, а также зксперим* лани на опытно-промышленном образце сквзжинного термосифонного теплообменника в натурных условиях на учзстке ПСУ (ошибка результатов моделирования не превышает 15 %).

Научное значение работы заключается в разработке физической модели гидродинамической обстановки в полости термосифонов, получении новых экспериментальных данных по тепловой эффективности термосифонов большой длины, установлении зависимости интенсивности теплообмена при кипении в конденсации в термосифонах от режимных и геометрических параметров, а также зависимости длины подземной части скважинного термосифонного теплообменника от температуры газов.

Практическое зчячеетго _раСоты заключается в разработке конструкции скватанного тврюсифоняого теплообменника (а.с.й I56I632X

б

отгачаэдзгося высокой стащены» надежности и обеспечивавшего повышение эффективности утилизации теплоты газов ПСУ более чей на б % создания аетодикя расчета сквашнаых термосифонных теплообиенни-ков с реализацией на ЭВМ; разработке рекомендаций по проектированию сквагинных териоск^онных теплообиг пиков.

Реализация выводов и тэкоиекдаций работы» Разработанная в „.¡ссертациа методика расчета скваяанных термосифонных теплообменников использована шахтой "Киресвская-З" ПО "Тулауголь" при изготовлении опытно-промышленнг о образца теплообменника, Теплообменник пробег опытания за участке ПСУ шахты "Кирвевская-З",подтвердившие его надобность и тепловую эффективнг-ть. Расчетный экономический эффект от использования скважкнного термосифонного теплообиенника на участке ПСУ шахты "Киреевская-З-1 превышает Г7,0 тыс. рублей в год (в ценах 1990 г.).

Апробация, работы, ¡¿дтериалы диссертации докладывались в составе обобщенных отчетов ИЩ им. А.А.Скочянского (г.Лпберцы 1987--19Р1 гг.), научно—технической секции Ниаугпепроиа СССР (г.Москва, 7939-1991 гг.), технической совете ПО "Тулауголь" (г.Тула, 1987-1991 гг.), :а Всесоюзной научно-технической- конференция "Современное состояние, гробдекы и перспективы энергетики и технологий в знергосгроенпи" (г.Иваново, 1989 г.), на научно-техни-ческях конференциях профессорско-преподавательского состава Николаевского кораблестроительного института (г.Николаев, 1988-1992 гг.), отраслевой НИЛ "Подземное сжигание угля" ЮТ (1987-1992 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ.

"бгем оэботы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глаз, заключения и приложения, содержит 156 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 2 таблицы, списка литературы из ¿¿5 ^.именования.

Автор вырахает гяубоку» благодарность за методическую полит и научные ковсуямация при выполнения р. 5огы докт.техв.наук, проф.Селиванову .'Л.

ОСНОВНОЕ СОДЕРХАШЕ РАБОШ

В Московском горной институте с 1983 года проводятся исследования орнязцпнагьяо новой технология подзеияого мигания угля, идея Которой предложена акад. В.В.РжевсЕЯ*. Наибольший вклад в становление и разработку нового направления нетрадиционной отработка угля внесли такие ученые в производственника, как А.С.Бур-чаков, А.П.Лиитраев, Г. И. Се пианов, А.Б.Ковальчук, С.А.Яруннн, В.А.Серов, Г.А.Янченко, В.Я.Мизавив, Л.В.Заводчиков, В.Н.Кузнецов и др.

В период 1985-1991 годов отработаны два экспериментальных участка технояогиа ПСУ в Подмосковной (вахта "Киреевс зя-3") и Донецкой бассейнах (шахта !6 I "Острый"). Технология показала хорошую работоспособность при доработке оставленных в недрах запасов угля. Однвко несоверяевство применяемого на участках теплообыенно-го оборудования не позволило в отдельных случаях получить высокую эффективность утилизации тепловой энергии образуюцихся в подземном генераторе газов. * Проведенный анализ показал, что газы ПСУ содержат большое количество до 30 % и более по объему водяных паров вследствие водопритока в подземный генератор, а так*« агрессивные соединения сера. Это прэдьязглзг повышени е требования в надежности теплооб-аенников-утилизагоров. Опыт эксплуатации кохухотрубных теплооб-иенников, применяемых на участках ПСУ, показал, что они не отве-гают требования надежной работы. Кроме того, размещоние теплообменников на поверхности приводило к значительным тепловым потерям

в

через стенки названых га°оходрв. Это сникало эффективность утилизации тепловой энергия газов ПСУ.

