НАЗАД

ВЛИЯНИЕ УВЛАЖНЕНИЯ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГЛИНО-ГРАФИТНОЙ СМЕСИ

Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л.
Донецкий национальный технический университет

Приведены результаты исследования теплопроводящих свойств глино-графитной смеси в увлажненном и сухом состоянии. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования состава теплопроводящего наполнителя анкерной крепи, что позволит увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю при извлечении геотермального тепла из выработок глубоких шахт.

В настоящее время использование геотермальной энергии в мировой практике является привычным делом. Так на сегодняшний день существует огромное  количество не только разработок по возможному использованию геотермальной энергии, но уже и на практике успешно работают и функционируют целые геотермальные электростанции. Наиболее перспективными регионами для добычи и использования геотермальной энергии в Украине считаются сейсмически активные районы Крымских и Карпатских гор, так как именно в данных местах наблюдается резкое увеличение температуры земной коры.
Однако для горнодобывающих регионов Украины, в которых отсутствуют неглубоко расположенные высокопотенциальные термальные ресурсы, перспективным источником является теплота, получаемая из недр через стенки горных выработок глубоких шахт. Учеными Донецкого национального технического университета предложен способ извлечения низкопотенциальной энергии, поступающей из недр и снимаемой теплоносителем состенок горных выработок [2] с помощью шахтного геотермального теплообменника.
Шахтный геотермальный теплообменник (ШГТ) представляет собой совокупность горных выработок в горном массиве, в которых температура пород 30-50оС и выше, где происходит извлечение теплоты недр путем нагревания, движущегося в выработках теплоносителя, как правило, воздуха или воды. Особенность способа состоит в том, что для этого используют выработанные пространства. В таких условиях теплосъем может производиться десятки и сотни лет, так как источник теплоты будет существовать в обозримом будущем. Сущность предложенного способа заключается в усовершенствовании способа анкерного крепления выработок, в котором на участке разрушенных пород шпур бурят диаметром не менее двух диаметров анкера.
После закрепления анкера, зазор между ним и стенкой шпура заполняют теплопроводным наполнителем и устанавливают теплообмен с воздухом выработки с помощью опорной шайбы в виде радиатора, чем обеспечивается достижение технического результата - увеличение коэффициента теплопроводности горных пород, вмещающих выработку-канал, что позволяет увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю. Конструктивно теплопроводящий анкер выглядит следующим образом (рис. 1).

     
Рис. 1 - Конструкция теплопроводящего анкера
 1 - породный массив; 2 - гайка;  3 - шайба-радиатор; 4 - теплопроводящий наполнитель шпура; 5 - анкер; 6 - скрепляющий состав; D1, D2, D3 – диаметры, соответственно, анкера, шпура в замковой части, шпура в теплопроводящей части; lz, lt – длина, соответственно, замковой и теплопроводящей части шпура.

В качестве теплопроводящего наполнителя можно использовать смесь глинистого материала, например бентонитовой глины, и порошкообразного графита. Предварительно смешивают сухие компоненты смеси в соотношении, определяющем необходимую величину коэффициента теплопроводности (λ). Затем затворяют сухую смесь водой до консистенции в виде густой суспензии и, не давая глине разбухать, нагнетают шламовым насосом в шпур.

Таблица 1 – Влияние содержания графита на величину коэффициента теплопроводности  сухой и увлажненной глино-графитной смеси

Экспериментальным путем была установлена и доказана возможность применения глино-графитной смеси в качестве теплопроводящего состава. Для проведения эксперимента были приготовлены 40 образцов с различной концентрацией графитового порошка (0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 50%, 75% и 100%). Приготовление образцов осуществляется в лаборатории с использованием пресса. Проведение непосредственных измерений осуществлялось согласно ГОСТ 25493-82 [3]. Кроме того, были проведены измерения коэффициента теплопроводности глино-графитной смеси в увлажненном состоянии. Для этого образцы помещались в эксикатор над поверхностью воды и выдерживались в нем до достижения максимальной степени водонасыщения, которая определялась по увеличению веса образца. Полученные коэффициенты теплопроводности увлажненной глино-графитной смеси представлены в табл. 1.
Таким образом, очевидна эффективность применения глино-графитной смеси для увеличения коэффициента теплопроводности. Снижение коэффициента теплопроводности увлажненных образцов с концентрацией графитового порошка 75% и 100% обусловлено, прежде всего, свойством гидрофобности графитового порошка.

Рис. 2  - Зависимость коэффициента теплопроводности от содержания графита в глино-графитной смеси.

На рис.2 представлены графики зависимости коэффициента теплопроводности сухой и увлажненной глино-графитной смеси от концентрации графитового порошка.  При этом зависимость коэффициента теплопроводности сухой глино-графитной смеси описывается формулой:
                                y=5,2945е0,0113х                                                (1)
с коэффициентом парной корреляции /r/= 0,95.
Зависимость коэффициента теплопроводности увлажненной глино-графитной смеси от содержания графита описывается формулой:
                                y=-0,0016х2+0,2403х+5,3171                           (2)
с коэффициентом парной корреляции /r/= 0,87.

Представленные результаты испытаний и полученные зависимости позволяют сделать вывод, что существует оптимальное значение содержания графита в глино-графитной смеси, при котором теплопроводность смеси в увлажненном состоянии максимальна. Для использованных в эксперименте отходов графита его оптимальное содержание в увлажненной смеси составляет 75% мас. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования состава теплопроводящего наполнителя анкерной крепи, что позволит увеличить эффективность передачи тепла из массива горных пород теплоносителю при извлечении геотермального тепла из выработок глубоких шахт.

Список литературы:

1. Шипика А.С., Скринецкая И.В., Завьялова Е.Л. Повышение эффективности использования теплопроводящих анкеров/ «Комплексне використанння природних ресурсів»: V регіонал. конф., 6 грудня 2012 р.: зб. доповідей студентів та аспірантів. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. - С.23-28.
2. Патент на винахід №82121 Україна МПК F24 J3/08, F03 G41/00. «Спосіб одержання геотермальної енергії» Костенко В.К. Костенко О.В., Костенко Т.В., заявник і власник ДонНТУ. – № u200603145; заявл. 03.04.2006; опубл. 11. 03. 2008, бюл. №5.
3. ГОСТ 25493-82 Породы горные. Метод определения удельной теплоемкости и коэффициента температуропроводности