矿井回风余热回收换热装置的换热性能研究.pdf

工学硕士学位论文 矿井回风余热回收换热装置的换热性能研究 河北工程大学 2 0 1 2 年5 月 分类号避 U D C 工学硕士学位论文 密级公珏 单位代码 1 0 0 7 6 矿井回风余热回收换热装置的换热性能研究 作者姓名周华慧 指导教 师王景刚教授 申请学位级别工学硕士 学科专 业供热、供燃气、通风及空调工程 所在单 位城市建设学院 授予学位单位河北工程大学 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g H e a tE x c h a n g e rP e r f o r m a n c eo ft h eH e a t T r a n s f e rUni to fR e c o v e r i n gt h eW a s t eH e a t f r O mM i n eE x h a u s tA i r C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t Z h o uH u a h u i P r o f ．W a n gJ i n g g a n g M a s t e ro f E n g i n e e r i n g 一 一 H e a t i n g 、G a s i n g 、V e n t i l a t i n g a n d A i rC o n d i t i o n i n gE n g i n e e r i n g C o l l e g eo f U r b a nC o n s t r u c t i o n H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a y ，2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程盘堂．或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者躲月牢急 签字嗍洲2 年6 月箩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解煎皇垦墨壁盘堂有关保留、使用学位论文的规 i √㈡受权．塑兰垦墨猩盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名阌华毽 签字同期扣f ∑年6 月多同 导师签名签字日期≯fz 年‘月，F I 摘要 摘要 煤矿生产过程中矿井回风蕴含着非常丰富的余热资源，而且回风气流温度、 湿度全年处于基本稳定的状态，是一种非常优质的低温热源。在煤矿生产过程往 往被直接排向大气中从而被白白浪费，北京矿大节能科技有限公司应用热泵技术 和空气喷淋技术的结合，对矿井回风中的低温热能进行回收利用，实现夏季供冷、 冬季供暖。并且替代了冬季传统的利用锅炉满足矿区地面建筑的供暖、井筒防冻 以及职工浴室洗澡热水等所需要的热量。为了研究矿井回风余热回收换热装置内 回风气流与水滴之间的热交换过程中流场特性，本文采用了理论分析，数值计算 以及现场试验测试三种方法相结合，并采用F l u e n t 计算软件，对流体的传热传质 过程以及动量传递过程进行数值计算模拟，得出矿井回风余热回收换热装置内的 流体流动的压力场分布图、速度场分布图、温度场分布图、速度矢量分布图以及 水滴的运动轨迹线分布图。并计算分析换热装置进口风速、换热装置中扩散塔部 分结构形式等对换热装置内流体传热传质过程和动量传递过程的影响。 关键词矿井回风；余热回收；换热装置；换热性能；传热传质；数值模拟 A b s t r a c t A b s t r a c t T h em i n ee x h a u s ta i ri nt h ep r o c e s so ft h ec o a l - m i n ep r o d u c t i o nc a ng e n e r a t ea v e r yr i c hw a s t er e s o u r c e s ，a n dt h et e m p e r a t u r e ，a n dh u m i d i t yo fe x h a u s ta i rf l o wa r ei na b a s i cs t a b l es t a t ea l ly e a r ．T h ee x h a u s ta i rw h i c hi sa h i g h - q u a l i t ya n dl o wt e m p e r a t u r e h e a ts o u r c ei sw a s t eo fb e i n gd i r e c t l yd i s c h a r g e dt ot h ea t m o s p h e r e ．B e i j i n gM i n eo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI n c ．c o m b i n e st h eh e a tp u m pt e c h n o l o g yw i t ha i r s p r a y i n g t e c h n o l o g y ，w h i c hC a na c h i e v er e c y c l i n go ft h el o wt e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo fm i n e e x h a u s ta i r , c o o l i n gi ns u m m e r ，h e a t i n gi nw i n t e r ，a n di n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lh e a t i n g s y s t e mt h a tu t i l i z e sb o i l e rc o m b u s t i o no b t a i n i n gh e a tt om e e tt h eg r o u n db u i l d i n g h e a t i n g ，t h ep i ts h a f ta n t i f r e e z ea n dt h es h o w e rh o tw a t e rd e m a n do fs t a f fb a t h r o o m ．I n o r d e rt os t u d yf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c si nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s so ft h eh e a t t r a n s f e ru n i to fr e c o v e r i n gt h ew a s t eh e a tf r o mm i n ee x h a u s ta i rb e t w e e ne x h a u s ta i ra n d w a t e r ，t h i sa r t i c l eu t i l i z e st h r e em e t h o d s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n a n df i e l dt e s t ．T h ec o m p u t i n gm e t h o da d o p t sF l u e n ts o f t w a r e ．T h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s a n dt h em o m e n t u mt r a n s f e rp r o c e s so ft h ef l u i di sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，w h i c hC a n g a i nt h ep r e s s u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h ev e l o c i t yf i e l dd i s t r i b u t i o n ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d d i s t r i b u t i o n ，t h ev e l o c i t yv e c t o rd i s t r i b u t i o no ft h ef l u i da n dt h et r a j e c t o r yl i n e s d i s t r i b u t i o no ．ft h ew a t e rd r o p l e t si nt h eh e a tt r a n s f e ru n i to fr e c o v e r i n gt h ew a s t eh e a t f r o mm i n ee x h a u s ta i r ．T h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sa n dt h ep r o c e s so f m o m e n t u mt r a n s f e ri nt h eh e a tt r a n s f e ru n i ta r ei n f l u e n c e db yt h ea n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o no ft h ei n l e tv e l o c i t yo ft h eh e a tt r a n s f e ru n i t ，t h es t r u c t u r ef o r mo ft h e d i f f u s e r - t o w e r ，e t c ． K e y w o r d s M i n ee x h a u s ta i r ；T h ew a s t eh e a tr e c o v e r y ；H e a tt r a n s f e ru n i t ；H e a t e x c h a n g e rp e r f o r m a n c e ；H e a ta n dm a s st r a n s f e r ；N u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 概j 2 金⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯1 1 ．