В последние годы все большее применение получают теплообменники, поверхность «агрева которых выполнена из тепловых тцб и, в частности, их наиболр" эффективной рг зовидности - двухфааных гравитационных термосифонов.

Вопросы применения термосифонов в теплообменниках изучались з работах А.-.Гавршюва и В.8.Ляха, U.K.Безродного,'¿.И.Болойвана, Л.Л.Засяльзва, Ц.Г.Семены, Ъуры, й.Л.Пиоро, Д.Рея и П.дана, Г.А. СавченхоБа и др.

Надежность работы термосифонных теплообменников в агросоив-ной среде, зысокая тепловая эффективность, а также простота изготовления открывают перспективу.ах использования для утилизации теплоты газов ПСУ. Кроме то.*о, конструктивные особенности термосифонов позволяют размещать их непосредственно в газоотводящей скважине, как показано на рис.1 на охеые участка ПСУ.

Применение термосифонов для утилизации теплоты газов ПСУ имб?~ свою особенность. Эта особенность заключается в том, что длина зоны испагчния термосифонов, погруженной в - газоотводящув сквавшу, м<жет доетлгатъ десяти и более метро?, а отноиение полной дзины термосифона к его внутреннему диаметру превысить 100.

Анализ алторатурных данных показал, что в настоящее время применяется термосифоны длиной не более 2 и при отношении длины к дзаиэгру термосифона менее.80. Тепловая эффективность я рабочие процессы в термосифонах больазй длины при отнопении длены к дзааетру ICO и более не исследовались

3 работе сформулированы следующие задачи: разработать физическую модель гидродинамической обстановки з соасзтв термосифонов бояьвой дайны;

лсс-eiDEa™ теазозув эффективность а рабочие процессы в тар-;;сгг:зазх оозыог. длины в ратаанах условиях тэхнологии ПСУ;

Рис.1. Стеаа участка подземного сжигания угля со свд2*2я*ш тер,'асифонныи теплообменником

разработать математическую модель теплового взаимодействия газов ПСУ в скважиннои термосифоннои теплообменнике

разработать конотрукци» и методику расчета сетамнного тар-мосифонного теппообмеввика;

испытать опытный образец скважикного тврмосифонного теплообменника в натурных условиях на участке ПСУ;_

определить эффективность применения сква*ннного термооифон-аого теплообменника;

разработать рекомендации по проектировании скватинных тер-иосифоиных теплообменников.

Исследование термосифонов большой дляал выполнено на специально разработанных экспериментальных отевдах. Один из стендов позволял непосредственно наблпдат! за рабочими процессами, протекающими во всех зовах термосифона. Рабочий участок этого стенда изготовлен из труб кварцевого отекла. В другом стенде имитировались условия работы.в сквамшном теплообменнике о термосифонами большой длины (рве,2). Рабочий участок этого стенда бил изготовлен из стальной трубы (Ст20) диаметром 52 мм а состоял из нескольких частей длиной 2 м каядая, сообщенных между собой с поноцьв втуцернцх соединен«^. Относи те ль!";я длина термосифона находилась в пределах от 100 до 250. Вакуумироэание термосифонов осуществлялось выпариванием части теплоносителя до остаточного давленая 0,05*10^ Па. В качестве теплоносителя использовалась дисталлар зяяая вода.

На рас.З представлена фотограмма рабочих процессов в тарко- ■ сифоне при последовательном увеличении тепловой нагрузки, полученная при визуальных наблюдениях на термосифонах из кварцевого стекла (степень заполнения зоны испарения Сч - 22 %).

