В.В. Назаревич Калориферная установка

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра стационарных и транспортных машин

КАЛОРИФЕРНАЯ УСТАНОВКА

Методические указания к курсовой работе "Выбор и расчет оборудования калориферной установки главного вентилятора шахты"

по курсу "Теплоснабжение и тепловое хозяйство шахт" для студентов специальности 170100 – "Горные машины и оборудование" всех форм обучения

Составитель В.В. Назаревич

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 15.01.01

Рекомендованы к печати учебнометодической комиссией специальности 170100 Протокол № 3 от 5.03.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

Введение

На современных угольных шахтах в систему вентиляции следует подавать в среднем на 1 т добычи 5 т воздуха, который необходимо непрерывно подогревать в калориферных установках (КУ) на протяжении всего отопительного периода. При росте цен на топливо вопросы снижения расхода тепла на подогрев воздуха на шахтах в районах Сибири и Крайнего Севера приобретают самое актуальное значение.

В угольной промышленности удельный расход тепла на подогрев воздуха для проветривания достигает более 173,0 ГДж или 41,3 Гкал на тысячу тонн добычи подземным способом. Общий расход первичного топлива на подогрев воздуха только по Кузбассу составляет порядка 0,5 млн т у.т.

Затраты на сооружение КУ достигают 30 % от стоимости строительных работ главных вентиляторных установок [1].

На КУ приходится также значительная доля эксплуатационных расходов. Амортизационные отчисления, расходы на обслуживание и ремонт КУ часто превышают аналогичные расходы по другим стационарным установкам. С ростом общих удельных затрат на добычу угля удельные затраты на подогрев воздуха в КУ будут также расти.

Условия работы КУ на шахтах в указанных географических районах крайне тяжёлые. Как правило, они работают в нестационарных режимах, а эксплуатационные статические и динамические характеристики теплообменных секций КУ зависят не только от изменения расходных режимов и технологических параметров потоков горячего и холодного теплоносителей, но от таких временных факторов, как накопление загрязнений, накипи, появление коррозии и др.

Всё это говорит о том, что проектирование и эксплуатация КУ должны вестись с учётом указанных факторов, с учётом сложности происходящих в них процессов и значительного влияния параметров процесса теплообмена на технико-экономические показатели КУ в целом.

Исходя из этого, становятся актуальными вопросы повышения эффективности и надёжности работы энергоёмких потребителей, какими являются системы подогрева воздуха для проветривания горных выработок на горных предприятиях. Актуальность поставленных вопросов значительно возрастает, если последние рассматривать с учётом экономических, социальных и технико-производственных факторов.

2

Исследования [2] показали, что даже в условиях Урала, где климат несколько мягче районов Сибири и Крайнего Севера, в большинстве случаев причиной утраты трудоспособности горнорабочих являются простудные заболевания. Больше всего простудных заболеваний приходится на шахты и рудники, где недостаточно уделяется внимание созданию комфортных температурных условий на рабочих местах и в выработках передвижения горнорабочих. Как правило, в этих выработках температура окружающей среды в осенний и зимний периоды не выше 5-8 °С, в надшахтных зданиях клетевых стволов температура зачастую равна температуре наружного воздуха. В этих условиях горнорабочие, разогревшись в забое, при возвращении на дневную поверхность переохлаждаются и получают простудные заболевания. Исследования, проведённые на шахтах Караганды, показали, что невыход горнорабочего на работу по болезни обходится государству около 70,6 р. в день. С другой стороны, создание комфортных условий способствует значительному повышению производительности труда. Изложенное показывает, что социальный фактор также является значимым при рассмотрении актуальности создания высокоэффективных и надёжных систем подогрева воздуха для проветривания шахт. Причём с этих позиций температура воздуха в устье ствола +2 °С, обусловливаемая требованиями правилам безопасности, является крайне недостаточной [3].

