Энергетическая оценка процессов при интенсификации воздухообменав карьерах

Проветривание карьеров не имеет аналогов в мировой производственной практике. Оно является новым этапом развития вентиляции, отражая переход от проветривания закрытых систем (цехов, рудников и т. д.) к проветриванию открытых систем (карьеров, разрезов) с неустойчивыми сложными процессами и связями. Под системой в данном случае понимается часть атмосферы в объеме карьера, в которой чистоту воздуха необходимо поддерживать на заданном уровне. Рассматриваемая система тесно связана с окружающей ее средой, и в данном случае невозможно выделить четкую границу между ними в атмосфере. Обычно принято относить к окружающей среде внешние по отношению к системе объекты и воздействия, участвующие в формировании свойств системы. В отличие от непроницаемых границ, которыми являются борта и дно карьера, граница между системой (атмосферой карьера) и окружающей средой, проходящая в атмосфере, является проницаемой, не может быть четко выражена и имеет гипотетический характер. Границей системы назовем проницаемую поверхность объема карьера, связанную с атмосферой окружающей среды и отделяющую этот объем от нее. Естественно, если речь идет о рабочей зоне карьера, то граница будет условно отделять эту зону от остальной атмосферы карьера. Необходимым условием функционирования вентиляции любой системы являются потоки массы воздуха через ее границы. При этом потоки свежего и стоки загрязненного воздуха должны быть рассредоточены так, чтобы исключить их закорачивание между собой (короткие токи). Таким образом, по условиям сопряжения с окружающей средой и распределения воздуха внутри объема карьера открытая система несопоставима с закрытой, что предопределяет и иной подход к оценке управляющих ею воздействий.

При устойчивом состоянии атмосферы необходимо создать в карьере конвективное движение и обеспечить обмен воздушных масс с внешней средой. Оценку требуемого для этого количества энергиипроведем применительно к установившейся инверсии в карьере из условий разрушения инверсионного состояния, ибо образование циркуляционных зон с помощью вентиляционных потоков без изменения стратификации атмосферы в карьере не обеспечивает необходимого уровня снижения концентрации примесей, поскольку обмена с внешней средой фактически не происходит. При разрушении инверсии динамическими струями нельзя оценивать необходимую энергию по работе перемешивания только в объеме карьера или в слое инверсии, ибо в этом случае на уровне поверхности карьера (по замкнутому контуру) Нп (рис. 8.1) создается искусственный «разрыв» температуры, обеспечивающий слой интенсивной надкарьерной инверсии, которая будет вновь восстанавливать инверсионное состояние и в нижних слоях атмосферы карьера. Это требуется учесть при расчете энергии для эффективного общекарьерного воздухообмена.

Схема разрушения инверсии в карьере механическим и тепловым способом

Рис. 8.1. Схема разрушения инверсии в карьере механическим и тепловым способом:

  • 1 начальная стратификация; 2 — стратификация после воздействия динамическими струями; 3 — то же, с образованием условного скачка;
  • 4 стратификация после теплового воздействия

Без учета теплового взаимодействия атмосферы с поверхностью карьера необходимая энергия определяется следующими составляющими:

  • — энергией перемешивания воздуха в слое атмосферы высотой Н, большей глубины карьера Ик и верхней границы инверсии до слоя интенсивного естественного сноса (внешнего ветра) или до уровня ликвидации температурного скачка (см. рис. 8.1);
  • — необходимой энергией для поддержания вновь созданного состояния атмосферы с учетом передачи тепла в почву при образовавшемся в результате перемешивания перепада температур АТ воздуха и поверхности почвы (см. рис. 8.1).

Для первой составляющей, проводя интегрирование в оценке из источника, получим следующую формулу для единичного столба воздуха:

где Р8 — давление на уровне;

Т5, Тн температура на уровнях;

Ср теплоемкость при постоянном давлении;

Н — высота ликвидации скачка или наличия сноса;

5 — высотные отметки дна и бортов карьера;

д — ускорение свободного падения;

Я — универсальная газовая постоянная;

у — температурный градиент.

По формуле оценивается энергия при динамическом способе побуждения воздуха. При тепловом воздействии первое слагаемое определяется на основе расчета лимита энергии устойчивости. Вторую составляющую энергии запишем в виде:

где а — коэффициент теплоотдачи;

5 — площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача;

АТ — разность температур поверхности земли и воздуха;

Г — время процесса теплоотдачи.