Установлено, что при малых плотностях теплового потока до 3,0 з зсаз йсйарзняя термосифонов наблюдается- беспульса-

Тес.2. Схема зкспериментадьного стенда:

I - термосифон; 2 - зодяной кожух; 3, 2^ - ртутные териоаетр; 4 - электронагреватель вода;-5-ротаметр; 6, 12, 25 - клапаны; 7 - регулятор напряжения; 8 -вольтметр; 9 - заслонка; 10 - элек1ровентилятор;11 -входное измерительное устройство; 13 - потенциометр; 14, 17, 19, 21, 22, 27 - термопары; 15 - электронагреватель воздуха; 16 - воздупный кожух; 18 - амперметр; 20 - зонд; 23 - многоточечный переключатель; 26 - маковакууметр

12

i 1 «ионвый реши кипаниа теплоносятвля (рас.3»б), а щш ижохноотя* теплового потока ох 3,0 'до 12,0 кВх/м2 - пувьоацяонный реши (рис.3,в,г,д}» который сопровождаехся перяод1ческлии_ выбросами тепвоносйтепя. Возникновение нуяьсационного ретагэ можно обьяо-нахь ограниченны ми рпмераии зеркала спареетя (поперечного сечения термосифона). Вследствы этого ве вое пузырьки вара успела ли выйти на своболчув поверхность и разрушиться; происходило образование крупных пузырей, соизмеримых о диаметром термосифона, при разрушении которых навидался выброс тэплонооителп. Выбросы чередовались с периодами "молчания" (рис.3,д). С ростом тепловой нагрузки частота выбросов и высота забросг теплоносителя увеличивались. При этом кипение на обоих режимах происходило в столбе жидкости. Кроме кипения в столбе жидкости наблюдалось испарение возвращавшихся капель конденсата, а также испарение отекакцей_до-сле выброса пленки теплоносителя на пудьсадионном режиме. Движение конденсата на обоих режимах происходило в виде пленки, которая в транспортной (адиабатной) зоне стягивалась в отдельные ру-чвШи. в зоне испарения ручейки распадаюсь на отдельные капая ' (рас.З.а). Еа о ноге визуальных ваСвданай дави рекомендации по степени заполнения термесифонов теплоносителем. Рекомендована степень заполнения зоны испарения не более 30 % пра гепловых нагрузках до 12,0 kst/u^. При такой степени заполнения иокдвчавтея ¿бросы теплоносителя аа. продолы зоны испарения.

Исследования термосифонов большой длины в режимных условиях, характерны* дая участков ПСУ, показала, что они сохраняют свою работоспособное«, т.е. при максимальных тепловых нагрузках р = а 12,0 кВт/и^ в термооифовах вв неби'вдаяись кризисные явления, ..ройоленйем которых является прекращение росха передаваемой тек-.;оиой моаноста и, соответственно, резкий рост температуры стенки (адстяоста тепловых потоков öuss кзжй критических). ■

Анаша результатов показал, что в иссгсдуемом интервале геометрических я режимных параметров термосифоны большой длины сохраняет высоку тепловую эффективность. Как видно из рис.А, передаваемая термосифонами тепловая мощность достигала 6,0 кРт.

При исследовании рабочих провесов в термосифонах больной длины установлено, что с ростом тепловоГ нагрузки опытные значения коэффициентов теплоотдачи пря кипении увеличиваются, оста-ъаясь выше в 1,5-2,7 раза коэффициентов теплоотдачи при кипении в большом объеме (рис.5). Это можно объяснить теп, что в зоне испарения термосифонов наблюдается турбулизация пристенного слоя и все^о объема жидкости хаотично движущимися в стесненных условиях кипения пузырьками пара, способствующая увеличению интенсивности теплообмена по сравнению о кипением в большом объеме.

Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при квпеяшг в термосифонах бояыло.. длины можно рекомендовать ; зависимость (сплошная линия на рис.5), предложенную Вен Яопой и Шаноя для коротких термосифонов £{<£< 70.

Анализ результатов показал, что с ростом тепловой нагрузки коэффициенты теплоотдачи пря конденсации уменьшаются, оставаясь ниже на 5-15 % расчетных знячений (рис.6). Снижение опытных значений по сравнению с расчетными объясняется влиянием неконденсирующихся газов., а твкже торггазявдш действием встречного пото-' на пара нз пленку конденсата, эдо пряводит к увеличению ее толщины.

Средние значения коэффициентов теплоотдачи в зоне конденсации термосифонов богьпой дгк'ш могут быть найдены по формуле Нуссельта с учетом п^празки на снижение интенсивности теплообмена:

J4-.

q, = О 2,2 5,5 И,5 10,5 кВт/м2

Рао^З. Фотограмма рабочих процессов в зоне испаревия термосифона с -ростом тепловой вагруакз (а-д) я характер двамиия теплоносителя (а)

a Mr .

r*1 - "

t

'C

т sao гзо л» ззо

jfac.4. Зависимость тмяовоп моцности термосифона Зольной длины от температуры гоаов ¿JeL * 231, <3? « 32x3 им,дЦ.я 8,5 агДс.ц2) :

i - А«» Q.4VI03; Í^U 68 °С; <£„ я 25 2 - AW 0,55.10a;4.= = 53 °С; d, а 50 3 - 0,55.10a; 58 °С; £/ * 25 Ь -0,WI03{ i* , 25- °С; ш. 25 5 -/ftw» 0,22-Ю3; * = L3 « 25 б -/fcw« 0,38.10a; t^ = 13 °С; 25'

? - ÁW^s ü,S6«I0á; ¿L.» 13 °C; ¿^=25%

«ЗУж'уГ

V »-г --3 ---«

• ^ I > > •

Г* »х • Л

•

3 4 г i * Ь'.ЬгА

Рис.5. Сопоставление результатов теплообмена ара кипении в термосифона больной длины о данный» других авторов (теплоноситель - вода, ^ = 0,1 Ша):

I - опыте значения (¿7<з£ = 154); 2 - опытные значения £ !<£ » 3, 5, & - видение в столбе жидкости (<^/<э£< <■ 70);' 4 - кипавае в пленке . (£ /а£< 70); 7 - кипенав з бозздон сбьзмэ

<6*4

3 &

О -/ —.-3

■

1

| о"1- ""НоЧ 1

! } 1 = ' 1 1 И 1 ! 1

1 1 ! И | 1 !

Ряо.б. Сопоставление результатов теплообмана при конденсации в термосифоне большой длины (теплоноситель - вода,

Рл = 0,1 Ша): I - опытные значения 32x3 цн, ¿С» 1,3 м, <£„ =25 %}; 2 - теорая НуссольтЕ

где «v - ко«^фицаея5в теплоотдачи при конденсации по формуле

Цуссепьта;

- п..правка на волновое течение пленки конденсата; <tt - полевка, учитквавдая зависимость физических свойств конденсата от ¡температуры. Для расчета .температуры газов ПСУ в сква*инном термосифон-нок тзплсобмеЕнике использована методика, которая применяется дга расчета температуры воздуха при вентиляции горных выработок. Согласно этой методики теплообмен вентиляционгой струя с горным пассивом учитывается в уравнении теплового бвланса с помощью коэффициента. нестационарного теплообмена. Аналитическая зависимость для расчета коэффициента нестационарного теплообмена получен и А.Н.4ирбаао1г.

Из уравнения теплового баланса получена зависимость для расчета гегшературы газов в С TT, учитывавдая_потари тепловой энергии га^ов через стенки гаэоотводячей скважины в горный массив .

tr=t?-e2«+ f-O-e^l >)

Cr' с£

8л5сь i-r - температуре газа в СТТ, °С; температура гавов

па вхоге ъ СИ, °С; - температура нвсыщення теплоносителя в тйсиэслфзяах, t„- естественная текпература горного массива ггс бесконечно« удаленна от скваяияк, °С; &г, - массовый рао-г.о; ъ кг /с я кгоборная теплоемкость гавов, Дя/(кг-К);<0- диаметр r-KssrüSi, cL к п - дкакетр термосифонов в и я их количество в т;пе; к? - коэффициент тешгояэредачи "через стенку теротев-? псдзеазой часто СТТ, Ът/^-lС); — коэффициент веста-

Ir * (3)

товарного теплообмена между гааами в горны* массивом в СТТ, 3t/(*2.s); ? - текуча* координата, ж.

