Установка охолодження рудникового повітря й опріснення шахтних вод

Установка охолодження рудникового повітря й опріснення шахтних вод, що містить системи тепло- і холодоносія і випарно-конденсаторний агрегат, виконаний у вигляді з'єднаних апаратів, кожний з яких містить теплообмінник і газову камеру, зв'язані між собою і підключені до систем тепло- і холодоносія, яка відрізняється тим, що апарати випарно-конденсаторного агрегата утворюють верхній і нижній ступені, теплообмінники яких з'єднані між собою і утворюють замкнутий контур циркуляції холодоносія, і включені паралельно холодоносію і теплоносію через багатоходові вентилі, а газові камери через багатоходові вентилі включені паралельно теплоносію, причому у верхньому ступені застосовують холодоагент із температурою критичної точки в діапазоні 25-50°С, наприклад вуглекислоту, у нижньому ступені використовують холодоагент з більш низькою температурою критичної точки, наприклад R508 А(В), а випарноконденсаторний агрегат розміщують на глибині, яка забезпечує тиск гідростатичного стовпа теплоносія вище критичного тиску холодоагенту, застосовуваного у верхньому ступені. Корисна модель відноситься до гірничої промисловості і може бути використана на шахтах і рудниках, де необхідно штучне охолодження вентиляційного повітря і демінералізація шахтних вод. Корисна модель може також застосовуватися при комплексному виробництві холоду й одержанні опрісненої води в інших областях промисловості. Відомі комбіновані шахтні установки, спрямовані на охолодження рудничного повітря й опріснення шахтних вод [Патент США №4750333 МКИ і F25D 17/02, 1988. Сполучена шахтна установка охолодження і кондиціонування води]. Установка включає розташовані на денній поверхні льодогенератор з конденсатором і компресором, льодопромивальний резервуар, льодоплавитель і розташовані під землею теплообмінник і резервуар з форсунками для розпилення холодної води, а також гідротурбіну. Знесолення води в установці застосовується для забезпечення нормальної роботи гідротурбіни. Установка має високі енерговитрати і її конструкція не дозволяє забезпечувати опріснення значних обсягів шахтної води. Найбільш близьким до пропонованого технічного рішення є "Спосіб одержання холоду" [Корисна модель, Україна, Кл. F25B 1/06 "Спосіб одер жання холоду", заявка №20040907918, пріоритет 29.09.04]. Реалізуючий даний спосіб холодильна машина містить системи тепло- і холодоносія і випарноконденсаторний агрегат, виконаний у виді з'єднаних апаратів, кожний з яких містить теплообмінник і газову камеру, зв'язані між собою і підключені до систем тепло і холодоносія. Недоліками даного технічного рішення є високі енерговитрати при одержанні низьких (нижче 0°С) температур і, у зв'язку з цим, низька економічність установки при одержанні льоду. Корисна модель, що заявляється, спрямована на комплексне рішення задачі підвищення ефективності охолодження повітря в гірничих виробках і демінералізації шахтних вод і зниження енерговитрат. Це досягається за рахунок сполучення в одній установці процесу демінералізації шахтної води виморожуванням з використанням отриманого водного льоду для кондиціонування повітря. Застосування водного льоду в якості холодоносія в гірничих виробках дозволить значно скоротити довжину капітало- і енергоємних мереж циркуляції холодної води, знизити витрату холодоносія в 5-6 разів, підвищити холодопродуктивність повітроохолоджувачів у 1,5-2 рази й одержати прісну воду СО г* CM О) 10273 для технологічних нестатків. Розрахунки показали, що виробництво льоду при демінералізації частини шахтної води задовольняє потребу в холоді системи кондиціонування повітря в шахті. Це дозволяє об'єднати спеціальне холодильне устаткування для кондиціонування повітря й опріснення вод в одну технологічну систему. Крім того корисна модель спрямована на збільшення ефективності роботи шахтних холодильних машин за рахунок підвищення їхньої економічності і забезпечення екологічної безпеки за рахунок використання екологічно безпечних природних холодильних агентів, наприклад, вуглекислоти. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в установці охолодження рудникового повітря й опріснення шахтних вод, що містить системи тепло-холодоносія і випарно-конденсаторний агрегат, виконаний у виді з'єднаних апаратів, кожний з яких містить теплообмінник і газову камеру, зв'язані між собою і підключені до систем тепло- і холодоносія, відповідно до корисної моделі, апарати випарно-конденсаторного агрегату утворюють верхній і нижній ступені, теплообмінники яких з'єднані між собою і утворюють замкнутий контур циркуляції по холодоносію, і включені паралельно по холодоносію і теплоносію через багатоходові вентилі, а газові камери через багатоходові вентилі включені паралельно по теплоносію, причому у верхньому ступені застосовують холодоагент із температурою критичної крапки в діапазоні 2550°С, наприклад, вуглекислоту, у нижньому ступені використовують холодоагент із більш низькою температурою критичної крапки, наприклад, R508 А(В), а випарно-конденсаторний агрегат розміщують на глибині, яка забезпечує тиск гідростатичного стовпа теплоносія вище критичного тиску холодоагенту, застосовуваного у верхньому ступені. На Фіг.1 приведено принципову схему пропонованої установки, на Фіг.2 і 3 етапи роботи верхнього і нижнього ступенів установки, на Фіг.4 термодинамічні цикли для верхнього і нижнього ступенів установки. Установка для охолодження рудникового повітря й опріснення шахтних вод включає холодильні елементи з теплообмінником 1 і газовою камерою 2, насоси 3, градирню 4, ємність теплоносія 5, ємність для льодоводяної суміші 6, ємність отепленого холодоносія 7, гідротурбіну 8, багатоходові вентилі 9, повітроохолоджувачі 10, вентилі добору технологічної води 11. Дана установка для охолодження рудничного повітря й опріснення шахтних вод має декілька паралельно встановлених груп апаратів скомпонованих попарно. У групі два апарати утворюють верхній і нижній ступені. Установка працює по двоступінчастому холодильному циклу. У верхньому ступені організований холодильний цикл із вуглекислотою, а в нижньому ступені холодильний цикл із холодоагентом R 508 А(В). У верхньому ступені термодинамічний цикл із вуглекислотою має наступні параметри - температура випару Тов=272°К, тиск випару Ров=33,8атм, температура конденсації Ткв=300°С, тиск конденсації Ркв=67,1атм. У нижньому ступені термодинамічний цикл із холодоагентом R 508В має наступні параметри - температура випару ТОН=258°К О (Рон=18,5атм), температура конденсації ТКН=277 К (Ркн=33,0атм). Робота установки полягає в наступному. Частину вихідної шахтної води із системи водовідливу після очищення від механічних і колоїдних домішок подають у резервуар градирні 4. Далі основна частина солоного розчину надходить на верхній ступінь як теплоносій для відводу тепла конденсації. Частина солоного розчину йде на гідротурбіну 8, де високий тиск стовпа рідини скидається до атмосферного і ця частина розчину змішується з прісною водою (холодоносієм) у ємності 7. Частина теплоносія високого тиску надходить на стиск холодоагенту в газові камери 2 через многоходовые вентилі 9. Тиск теплоносія, що подається на стиск, складає 70-80атм. Після скидання тиску в камерах 2, теплоносій витісняється в ємність 5, що розміщається на висоті, яка забезпечує тиск стовпа води рівним тискові випару верхнього ступеня 33,8атм. Після скидання тиску в нижньому ступені теплоносій надходить також у ємність 5, при цьому його тиск підвищується з 33,0атм. до 33,8атм. насосом 3. Льодоводяна суміш з теплообмінника 1 нижнього ступеня зливається в ємність 6, відкіля холодна вода (холодоносій) надходить на повітроохолоджувачі 10. Тепла прісна вода зливається в ємність 7, відкіля насосом 3 подається на теплообмінник 1 верхнього ступеня. Холодна вода подається в теплообмінник 1 нижньої ступіні, де частина води заморожується, після чого льодоводяна суміш зливається в ємність 6. Усі термодинамічні процеси здійснюються в апаратах верхнього і нижнього ступенів. Етапи роботи установки приведені на фігурах 2 і 3. Верхній і нижній ступень установки працюють у протифазі. Етапи роботи 1-5 верхнього і нижнього ступенів установки збігаються у часі. На першому етапі у верхньому ступені відбувається процес випару вуглекислоти, а в нижньому ступені процес стиску і конденсації холодоагенту R 508В. Холодоносій циркулює по замкнутому контурі між ступенями, відводячи тепло конденсації з нижнього ступеня і передаючи його верхньому. Верхній ступінь через вентиль 9 Е в включений на низький тиск Ров, а нижній ступінь через вентиль 9 Ен на високий тиск Ркн- Вентилі NB, NH, М в , Мн - відкрито, інші закриті. На другому етапі відбувається регенеративний теплообмін у верхньому і нижньому ступенях. У верхньому ступені через відкриті вентилі Вв, DB відбувається витиснення отепленим холодоносієм, що забирається з ємності 7, порції холодоносія з температурою 1-2°С з теплообмінника верхнього ступеня в ємність 6. Теплообмінник нагрівається до температури 20-22°С, а холодна вода з температурою 1 -2°С надходить у ємність 6, де тане лід. У нижньому ступені в цей час через вентилі Вн, DH відбувається витиснення холодним холодоносієм порції теплого холодоносія з температурою 2-3°С з теплообмінника нижнього ступеня в ємність 6. 10273 Теплообмінник прохолоджується до температури 0°С. На третьому етапі у верхньому ступені відбувається стиск і конденсація вуглекислоти, відвід тепла конденсації проводиться солоною водою. Вентиль Ев включений на високий тиск Ркв, вентилі А в Св відкриті. У цей же час на третьому етапі в нижньому ступені відбувається випар холодоагенту R 508В і вентиль Ен включений на низький тиск Рон- Порція холодоносія прохолоджується і частково заморожується після чого зливається в ємність 6 за рахунок подачі в систему нової порції холодоносія. Вентилі N B N H MB М Н - відкриті. На п'ятому етапі процеси у верхньому і нижньому ступенях повторюються, як показано на фігурах 2 і 3. Оцінимо енергетичні параметри холодильної машини. Приймаємо у верхньому ступені як холодоагент вуглекислоту і наступний режим роботи ступеня: тиск випару РОв=3,38МПа; температура випару Тов=272°К; тиск конденсації Ркв=6,71МПа; температура конденсації Ткв=300°К. У нижньому ступені як холодоагент приймаємо хладагент R 508В і наступний режим роботи ступіні: тиск випару Рон=18,5МПа; температура випару Тон=258°К; тиск конденсації Ркн=33,0атм; температура конденсації ТКН=277°К. Приймаємо конструктивні параметри холодильного елемента нижнього і верхнього ступенів: діаметрі газової камери сІ0=370мм, зовнішній і внутрішній діаметр теплообмінника сІ1=400мм і сІ2=300мм; товщина ізоляції 40мм; довжина газової камери і теплообмінника верхнього ступеня І=3,5м, нижнього ступеня І=4,5м. Кількість титанових трубок діаметром 16мм з товщиною стінки 2мм 100шт. Кількість вуглекислоти у верхньому ступені G=50Kr, кількість хладагенту (R 