Из-за особенно низкой надёжности типовых калориферных установок (рис. 1.1), работающих с горячим теплоносителем "перегретая вода" в условиях низких отрицательных температур окружающей среды, даже незначительные, возникающие по самым различным причинам нарушения режимов подачи (рис. 1.2) и параметров горячего и холодного теплоносителей вызывают замораживание с частичными и полными механическими разрушениями целостности отдельных теплообменных трубок в калориферных секциях.

Особенно опасны для существующих калориферных установок экстремальные аварийные ситуации, когда полностью прекращается циркуляция горячего теплоносителя в системе (отключение электроэнергии, аварии в сетях теплоснабжения, пароснабжения и др.). В этих условиях КУ аварийно полностью выходит из строя из-за замораживания системы с механическими разрушениями элементов. Замораживание происходит даже при наличии устройств аварийного слива воды из системы и других способов защиты.

3

Рис.1.1. Типовая компоновка калориферной установки: 1 – ограждающая стена; 2 – воздухозаборные окна; 3 – калориферные стенки; 4 – разделяющая перегородка; 5 – окно для прохода теплого воздуха; 6 – торцовый проем

для поступления холодного воздуха на подмешивание с теплым; 7 – воздухозаборный канал в шахту; 8 – ограждение

4

Рис.1.2. Осциллограммы суточного изменения температуры и давления в теплосети калориферной установки:

tz{ ; P▲ ∆ − температуры и давления, соответственно, в прямом и обратном трубопроводах

Объясняется это быстротечностью процесса кристаллизации воды в теплообменных трубках калориферных секций в условиях низких отрицательных температур наружного воздуха. Устранение аварий на КУ приводит к неоправданным значительным затратам. Нередки случаи в условиях Крайнего Севера (Норильские рудники), когда из-за неэффективности работы КУ происходит обледенение вспомогательных воздухоподающих стволов и выход их из строя на длительный период.

5

Несмотря на это, до сих пор при проектировании воздухоподогревающих систем не проводят никакого технико-экономического обоснования и анализа зависимости показателей эффективности и надёжности их работы от таких основных факторов, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность, от термодинамических и расходных характеристик. Конструктивные разработки теплообменных аппаратов ведутся без учёта условий их эксплуатации в районах Сибири, Крайнего Севера, где температура атмосферного воздуха достигает 50-60 °С ниже нуля, а теплосети, питающие КУ, работают при значительных колебаниях расходных температурных режимов.

Выпускаемые промышленностью многоходовые водные калориферы типа КВБ, КВБ-П, КСк и др. обеспечивают хорошие техникоэкономические показатели и надёжность работы только строго стационарных режимов подачи теплоносителей.

Кроме того, в проекты систем подогрева воздуха для условий Сибири и Крайнего Севера необоснованно закладываются крупногабаритные калориферные секции. В указанных районах при значительных и резких перепадах температур между горячим и холодным теплоносителями (воздух -60 °С, вода +110 °С) длинные теплообменные трубки (1700 мм) не выдерживают по механической прочности температурные деформации. Теплообменную трубку в этих условиях можно рассматривать как балку, жестко зажатую двумя опорами (жёсткие трубные доски), не имеющую температурного компенсатора. При наличии большого количества практически неидентичных по длине и толщине трубок указанные температурные перепады обусловливают различные по величине и знаку линейные температурные расширения, которые в конечном итоге приводят или к невосстанавливаемым деформациям или к механическому разрушению отдельных теплообменных трубок в калориферных секциях.

Ещё более сложными являются вопросы эксплуатации и ремонта, как отдельных калориферных секций, так и всей системы в целом. В настоящее время этими вопросами на каждом предприятии занимаются самостоятельно. Естественно, что в этих условиях надёжность и эффективность работы, даже типовых КУ, в одних и тех же климатических условиях не одинаковы и зависят прежде всего от опыта и квалификации работников, эксплуатирующих установки.

До настоящего времени вообще нигде не производится техникоэкономической оптимизации работы в целом всей воздухоподогревающей системы. Имеются случаи, когда для повышения надёжности ("не-

6

замерзания") в систему встраивают различные малоэффективные, но дорогостоящие защиты на случай возникновения аварийных ситуаций в теплоснабжении. Например, устанавливают ёмкость с водой и мощным электроподогревом. В аварийной ситуации калориферные стенки замыкаются на эту ёмкость с прекращением подачи на них холодного воздуха. Однако такие системы из-за длительности процесса переключений и разогрева практически не предупреждают замораживания. Несмотря на это, попытки создания подобных систем продолжаются. В целом всякого рода защитные системы от замораживания, усложняя конструкцию, ещё в большей степени снижают надёжность установки.

1.АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН НАДЁЖНОСТИ

ИЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТИПОВЫХ КАЛОРИФЕРНЫХ УСТАНОВОК

1.1.По калориферным установкам

Опыт эксплуатации показывает, что калориферные установки, выполненные по типовым проектам, крайне ненадёжны и малоэффективны. На протяжении всего периода эксплуатации КУ работают неудовлетворительно и не поддерживают расчётные температуры воздуха, подаваемого в шахту.

Основные причины неудовлетворительной работы КУ:

1.Использование одноходовых калориферов для работы на перегретой воде.

Непригодность одноходовых калориферов для работы на перегретой воде объясняется тем, что поток теплоносителя в коллекторе калорифера разделяется на параллельные струи по теплообменным трубкам. Разделение потока на такое количество параллельных струек приводит к неравномерным скоростям движения теплоносителя внутри трубок.

2.Компоновка калорифера в 2 ряда по ходу воздуха.

Результаты лабораторных и промышленных исследований, проведённых в Кузбасском государственном техническом университете, показывают, что при двухрядной компоновке за счёт ухудшения теплосъёма эффективность работы КУ снижается на 40 % по сравнению с однорядной.

3. Размещение КУ внутри здания.

Результаты исследования поля скоростей потоков воздуха, проходящих через калориферы, показывают, что здание, окружающее кало-

7

риферную установку, является причиной образования зон локальных перегрузок на калориферах.

На рис. 1.3 представлены эпюры скоростей воздушных потоков, проходящих через три воздухозаборных проёма на 2-рядную калориферную стенку, набранную из 17 стояков, каждый из которых состоит из 3-х последовательно включенных калориферных секций типа КФБ-10. В стене здания КУ два боковых проёма оборудованы поворотными клапанами (сечение проёмов 5040×2350 мм), 3-й центральный проём 5320×1000 мм перекрыт сеткой "Рабица" и брезентовой шторой. Через боковые проёмы поток, направляемый клапанами, устремляется вверх, а через центральный проём под собственным весом опускается вниз.

Из эпюр видно, что направление движения воздуха после заборных проёмов создаёт пиковые нагрузки на отдельных калориферах. Так, калориферы № 8, 9, 10 в 3-м ряду, расположенные напротив центрального проёма, оказываются значительно перегруженными при заметной недогрузке остальных калориферов этого ряда. Боковые проёмы, направляющие воздух вверх, наоборот перегружают крайние калориферы № 2, 3, 15, 16, 17 верхних 1 и 2 рядов.

Показателен рис. 1.4, на котором представлены эпюры воздушных потоков в условиях, когда центральный заборный проём перекрыт брезентом по диагонали с верхнего левого угла на правый нижний. Как видно, незначительное на первый взгляд изменение форм сечения заборного проёма привело к полному перераспределению траекторий потока и вместе с этим нагрузок на калориферы. Перегрузки сместились, но не исчезли.

Наиболее опасные ситуации возникают, когда какой-либо стояк выходит из строя (перемерзает, выключается из системы). В этих условиях наблюдаются совершенно случайные распределения пиковых нагрузок на отдельные калориферы.

Наблюдаемые локальные перегрузки калориферов в стенке особенно опасны для КУ с теплоносителем "перегретая вода". Любое, даже незначительное нарушение в подаче теплоносителя в условиях дефицита тепла приводит к авариям – замораживанию теплообменных трубок.

8

Рис.1.3. Эпюры скоростей воздушных потоков через калориферную стенку