Для расчета температуры насыценяя теплоносителя в гермосифс-не ig в выражении (2) иожно рекомендовать зависимость

J 11Ч/l. К

.-,

VK-VK-* + 4

где а - средние температуры газов и нагреваемой зоды, Jeff и Кг " коэффициенты теплопередачи в подземной и наземной . частях СТТ, ВтДм2»!).

Из выражения (Н) была получена формула, позволяющая опрадв-хятъ длину подземной часта скважинного тешгообиэнвика лрз задан-зой температуре выходящих аз теплообменника газов tr

* _ У / hr-it*- Б

Слое. — -гг-' О*-т-- • W

* к к-С-'В

В качестве факторов, ограничивающих длину подземной части ITT, выбраны температура точки росы газов ПСУ, допустимое газовое опротавдениз теплообменника а критическая плотность теплового :отока в термосифонах.

Длину наземной части СТТ ¿«aj рекомендуется определять по орауяе

¿^s - е^л!^/«; (

с. ■>

На основе результатов экспериментальных и теоретических ~лс— ледованяй разработана методика расчета скзауияного тэтиосифопгтп-о теплообменника. Особенность нетодяки расчета СТТ пс орпзиеняг: методикой расчета обычных рекуперативных теплообменников заклгз-jescs в необходимости опоэде пения длины чго подземной п наземное JOTeä, таипэратуры яасшэяап теплоносителя в термосифонах,лоташь галозы з гооеый массив. Целью расчета является отттел^ясгти« пол-

земной и_назвиноЯ поверхностей нагрева, обеспечивающих накешгеяь-но возмохнув (или заданну») тепловую мощность СТТ.

Для выполнения расчета необходимы следующие данные:

- марка и элементарный состав сжигаемого угля;

- состав в объемные доли газов ПСУ ;

- температура газов на входе в СТТ , °С;

- диаметр скважины , м;

- допустимо» газовое сопротивление подземной части СТТ

Па;

- температуре нагреваемой воды на входе Т^ в на выходе ив СТТ

Методика включает предварительный и уточненный расчет СТТ. На стадии уточненного расчета значение температуры насыщения ¿5 определяется с учетом коэффициентов теплоотдачи при кипении и кон. денсации в термосифоне.

■Л/

При выборе температуры выходящих аз СТТ газов ïr необходимо учитывать, что она должна быть выше точки росы газов tf .Полученное из (Ч) при + 20-30 °С значение длины подземной части СТТ должно удовлетворять условиям допустимого газового сопротивления теплообменника и предельной теппопередающей способности термосифонов. Предельная тепаопоредающая способность термосифонов определяется критической плотностью теплового потока, для расчета которой можно рекомендовать зависимость, полученную й.ДЛиорой..

Расчеты« выполненные с помощь» разработанной методики на 23К для условий участков ПСУ и различных диаметров термосифонов псжсзалв, что наиболее эффективен вариант СТТ с термосифонами даашзгрсш 32-36 ми.

Основываясь не результатах исследований и разработанной методике расчета, спроектирован к .изготовлен опытно-промышленный образец сКЕ&аиаяогс тзряосафонногс ?епяообмачника, обкгй вид ко-

и

торого аредотввив на рас.7.

Тйвпообмвнвик спроектировав для_учаотка ПСУ вахты "Кяреев-ская-3" ПО "Туяауголь" (диаметр скважины 500 uu, расход газов 2,5 нм3/о, температура газов 200 °С) и предяазиачен для нагрева вода.

К особенностям конструкции СИ можно отвести способ крепления термосифонов в трубной доске с помощьв втулок о резьбой, что позволяет легко производить замену вышедших из строя тораосифо-!0ь, а также отсутствие газового кожуха. Газовым.кожухом для СТТ является газоотводящая скважина.