В общем случае кроме рассмотренных составляющих требуется также оценка влияния радиационного и теплового обмена атмосферы с почвой, исходя из известного уравнения теплового баланса:

где Ф0 — поток тепла в почву;

а — коэффициент теплообмена в приземном слое атмосферы;

В — потери тепла за счет испарения и конденсации;

QT искусственный источник тепла;

R = /(1 - Л) - F — радиационный баланс;

I — коротковолновая радиация;

А — альбедо поверхности;

F — эффективное излучение поверхности.

Приближенные оценки для составляющих теплового баланса за достаточно длительный период, если приток солнечной радиации принять за 100 %, дают следующие цифры: В = -20 %, R = 30 %, рСрСос • дТ/дп) = -10 %, тогда Ф5 = QT. При развитии инверсионного состояния атмосферы, особенно в зимнее, а также в ночное время, когда приток солнечной радиации практически отсутствует, радиационный баланс поверхности, определяемый во многом эффективным излучением поверхности, является отрицательным и стремится восстановить устойчивое состояние атмосферы. В этом случае в карьере наблюдается следующая физическая картина. Потери тепла за счет эффективного длинноволнового излучения приводят к охлаждению поверхности раздела «атмосфера-почва», а перепад температур, возникающий между воздухом и почвой, — к охлаждению, с одной стороны, близлежащих слоев атмосферы (и усилению инверсии) за счет турбулентного обмена и, с другой стороны, верхнего слоя почвы за счет теплоотдачи — первые два члена в уравнении (8.3). Оценить энергетические возможности интенсификации воздухообмена в карьерном пространстве поможет следующее неравенство:

где Qy — мощность одной установки;

п — число установок;

t — время протекания процесса.

Стоит привести оценку величин, входящих в эту формулу на примере карьера объемом 30-106 м3 и глубиной 200 м. Без учета теплообмена с окружающей средой (т. е. считая систему закрытой сверху) и радиационного выхолаживания поверхности перевод из инверсионного у = 0,018 °С/м в равновесное состояние атмосферы динамическим способом составит для ЛЕ2 ~ 2,5-103 кВт-ч. Для оценки составляющей ДЕ2 правой части неравенства (8.4) необходимо знать время протекания процесса теплоотдачи. Из общих соображений его можно считать равным времени существования инверсии (при этом определяется максимальная энергия теплоотдачи). В соответствии с этим оценка второй составляющей дает следующее значение ДЕ2 ~ 7-Ю4 кВт-ч.

При тепловом воздействии на атмосферу карьера необходимое количество энергии, определяемое через лимит энергии устойчивости, составит iE1 = 5,6-103 кВт-ч и Е2 = 12,5-104 кВт-ч на поддержание этого состояния за счет перепада температур. Оценивая необходимые энергозатраты, на ликвидацию развития инверсии при учете теплового и радиационного баланса поверхности получим: при формировании инверсии радиационный баланс поверхности может составлять в отдельные часы 0,5-105 кВт и более (140 Вт-м2), в ночное время он практически определяется эффективным излучением бортов карьера. Эта потеря естественнойэнергии в карьере идет практически полностью на охлаждение атмосферы карьера и верхнего слоя почвы (первые два члена уравнения (8.3), то есть на формирование и поддержание инверсионного состояния атмосферы.

Для разрушения инверсии у = 0,01 °С/м в вышеуказанном карьере динамическим способом при действии естественного выхолаживающего фактора, который необходимо присутствует при развитии инверсии, из приведенных оценок энергозатрат очевидно, что никакое разумное количество установок местного проветривания не позволяет противодействовать природному фактору.

Необходимо отметить, что данные оценки указывают лишь на одну сторону затрат, на воздухообмен — на разрушение далеко не самой мощной и продолжительной по своей природе инверсии. Однако разрушение устойчивой стратификации дает только предпосылки и возможность организовать взаимодействие (массообмен) системы с окружающей средой и вынос примесей из карьера. Но для осуществления этого процесса необходимы дополнительные затраты кинетической энергии вентиляционных установок на поддержание движения воздушных масс. Кроме того, для практической реализации разрушения инверсии и организации воздухообмена чрезвычайно важным является рационально вкладывать необходимую энергию. В локальных областях можно создать очень интенсивные циркуляции, а во всем объеме карьера инверсия будет сохраняться и выноса примесей не произойдет.

Контрольные вопросы

  • 1. Какие способы разрушения инверсий вы знаете?
  • 2. Какое количество установок искусственного проветривания необходимо при динамическом способе воздействия на изменение состояния атмосферы карьера?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >