Спосіб перетворення природної тяги повітряного потоку

Способ преобразования естественной тяги воздушного потока, включающий воздействие кинетической энергии воздушного потока на ветровое колесо аэроагрегата, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в горных выработках отработанных или закрываемых глубоких шахт, рудников и других подземных сооружений предварительно задают для нижнего горизонта сети горных выработок скорость движения воздушного потока, измеряют скорость естественной тяги и темпе Изобретение относится к области нетрадиционных и возобновляемых источников энергии и может быть использовано при дальнейшей эксплуатации подлежащих закрытию (или отработанных) шахт, рудников и подземных сооружений различного назначения. Известен способ преобразования энергии ветра в другие виды энергии (механическую, тепловую, электрическую, химическую). Атмосферный воздух натекает ратуру вмещающих пород, сравнивают указанные скорости и при значении скорости естественной тяги ниже заданной формируют на данном горизонте зоны подогрева воздушного потока до температуры, превышающей температуру вмещающих пород при условии где Эвп - кинетическая энергия воздушного потока в горных выработках, кГс/м; у *у\ плотность воздушного потока, кГс 2 /см ; V6T - скорость естественной тяги воздушного потока, м/с; v 3 - заданная скорость воздушного потока, м/с; S - ометаемая ветроколесом аэроагрегата поверхность, м ; 17776 ветровой энергии, которая является случайным неуправляемым природным процессом. Главная особенность ветра, как возобновляемого энергетического источника, состоит, прежде всего в его непостоянст- 5 ве, обусловленном большой изменчивостью скорости и направления. Это приводит к изменению кинетической энергии ветрового потока в больших пределах даже в течение относительно малых промежутков времени: 10 от нулевой энергии при штиле и во много раз превышающей расчетную в период буревых и ураганных усилений скорости. Отсюда непостоянство мощности, развиваемой ВЭУ. Это требует дополнительных затрат на изго- 15 товление сложного специального устройства - стабилизатора частоты вращения и тем самым увеличение себестоимости ветроагрегата. Наиболее близким техническим реше- 20 нием является способ преобразования кинетической энергии воздушного потока, включающий ряды ветроустановок, расположенных вдоль автомобильных дорог. В этих установках преобразуют энергию пото- 25 ка воздуха, увлекаемого автомобилями при движении по дороге (акц. заявка ФРГ № 3832997. кл. F 03 D 9/00, заявл. 29.09 88, опубл. 05.04.90 - прототип). В качестве недостатков известного спо- 30 соба следует отметить отсутствие постоянного плотного воздушного потока, действующего на ветроколеса. При этом периодичность движения по дороге автомобилей снижает эффективность и надежность З* работы ветроагрегатов (особенно в ночное время), вследствие чего не обеспечивается заданная частота вращения и как результат - колеблется частота электрического тока и напряжения. Кроме того, такие ветроуста- 0 новки обладают значительной материалоемкостью, поскольку их прочность должна обеспечить пульсирующие удары потока воздуха от проходящих мимо автомобилей. Материалоемкость и общие затраты на изго- 45 товление и эксплуатацию ветроустановок возрастают также и за счет необходимости применения конструктивно сложного стабилизатора частоты вращения и создания групп разъездных механиков, обслуживаю- 50 щих ВЭУ. В основу изобретения поставлена техническая задача усовершенствования способа преобразования естественной тяги воздушного потока. Существенные отличия 55 обеспечивают получение технического результата с учетом уровней кинетической энергии, управляют скоростью воздушного потока путем создания зон нагрева воздушного потока, благодаря чему достигается формирование стабильного экологически чистого источника энергии независимо от внешних факторов. Тем самым обеспечивается использование утилизируемой энергии воздушного потока как источника электрической, механической и других видов энергии, а также продление срока службы отработанных и нерентабельных подземных горных предприятий и их использование в качестве экологически чистых ветроэнергетических предприятий. Поставленная техническая задача решается тем, что в способе преобразования естественной тяги воздушного потока, включающем воздействие кинетической энергии воздушного потока на ветровое колесо аэроагрегата, согласно предлагаемому изобретению в горных выработках отработанных или закрываемых глубоких шахт, рудников и других подземных сооружений предварительно задают для нижнего горизонта сети горных выработок скорость движения воздушного потока, измеряют скорость естественной тяги и температуру вмещающих пород, сравнивают указанные скорости и при значении скорости естественной тяги ниже заданной формируют на данном горизонте зоны прогрева воздушного потока до температуры, превышающей температуру вмещающих пород при условии »вп где Эвп - кинетическая энергия воздушного потока в горных выработках, у , VI - плотности воздушного потока, кГс2/см ; vei ~ скорость естественной тяги воздушного потока, м/с; v 3 - заданная скорость воздушного потока, м/с; S - ометаемая ветроколесом аэроагрегата поверхность, м 2 , (р- коэффициент использования энергии воздушного потока. Естественная тяга воздушного потока в шахтах, рудниках и подземных сооружениях различного назначения возникает из-за разности температур на земной поверхности и в горных выработках. При движении воздуха по горной выработке происходит его нагрев за счет теплоты вмещающих выработку горных пород, в результате чего объем нагретого воздуха увеличивается, а удельный вес единицы объема уменьшается. Как следствие, создается одностороннее постоянное направление движения воздушного потока. Депрессию естественной тяги в горных выработках можно определить по формуле (Па) 17776 где R - сопротивление шахты, Н • С 2 /м 3 ; Q - количество воздуха, поступающего в шахту под действием депрессии естественной тяги, м/с. Существенное влияние на естественную 5 тягу оказывает температура воздуха на поверхности. От нее в значительной степени зависит температура в воздухоподающем стволе и прилегающих выработках. Летом с повышением температуры атмосферного 10 воздуха его плотность уменьшается. Это при меньшей плотности воздуха в исходящих струях, чем в поступающих, вызывает уменьшением депрессии естественной тяги. Так, например, на шахте "Прогресс" глубиной 15 1250 м в теплый период времени (июнь, июль и август) естественная тяга составляет 70-120 Па. В холодное время года (октябрьмарт месяцы) наблюдается обратное явление. Разница температур воздуха по 20 поверхности и в шахте большая, вследствие чего естественная тяга резко возрастает, достигая 1200-1300 Па. Получение технического результата обеспечивают за счет наличия и возможно- 25 сти постоянного контроля тепловой депрессии, которая в шахтах может достигать значительной величины. Так, при подземном пожаре и средней температуре воздуха в очаге пожара 300°С возникает тепловая 30 депрессии, в несколько десятков раз превышающая естественную тягу. Возникновение такой дополнительной депрессии приводит к резкому увеличению кинетической энергии воздушного потока. 35 Выработки поддерживаются для формирования зоны нагрева поступающего воздуха и создания тепловой депрессии, а тем самым - кинетической энергии воздушного потока. 40 На фиг. 1 показана принципиальная сущность реализации изобретения на шахте с двумя стволами, в которой 1 - воздухоподающий ствол,2 - ветроагрегат (аэроагрегат), R - расстояние между соседними 45 ветроагрегатами, 3 - горные выработки, 4 нагревательное устройство, 5 - вентиляционный ствол, б - вытяжная труба. На фиг. 2 изображена (в плане) схема размещения ветроагрегата в горной выра- 50 ботке: а - участок выработки постоянного сечения, б - участок уширение выработки, где располагается ветроагрегат 2, в - участок выработки восстановленного первоначального постоянного сечения. На фиг. 3 55 дана принципиальная схема реализации изобретения в шахте с одним стволом; 1 воздухоподающее отделение шахтного ствола, 2 - ветроагрегаты, 3 - горные выработки, 4 - нагревательное устройство. 7 вентиляционное (вытяжное) отделение шахтного ствола, переходящее на земной поверхности в вытяжную трубу 6. На фиг. 4 изображено поперечное сечение шахтного ствола, показанное на фиг. 3. Здесь 7 - вентиляционное (вытяжное) отделение шахтного ствола, 8 - воздухонепроницаемая перегородка, 9 - шахтная клеть, 10 трубопроводы шахтного водоотлива, 11 противовес клетевого подъема, 12 - электрические кабели, 13 -детали армировки и 14 - крепь шахтного ствола. На фиг. 5 дана схема коммутации электроэнергии: 1 -шахтный ствол, 15-насосная станция водоотлива, 16 - камера электроподстанции, 2 - ветроагрегаты, 17 - электрический кабель, 4 - нагревательное устройство, 18 - трансформаторная подстанция. На фиг. 6 показана схема размещения ветроагрегатов в вентиляционном стволе шахты: 19 - поверхность земли, 20 - поток нагретого воздуха, 14 - крепь шахтного ствола, 5 - шахтный вентиляционный ствол, 21 - ветровые колеса ветроагрегатов 2, 22 электрические генераторы ветроагрегатов. 23 - опоры ветроагрегатов, 24 - поток рудничного воздуха, 4 - нагревательные устройства (теплообменники), 25 - зумпф шахтного ствола. На фиг. 7 и 8 представлены схемы вращения ветроагрегатов в горизонтальной выработке 3, с условными обозначениями, принятыми на фиг. 6. Способ реализуется следующим образом. Известно, что в глубоких шахтах температура массива горных пород повышается с увеличением глубины горных работ. На угольных шахтах, например, Донбасса через каждые 30-40 м глубины температура пород повышается на 1°С. = , Температура пород на глубине Н определяется по формуле (Аэрология горных предприятий//Ушаков К.З., Бурчаков А.С. Пучков Л.А. и др. - М.: Недра, 1987. - С.421). Г=Гн+£(Н-Нн), где т н - температура горных пород в нейтральном слое, °С; ft- геотермический градиент района (изменение температуры пород, приходящиеся на 1 м глубины), °С/м; Н н - расстояние от поверхности до пород с постоянной температурой (глубина нейтрального слоя), м. Нейтральный слой расположен на расстоянии 20-40 м от земной поверхности и имеет температуру, примерно равную сред 17776 негодовой температуре атмосферного воздуха в данном районе. На большей глубине средние значения геотермического градиента возрастают. Высокая температура пород оказыва- 5 ет существенное влияние на нагрев и увлажнение воздуха* при его движении от дневной поверхности до рабочих мест с учетом естественных и горнотехнических условий в выработках, длины пути воздушного потока, 10 продолжительности вентиляции горных выработок и др. При наличии двух шахтных стволов (фиг. 1) атмосферный воздух поступает в шахту по воздухоподающему (клетевому) стволу 1 и 15 далее движется по сети горных выработок 5, в которых устанавливают ветроагрегаты 2 и теплообменник (нагревательное устройство) 4, пройдя через который воздушный поток 20 выводится на земную поверхность через 20 второй (вентиляционный) ствол 5, и вытяжную трубу 6, смонтированную для увеличения тяги по всей высоте шахтного копра. Образующаяся в результате разности температур поступающего и выходящего нагре- 25 того воздуха естественная тяга формирует воздушный поток постоянного направления. Предварительно задают скорость движения воздушного потока v3, измеряют температуру вмещающих пород (гп), определяют скорость движения воздушного потока естественной тяги (УЄТ). Сравнивают величины указанных скоростей. При равенстве или превышении значений VeT 5: v 3 кинетическую энергию воздушного потока естественной тяги преобразуют в электрическую энергию в аэроагрегатах 2, которую направляют потребителю. При значении Ует г п . Этим достигается заданная скорость рабочего воздушного потоков горной выработке при условии 30 35 40 45 'ВП 50 где Эвп - кинетическая энергия воздушного потока в горных выработках, кГс/м; y , y i плотность воздушного потока, кГс2/см ; ует - скорость естественной тяги воздушного потока, м/с; v 3 - заданная скорость воздушного потока, м/с; S - ометаемая ветроколесом аэроагрегата поверхность, м ;