Поверхность подземной части СТТ составляет 22,1 м2; а на-? юмяой - 4,4 м^; конструкция теплообменника зацищева а.с. ! I56I632.

За рио.8 представлены результаты испытаний опытяо-лроши-енного образца СТТ на участка ПСУ ааххы "Кяраевская-3" в виде ависимостей тепловой мовдостя (а) я газового сопротивления (б) ецдообмеш. т от температуры газов. Испытания подтвердили аа-ежносзь'и тепловую эффективность СТТ, а также удовдетворитэль-оа совпадение расчетных характеристик о ах опытными значениями расхождение не превыщаег 15 %). Теялообмеааик проработал без от-ззов в течение 1989-1990 гг. и обеспечивал нагрев более 5 м3/ч эдо до температуры 70 °С. Обцая продолжительность работы состава более 6000 часов.

Применение СТТ позволяет также повысить эффективность тех-шогш ПСУ за счет псклочеаия потерь теплоты газоз з кззеиных доходах и снижения потерь теплоты в газоотзодядей сквагянз на irpBB горного массива. Разработана «етодика оцеякл пошиаяия фентивностз использования теплоты газоз ПСУ за счет СТТ.Расчп-по этой методике, а такке резул^аш, полученные пря аппнта-ях СТТ и наземного водотрубного теплообменника, показали. ч*а

Рис.?. Ошгно-прошштвныа образец снвахивкого гермосифоаного геалообившшка:

I - тараоаисравв; 2 - хрубаая доска; 3 - водяной колух; ц. - перегородки; 5 - .крыша; 6 - гапшюсихевь (вода); ? - втупва с резьбоа; а - клапан воздушшй

*

и

ISO

т

/5О 120 W

юо

SO 50

ТО

SO

за 40

15D т 2СХЗ 225 2SO 3) .

1SO по

160 t*o 140 iSO

-tso f73 200 323 22Q <0

ftic.8. Зависимость тепловой мощности (а) и газового сопротивления (б) скважишгого тер-цос::$опзого теплообменника оз тешперэтуры газов:

I - расчетные значения;2 - опытные значения

&Р,/7а

«Л

.....

* st.'c

повышение эффективности использовании теплоты газов составляет более ь

Сопоставление таких параметров теплообменников, как наработка на отказ, масса, газовое сопротивление, ремонтопригодность, стоимость изготовления, показало преимущество СТТ перед наземными кожухотрубными теплообменниками традиционной конструкции.

На основе данных, полученных при исследовании термосифонов больной длины, создании и испытании опытного образца СТТ, разработаны рекомендация со его проектирование.

Расчетный экономический эффект от использования СТТ на участке ЕСУ шахты "Киреевская-З" ПО "Тулаугодь" составляет 17,8 тыс. руб. в год (в ценах 1990 г.).

ЗШШШЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной для угошьней сромиплокности аадачи разработки параметров и конструкции скважвнного гермосифаиного теплообменника, повывающего эффективность утвяиаацаи теплоты газов при ПСЗГ.

Основные результаты, подожевия и вывода, полученные в работе.

I. Обоснована целесообразность применения для утилизации теплоты гааов ПСУ теплообменников на основе двухфазных гравитационных термосифонов, что обусловлено их высокой степенью надежности., в также возможностью размещения непосредственно в газо-отводявоЕ скважина.

2«" Тврмссаюэю большой длины ( « 100-250) сохраняют ceoü работоспособность при тепловых нагрузках, характерных для условий технологии ПСУ i f - 1,0-12,0 кБт/м2}, а их тепловая ¡логшосп. достигаем 6,0 kbs.

3. Разработанная физическая модель гидродинамической обстановки в полости термосифонов больаой длины позволяет учитывать пульсацяонный характер кипения теплоносителя, а также характер движения конденсата * зоно испзрения в заде капель. В зависимости от тепловой нагрузки существует два ретина кипения теплоносителя и зоне испарения термосифонов: беспупьсацлонный прд ^ = = 1,0-3,0 кВт/м2 и пульсациояяый при = 3,0-12,0 кВ-уи2. Степень заполнения зоны испарения, при которой исключаются забросы теплоносителя в зону конденсации, составляет 20-30 ¡¡С.

4. Интенсивность теплообмена при кипении в стесненных условиях термосифонов в 1,5-2,7 раза выше, чем при кипении в большом объеме, а интенсивность теплообмена при конденсации нг -е расчетных по формула Нуссепьта на 10-15 %.

5. Разработанная математическая модель тепловг о взаимодействия потока газов ПСУ в сква^иннои термосифонном теплообменнике позволяет установить зависимость длины' его подземной части от температуры газов с учетом потерь теплоты в горный массив.

6. Рациональный диаметр термосифонов, при котором обеспечивается наибокьиая тепловая мощность скважинного термосифонаого теплообменника, состазляет 32-38 мм, а рациональная температура зоды на входе в теплообменник, при которой скорость зоррозяи :тенки термосифонов не прзвыпает 0,2 т/год пря с^игаыЕк сернис-их углей, не ниже 55 °С.

7. Разработанная методика расчета зспользозаза при создания шатно-проиыдлеяного образца сква^янного териосяфонного теззо->баэвнака. Проведенные испытания .гытно-проаышденного обоззцз !ТТ на участке подземного сжигания угля аахты "Елреовская-З" ПО '^улаугояь" подтвердили его надз^аость з теяловуз эффективность, 'эплообменник проработал без откаэоз з течение более 5С0С часов -¡беспечизал нагрев зоды до 70 °С яра расходе оком 5 ч3/ч. Устз-

позлено удовлетворительное совпадение подученных по разработанной ааюаико расчетных характеристик теплообменника с экспери-м^Етаиьшлш ^расхождение не более 15 %). Годовой экономический з£фекг от внедрение теплообменника превышает 17,0 тыс.руб.

Основные по когте пня диссертации опубликованы в следущих расистах :

1. йнгков C.B., Дцмо Б.В., Епифанов I.A..Кузнецов Б.Р. Ути-двзациокнь'й котел с поверхностью нагрева, выполненной из двухфазных гравитационных термосифонов. - Сб.научных трудов НКИ. Николаев, 1936.

2. îhîîkoï C.B., Дыио Б.Е., 2пи$анов A.A. и др. Геплообмея-нивя-утивиготоры теплоты дымовых газов с термосифонной поверхностью нагрева. - Тез.докл.Всесоюзной науч.-техн.конф. "Современнее состояние, проблемы и перспективы энергетики и технологии в зиерросгроении". - Иваново, 1989.

3. Селиванов P.a., Еерман Д.В., йванюк B.C., Дымо Б.В.,Епв-фаиов A.A. Теплообменники на тепловых трубах. В каталоге науч. тех.разрабогс::. - Вып.й 12. МП, 1991.

4. A.c. I56I632 (СССР). Теплообменник /Б.В.Днмо, В.Г.Куане-цсь, А.А.Лпифаиов, Г.&.Селивавов, Д.В.Бермав. В.С.Иванюк.

!",? 4612854; заявлено 23.09.68.

5. A.c. 1636095 (СССР). Способ крепления тепловых труб в трубке? доске теплообменника /В.А.Новошицкий, В.Г.Кузнецов, Б.В. ¿¿•ко, А.А.Кпифавов. - Опубк. в Б.Е., 1991, 16 II.

£. A.c. I64222I (СССР). Тепловая труба/В.А.Новошицкий, В.Г. Кузнецов, Б.Б.Дыко, А.А.дпафаяов. - Опубл. в Б.Я., 1991, * 14.

7. Положительное решение по заявке & 4803032 "Способ крепления тепловых тдуС в трубной доске", авт. ЕозоиицкиЙ В.А., Дымо Б.'й., Кузнецов Б.Г., ¿¿пифавов A.A. os 28.0S.I991 г.