Чиллер для охлаждения воздуха в шахте: расчёт

Чиллер для охлаждения воздуха в шахте рассчитывают по воздуху, который проходит через воздухоохладитель: на глубине воздух нагревают порода, техника и самосжатие, и при влажности 80–100 % большая часть холода уходит не на охлаждение, а на конденсацию влаги. Калькулятор считает холодопроизводительность по расходу воздуха, температуре и влажности на входе, температуре на выходе и показывает расход воды.

Расчёт чиллера для охлаждения воздуха в шахте

Воздух через охладитель, м³/с

Воздух на входе, °C Влажность на входе, %

Воздух на выходе, °C Температура воды, °C

Запас 10 % 15 % 20 % Выносной конденсатор

Требуемый чиллер

385,5

кВт

Охлаждение воздуха, кВт

96,6

Конденсация влаги, кВт

238,7

Расход воды, м³/ч

66,3

Температура воды, °C

7

Подобрать чиллер на 385,5 кВт

Подбор модели откроется на сайте производителя xiron.ru

Оборудование не укладывается в калькулятор? Опишите задачу словами — ассистент посчитает нагрузку и подберёт чиллер

Что охлаждаете, сколько и при какой температуре Посчитать и подобрать

Откуда берётся тепло

• Порода. С каждой сотней метров глубины порода теплее на 2–3 °C, и на горизонтах 800–1500 м стенки выработок отдают воздуху десятки ватт с квадратного метра.
• Самосжатие воздуха. Воздух, опускаясь по стволу, сжимается и нагревается примерно на 1 °C на каждые 100 м, ещё до встречи с породой.
• Техника и люди. Комбайны, конвейеры, вентиляторы местного проветривания и погрузочные машины превращают почти всю свою мощность в тепло выработки — порядок расчёта в расчёте тепловыделения электродвигателей.
• Влага. Вода из пород и орошение пыли насыщают воздух; при охлаждении эта влага конденсируется и отдаёт теплоту конденсации.

Калькулятор не суммирует источники, а считает по воздуху: что пришло в охладитель и каким должно выйти. Так проще, потому что температуру и влажность воздуха на горизонте измеряют, а теплоотдачу породы — нет.

Формула

x = 0,622 × φ × p_s(t) / (P − φ × p_s(t))

Q_с = G × 1,006 × (t₁ − t₂)

Q_к = G × [(x₁ − x₂) × 2501 + 1,86 × (x₁ × t₁ − x₂ × t₂)]

Q = (Q_с + Q_к) × (1 + k)

• x — влагосодержание, кг на кг сухого воздуха; φ — относительная влажность, доля; p_s(t) — давление насыщенного пара, кПа, по формуле Магнуса; P — давление воздуха, принято 101,3 кПа. На выходе x₂ не больше насыщения при t₂.
• G — расход воздуха, кг/с: объём, м³/с, × 1,2 кг/м³; t₁, t₂ — воздух на входе и на выходе, °C.
• Q_с — охлаждение воздуха, кВт; Q_к — конденсация влаги, кВт; 2501 — теплота парообразования при 0 °C, кДж/кг; k — запас, доля.

На глубине давление воздуха выше атмосферного, и влагосодержание при той же влажности чуть меньше; для горизонтов глубже 1000 м расчёт уточняют по фактическому давлению. Воздухоохладители на поверхности, которые охлаждают воздух перед подачей в ствол, считают так же, как охладитель приточной установки.

Пример расчёта

Воздухоохладитель на 10 м³/с, воздух на входе 30 °C и 90 %, на выходе 22 °C, вода 7 °C, запас 15 %.

1. Влагосодержание на входе: p_s(30) = 4,24 кПа, x₁ = 0,622 × 0,9 × 4,24 / (101,3 − 3,82) = 0,0243 кг/кг.
2. На выходе насыщение при 22 °C: x₂ = 0,0166 кг/кг.
3. Расход воздуха: G = 10 × 1,2 = 12 кг/с.
4. Охлаждение воздуха: Q_с = 12 × 1,006 × 8 = 96,58 кВт, округлённо 96,6 кВт.
5. Конденсация влаги: Q_к = 12 × [0,00768 × 2501 + 1,86 × (0,0243 × 30 − 0,0166 × 22)] = 238,7 кВт.
6. С запасом: Q = (96,58 + 238,65) × 1,15 = 385,51 кВт, округлённо 385,5 кВт.
7. Расход воды: V = 385,51 / (1,163 × 5) = 66,3 м³/ч.

Типовые ошибки

• Считать по сухому воздуху. Расчёт по одной разнице температур даёт в этом примере 111 кВт вместо 386; воздухоохладитель с таким чиллером не опустит температуру и на 3 °C.
• Чиллер в выработке без отвода тепла. Конденсатор выбрасывает в шахту холод плюс работу компрессора; чиллер ставят на поверхности или отводят тепло конденсатора водой в исходящую струю, иначе забой нагревается сильнее, чем охлаждается.
• Длинная трасса без изоляции. Вода 7 °C, опускаясь на километр по стволу, нагревается от породы и от трения; трубы изолируют по расчёту теплоизоляции трубопровода, а давление столба воды гасят теплообменником.
• Грязная шахтная вода в испарителе. Она несёт пыль и соли; чиллер работает на замкнутом контуре, а воздухоохладители моют, — требования к воде в справочнике о воде для чиллера.

Большие шахтные установки собирают из нескольких машин с резервом — как в справочнике о модульном чиллере.

Вопросы и ответы

Почему в шахте на охлаждение воздуха уходит столько холода?

В шахте на охлаждение воздуха уходит много холода, потому что при влажности 80–100 % большая часть его тратится не на понижение температуры, а на конденсацию влаги: 10 м³/с воздуха с 30 °C и 90 % влажности до 22 °C требуют около 390 кВт, а при 32 °C и 95 % — почти 580 кВт. Явное охлаждение воздуха даёт лишь малую долю.

Откуда в шахте тепло?

Тепло в шахте идёт от породы, которая с каждой сотней метров глубины теплее на 2–3 °C, от самосжатия воздуха в стволе — около 1 °C на 100 м, и от техники: комбайны, конвейеры и вентиляторы превращают в тепло почти всю мощность. Влага из пород и орошения насыщает воздух и добавляет скрытое тепло.

Как считают чиллер для шахты, если теплоотдача породы неизвестна?

Чиллер для шахты считают по воздуху, а не по источникам тепла: берут расход воздуха, его температуру и влажность на входе в охладитель и нужную температуру на выходе. Эти величины измеряют на горизонте, тогда как теплоотдачу породы измерить нельзя.