508В) у нижньому ступені G=86,4Kr. Термодинамічні параметри вуглекислоти в різних точках термодинамічного циклу (Фіг.4) представлені в таблиці. Точка діаграми Тиск, МПа Температура, °К Питомий обсяг, дм^/кг Ентальпія, кДж/кг Ентропія, кДж/кг°К 3,38 10,64 1 272 734,7 3,97 2 4,00 10,64 3,98 285 738,0 3 6,71 717,1 305 4,65 3,83 4 6,71 300 3,68 689,0 3,74 6,71 5 1,47 585,4 300 3,39 6,71 6 287 539,0 3,24 1,20 7 3,38 272 2,57 3,24 536,5 3,38 272 5,27 604,3 8 3,50 Питома робота зворотного термодинамічного верхнього циклу Іс=21,7кДж/кг; питома холодопродуктивність qo=13O,4кДж/кг. Кількість тепла, яке відведене у випарнику від нижнього ступеня один цикл 0.о=6520кДж, а віддане в конденсаторі конденсаторній воді г1 Ок=7605кДж. Термодинамічні параметри холодоагенту R508B у різних точках термодинамічного циклу (Фіг.4) представлені в таблиці. Точка діаграми Тиск, МПа Температура, °К Питомий обсяг, дм^/кг Ентальпія, кДж/кг Ентропія, кДж/кг°К 1 1,85 276,0 258 8,00 1,30 2 2,10 287,0 273 8,00 1,34 3 3,30 4,50 280,0 281 1,28 4 3,30 4,00 277 273,0 1,26 3,30 5 277 1,60 210,0 1,03 6 3,30 273 1,50 200,0 1,00 7 1,85 2,97 198,0 258 1,00 8 1,85 210,0 258 3,70 1,05 Питома робота зворотного термодинамічного нижнього циклу Іс=9,5кДж/кг; питома холодопродуктивність до=66,ОкДж/кг. Кількість тепла, відведена у випарнику від холодоносія за один цикл Оо=5702кДж, а віддане в конденсаторі верхнього ступеня (Зк=6520кДж. Визначимо час одного циклу роботи машини по верхньому ступеню. Час випару вуглекислоти й охолодження води при її циркуляції між верхнім і нижнім ступенями і коефіцієнті теплопередачі від вуглекислоти до води рівному Ко=8ОО-1ОООВт/м °С, складе Дії =• FT-Ко 6520000 AQr р1 -tf 15 900 f2 I = 107c Час регенеративного теплообміну при заповненні теплообмінника верхнього ступеня теплим холодоносієм приймемо не більш 2=20сек. Час стиску і конденсації холодоагенту при коефіцієнті теплопередачі від вуглекислоти до теплоносія рівному Кт=800-1000Вт/м2оС, складе 11 етапу 12 10273 Операції Послідовність шшершій Винар вуглекислоти. Охшшджеиия вода і її циркуляція між верхнім нижнім ступенями Положення засувок закрито КиМ. відкрито Е« - включено на низький Регенеративний т. Мл утєшіенжям холодоносієм порції холодоносія з температурою 1-2°С з теплообмінника верхнього ступеня в ємність 6, Стиск і конденсація Відвід конденсаторною солоною водою відкритоь Еш — включено на низький тиск Prt*. відкрито закрито Е е - включено на високий ТИСК Р к * . теплообмін за рахунок закрито циркуляції води по N a , M. замкнутому контурі. відкрито, Е« - включено тиск Рш. Мв Випар вуглекислоти. Охолодження водн і її циркуляція між верхнім і нижнім ступенями. Фіг. 2 закрито NB, M s відкрито Е в ~ вкяіочено иа низышй тиск РЙВ, 13 «гиду 14 10273 ПислИовтсть операцій Операції Стиск і конденсація холодоагенту R5DSB. Відвід тепла водою і її циркуляцією між верхнім Изложения заеуіиж відкрито Вш Ьп- закрито Е и - включено на ансокнй ТИСК Рки Регенеративний теплообмін. Витиснення ХОЛОДНІШ ХОЛОДОНОСІЄМ порції холодоносія з 2-3 °С з &К, DH вїдкритос. Е и - включено на внешни ТИСК Р Ж І ( . нижнього ступеня в гмиість 6, Випар холодоагенту R50SB. Охолодженім заморожування порції води теплообмін за рахунок циркуляції води по замкнутому контурі. закрито Б м *~ включено на низький В н . D« - закрито NH< M« відкрит КЗ НИЗЬКИЙ ТИСК РЙМ Сімск і конденсація холодоагенту R508B. відкрито Відвід теояа водою і її Вт Пш - закрито днркуляцкю між верхнім Е к - шатючено і нижнім ступенями ТИСК Фіг. З 15 10273 16 Р 1 в Фіг. Комп'ютерна верстка Д. Дорошенко S, кДж/юг-К Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ-42, 01601