2 矿井回风余热回收热泵系统的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 矿井回风余热回收换热装置的研究现状及存在问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．1 有关喷水室的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．3 ．2 矿井回风余热回收技术研究现状及存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 课题研究的目的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．5 课题研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 第2 章理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．1 矿井回风余热回收换热装置传热传质机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 2 ．1 ．1 普通喷水室的传热传质机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 2 ．1 ．2 矿井回风余热回收换热装置的传热传质机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 换热装置的换热性能影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．2 ．1 影响扩散塔性能的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．2 影响换热装置换热性能的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 4 2 - 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 第3 章模拟部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 。1 模拟软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．1 ．1F L u e n t 软件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．2F l u e n t 的工作流程．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．1 ．3F L u e n t 的数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．1 ．4 湍流模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．2 建立流动模型基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 ．1 多相流模型建立基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．2 ．2 模型控制方程的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．2 - 3 确定初始条件与边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 0 3 ．2 ．4 离散相计算步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 目录 3 ．2 ．5 欠松弛技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．2 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 3 ．3 换热装置的流场模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．3 ．1 物理模型及网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．3 ．2 实际工况计算以及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 3 - 3 ．3 改变风速工况计算以及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 3 ．3 ．4 不同扩散塔结构形式、不同风量计算以及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 第4 章试验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 4 ．1 试验研究的意义、目的和内容⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 4 ．2 工程工况以及测量仪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 7 4 ．3 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 4 ．4 试验数据以及试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 4 ．4 ．1 冬季工况⋯⋯I I l l ．⋯⋯⋯⋯。- _ - ⋯_ ⋯⋯⋯⋯．．1 l l l l l l - ⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．8 1 4 ．4 ．2 夏季工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 3 4 ．5 换热装置换热效率计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 5 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 攻读硕士学位期间发表的论文和参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 第1 章绪论 1 ．1 概述 第1 章绪论 我国是一个多煤少油的国家，煤炭资源相当的丰富，已经探明的煤炭储量占 世界的煤炭总储量的3 3 ．8 ％。我国的产煤量是位居世界第一位的，出口量仅次于澳 大利亚位居世界第二位【l 】。2 0 0 9 年，煤炭在我国一次能源生产和消费中占了7 0 ．6 ％ 左右Ⅲ。可见，煤炭在我国则成为被人们利用的主要能源。随着经济的发展，能源 日益紧张，煤炭作为基础能源的需求量也随之日益增大，使得矿井的开发日益增 多，矿井深度亦随之增加。 因此，采矿工业是我国国民经济和社会发展的基础，在相当长的时间内仍将 为我国提供主要能源。一般矿井进风井筒都是有主井和副井共同组成，主井主要 是承担了不间断的运煤 提煤 的作用，而副井则是作为下放材料、回收设备以 及人员上下一个的通道。矿井井下必须进行通风，才能保证井下工人的安全、健 康及矿井生产效率和经济效益，因为并下生产的过程中会不断的从煤层、岩层中 涌出有毒有害气体，混入井下空气中，比如甲烷 俗称瓦斯 、一氧化碳、二氧化 碳、二氧化氮、二氧化硫、硫化氢、沼气等，这些气体不仅仅对人体产生危害还 对生产安全造成威胁；井下各个作业环节也会产生岩、煤尘和其他微小杂尘混入 井下的空气中；井下温度、气压和湿度也会产生变化，井下空气的体积和浓度随 之而改变；随着生产的进行、井下一切物质的缓慢氧化、爆破工作、火区氧化等 这些变化也都会对井下空气质量以及空气各个组分含量等产生影响。因此矿井通 风系统在煤矿生产过程中是煤矿安全生产的重要保障。 矿井通风系统是由矿井通风方式、主要通风机的工作方法、通风网络和通风 设施共同组成的。矿井通风是指把地面空气不断送入井下，同时把污风排除到井 外的过程，其基本任务主要是 1 供给井下充足的新风； 2 排除或冲淡矿井 中有毒有害气体和粉尘； 3 创造良好的工作环境； 4 提高矿井的抗灾能力p J 。 根据矿井生产中产生的瓦斯量、煤层自燃和高温等影响矿井生产安全的主要因素 可以把矿井通风系统分为一般型、降温型、防火型、排放瓦斯型、防火及降温型、 排放瓦斯及降温型、排放瓦斯及防火型、排放瓦斯与防火及降温型。由于井筒与 采区的布置的位置不同可以把通风方式分为中央式、对角式和混合式三种。抽出 式排风方式为常用的一种排风方式，主要是利用主扇风机的作用通过回风井筒回 风，使得矿井总回风风流能够直接排入大气。研究结果表明，通常恒温带以下每 下降1 0 0 米，地温将会随着升高3 ℃左右【4 J 。由于井下风流温度基本不受大气温度 河北工程大学硕士学位论文 及季节交换的影响，因此，矿井总回风的温度、湿度一年四季基本保持恒定不变 的。调查显示煤矿回风温度一般在在1 5 ．3 0 。C 之间，相对湿度高达9 0 ％以上p j ，目 前这部分蕴藏在矿井回风内大量的低温人能并没有被人们利用，而是直接随着矿 井回风井筒排放到大气中去。 而在煤矿工业矿区生产中井筒防冻、职工浴室洗澡热水以及矿区建筑 生产 系统、办公楼、职工宿舍、食堂等 所需的供暖供冷，能量需求量很大。冬季采 暖一般都采用传统的做法，通过燃煤锅炉燃烧提供热源，矿区冬季所需要的热量 得以满足。这种以消耗大量煤炭前提满足采暖需求的采暖方式不仅仅会造成一次 能源的减少，还会因为在煤炭燃烧放热的过程中排放出大量的污染物，继而造成 当地环境受到不同程度的污染。 自新中国成立以来第一个节能减排的战略目标在“十一五”规划纲要中被提出， 以主要污染物排放总量减少1 0 ％为目标，并且要在五年内实现单位国内生产总值 能耗降低2 0 ％左右。2 0 0 6 年1 月1 日起实施的中华人民共和国可再生能源法， 将可再生能源的开发利用列为能源发展的优先领域，国家鼓励各种所有制经济为 一体参与可再生能源的开发利用，依法保护可再生能源开发利用者的合法权益； 国务院制订了节能减排综合性工作方案及可再生能源中长期发展规划，大 力发展可再生能源，推进风能、太阳能、地热能、水电、沼气、生物质能利用以 及可再生能源与建筑一体化的科研、开发和建设。 无论从哪个角度分析，矿井总回风低温资源是一种很好的可再生能源，煤矿 低温余热资源丰富，只要煤矿正常生产，这种能源就可以“取之不竭，用之不竭”。 热泵是一种以消耗少量电能为代价，能将大量不能直接利用的低温热能变为 有用的高温热能的装置。由于冬季矿井的回风温度较大气温度高，可以作为良好 的余热资源；而在夏季矿井回风温度较大气温度低，可以作为良好的冷源。通过 热泵技术回收矿井总回风中低温热能或者将热量排入矿井总回风中，经过热传递 就可以将蕴含在矿井回风气流中的热量有效地转移到矿井回风余热回收换热器所 喷淋的循环水中，这部分循环水经过与回风气流的热交换之后便可以作为热泵机 组工作的低温冷热源，为热泵正常运行提供足够的冷热循环水。矿区采用这种热 泵技术和空气喷淋技术相结合的系统不仅仅可以满足矿区建设所需热量，还可以 响应国家所倡导的节能减排，实现煤矿产煤不燃煤，取代冬季传统的锅炉供暖方 法，污染物排放相对减少，矿区周围环境有所改善。 当今社会中对能源的需求越来越多，现有的能源越来越不能满足人们的需求， 人们开始对可利用的再生能源的应用越来越关注，对于工业建筑的节能问题也越 来越重视。因此，本课题主要的研究对象是矿井回风余热回收．水源热泵系统，研 究内容是基于现阶段曙光煤矿所使用的矿井回风余热回收系统中换热装置换热性 2 第1 章绪论 能的研究。 1 ．2 矿井回风余热回收热泵系统的工作原理 矿井回风余热回收系统与水源热泵系统相结合回收矿井回风中蕴含的低温热 能，这种矿井回风余热回收技术是近5 年来国内发展起来的新兴的能源回收技术。 由于矿井回风交换器要适应于矿井回风恒温、高湿度、粉尘浓度大的特点，矿井 回风余热回收换热装置可以从回风气流中高效的提取或者释放热量，通过回风气 流与循环水的热交换，使得矿井回风中所蕴含的热量转移到循环水中，循环水则 作为热泵供热供冷系统中的低温冷热源，可以不断的被循环使用。 矿井回风余热回收热交换器是矿井回风余热回收技术应用中的核心设备。按 照空气与水表面之间的接触形式，主要有直接接触和间接接触，因此，热交换器 存在两种类型直接接触式和间接接触式。直接接触式的热交换设备还可以分为 有填料层和无填料层两种形式。直接接触式热交换设备目前经常使用的典型设备 是喷雾室和冷却塔，二者的使用目的各不相同，喷雾室是用水来处理空气的，冷 却塔则是用空气来处理水的。表冷器是空气与水间接接触式的典型设备，空气与 在盘管内流动的水或制冷剂之间为间接接触。根据空气与水的流动方向不同，还 可以将热交换设备分为顺流和逆流，无论是直接接触式热交换设备还是间接接触 式热交换设备又都有顺流和逆流之分【6 j 。因此，目前主要有直接接触式和间接接触 式两种换热方式。本课题主要研究的是直接接触式无填料逆流换热方式的热交换 装置。该换热装置是在原有的通风系统上改建而成的。 在煤矿系统中回风井处都会设置扩散塔，其主要的功能是为了降低出口动压 以便提高主扇风机的静压从而回收风机出口动能，达到矿井通风节能的目的。目 前我国煤矿使用的扩散塔形式有多种。最常见的扩散塔形式可以分为以下几种 直角转弯型、6 0 。倾斜型、4 5 。改进型、东工流线型。不同形式的扩散塔其最优 设计参数不同，其通风能耗损失依次降低，近几十我国研究者对扩散塔的理论实 验研究表明，流线型的是最为节能的一种型式[ 1 1 - 1 2 J 。根据煤矿安全规程规定， 各个矿井每年都应该进行一次反风演习。生产矿井的主通风机必须安装有反风设 施，并且能够在1 0 分钟内改变巷道中的风流方向；当风流方向改变之后，主通风 机的供给风量不应小于正常风量的4 0 ％。矿井反风的目的意义重大，主要是为了 在矿井发生灾变时，尤其是当矿井发生火灾事故时，可以起到缩小灾害波及范围 的作用，为可能受影响区域的人员争取足够的时间按照矿井避灾路线安全的撤至 地面，这样就可以减少因矿井灾变带来的人员伤亡。因此，矿井通风系统在设置 扩散塔的时候都会考虑到矿井反风的需求，在保证安全生产和通风节能的前提下 3 河北工程大学硕士学位论文 才可以。 在矿井回风余热回收系统中，换热装置则是由换热器和改建后的扩散塔共同 组成的一种换热设备。 矿井回风余热回收．水源热泵系统主要由回风换热装置、热泵机组，动力装置、 集水池、除污装置及附件组成，如图I - I 所示 图I - I 矿井回风热回收技术原理图 矿井回风余热回收．水源热泵系统的核心装置是回风换热装置，矿井回风通过 矿井回风加压风机压入扩散塔内，扩散塔侧面加设回风导流器，从而使矿井回风 转变为低速、均匀的稳定气流，在热交换区气流与喷淋排管高密度的雾化的水滴 充分接触，从而完成气水之间的热湿交换，冬季工况循环水吸取回风中的余热， 夏季工况循环水向回风中排热，然后将矿井回风全部导入回风换热器内，最后通 过挡水板排至室外。进行热湿交换后的喷淋水进入汇水池，然后通过除污装置进 入热泵机组，之后再由循环泵输送至换热器进行换热。 水源热泵机组运行工况如下制热工况时，热泵系统从循环水中提取热量， 循环水温度会有所降低 一般5 ℃ ；而在制冷工况时，热泵系统则向循环水中放 热，循环水温度会有所提高 一般1 0 ℃ 。经过热泵系统后的循环水再重新送入矿 井回风热交换器中与矿井回风继续进行热交换，循环往复。 喷淋式矿井回风热交换器换热效率高，可以实现气一水的热湿交换，对回风中 的粉尘及污染物也有去除作用，而且在一定程度上还可以降低回风因为风机运行 震动等引起的噪音。水源热泵系统中冬季供热系统在一定程度上可以取代锅炉， 不但实现了废气零排放，同时也节省了大量的煤炭消耗，实现了绿色环保目标。 可见，这种技术的应用不仅可以大大降低煤炭行业的生产成本，而且社会效益和 经济效益显著，矿井回风余热回收一水源热泵系统是值得研究推广。 4 第1 章绪论 因此，研究矿井回风余热回收换热器的换热效率的影响因素，以及如何提高 其换热效率，是该换热器应用推广的前提。然而，该换热装置与普通的喷水室、 冷却塔又有很多不同之处，影响因素也就有所不同。本课题主要针对影响矿井回 风余热回收换热装置换热性能因素进行分析研究。 1 ．3 矿井回风余热回收换热装置的研究现状及存在问题 矿井回风风流具有风速大、恒温、高湿度、粉尘大的特点，对于其回收利用 技术的研究目前为止国外暂时没有文献有所提及，国内研究时间也就是在近几年 才刚刚开始，并没有成熟的规范对其设计作为参考依据，而且不同区域、不同深 度、不同性质的矿井风量、流速、含尘度、温度、湿度、瓦斯含量等都会有所不 同，较现在比较成熟的空气处理设备喷水室的设计条件也有着很大的区别，不能 完全将两者的规范用于矿井回风余热回收换热器上来。 1 ．3 ．1 有关喷水室的研究现状 喷水室也被称为喷淋室，是人们研究空气与水直接热交换的主要处理设备， 也是目前人们常用的空气处理设备，在纺织厂等工艺性空调系统 一次回风式全 空气系统 中比较常见。 由于喷水室对空气具有一定除尘净化能力，同时还有空气流动阻力小和制造 加工方便等热工性能上的多样性特点，在空调工程中空气处理过程中为常用的设 备之一，至今其他热湿交换设备都无法取代该空气处理设备。 多种热、湿处理过程都可以由喷水室来实现，不同的季节的空气处理过程主 要有两种典型过程绝热加湿和冷却减湿，喷水室的处理过程可以为生产工艺提 供所需求的温湿度，还有着较高的洗涤过滤效率，对送入室内的风流起到洗涤净 化作用，这也正是喷水室还能够在一些行业中广泛应用的另外一个重要原因。 由于空气的热湿交换过程很复杂，人工计算几乎是不可能的，随着计算机性 能的发展，计算机处理高端化，为该过程的计算提供了可能。所以，喷水室的研 究成果越来越多，其应用范围也就随之越来越广泛。以下几种新型喷水室目前普 遍应用，下面一一作出介绍。 1 喷水室在电子工业方面的应用 喷水室在电子工业中对其生产环境的控制不仅仅是保证该生产线工艺要求， 同时要保证生产所需的温湿度，由于电子产品的精密度要求很高，因此对于生产 环境的洁净度也需要控制。洁净度的控制一般都是通过使用各种高效过滤器来满 足生产车间的洁净度要求，在高效过滤器工作期间所添加的滤料会向车问内散发 5 河北工程大学硕士学位论文 一些不利用生产的有害气体，导致生产车间空气质量要求不仅仅达不到精密生产 的要求，敏感元器件及集成电路会受到有些分子态化学污染物的影响，室外空气 也含有某些有害气体成分对人体造成危害，所以必须想办法去除。研究表明无论 是采用过滤网还是化学过滤网对某些特定的气体的去除效果都不是很好，不但价 格昂贵而且该过滤网的寿命也不长，然而采用喷水室对这些特定的气体成分进行 处理，去除率明显提高，相比造价也较低，目前很受人们的青睐例。 在对喷水室电子工业方面应用的研究表明，很多相关喷水室的新技术已被引 进国内，一些大型超大规模的电子工业制造工厂生产空间较大，直接采用喷水室 对新风进行处理，比如关于撞击流喷嘴的流体动力式喷水室的理论和实验研究大 大增加了喷水室在电子工业应用的范围【1 0 】，解决了困扰生产过程中喷嘴堵塞的关 键性问题。 2 喷水室在蒸发冷却技术方面的应用 在国内一些气候干燥的地区室外气象条件比较特殊，冬冷夏热的特点，各种 工业建筑以及设施、民用及公用建筑 酒店、宾馆、办公楼及娱乐场所等 都广 泛的涉及到夏季降温的问题。在这些干燥地区采用空气与水热交换的方式其所需 的供水压力较高，水气比较大，占地面积相对稍大，这也就大大阻碍了喷水室的 应用前景，该气候条件下的地区一般水质较硬并且风沙很大，对于填料式的设备 来说很容易产生不同程度的结垢，因此采用空气与水直接接触式的热交换方式才 能达到接触面积大交换效率高等目标。因此备受人们关注的蒸发冷却技术，相比 传统制冷方式有着节能、环保、经济等优点。 3 喷水室在热回收方面的应用 在炎热夏季，室外空气的干球温度一般能够达到3 5 。C ，在空调系统的设计过 程中，室内设计温度通常取2 6 ℃，相对湿度取5 0 ％。这样就会产生较大的室内外 空气温差、焓差，为其显热交换和潜热交换都提供了可能，这样便可以通过室内 排风与室外新风热交换达到回收室内排风中能量的目的，这样空调系统便可以减 低新风负荷，从而实现系统节能。在炎热的夏季和寒冷的冬季可以利用喷水室的 间接或直接蒸发制冷分别达到供冷和供热的目的，夏季主要是依赖直接蒸发冷却 和间接蒸发冷却的双重冷却作用，来实现降低室外新风的温度达到室内所需的送 风温度，其原理图如图1 ．2 所示；冬季主要是回收室内较高温度的回风中的余热， 使与较低温度的室外新风进行热石交换后，得到室内所需的新风温度。 6 第1 章绪论 新风 直接蒸发冷却系统 排风 图1 - 2 直接蒸发冷却系统夏季工作原理图 图1 ．2 夏季直接蒸发冷却系统系统利用喷水室的间接和直接蒸发制冷，对室外 新风温降幅度平均水平可以达到5 。C 左右，对于普通舒适性空调系统中规范所建议 的室内外温差范围恰好包含这个温差，在其允许的温差范围之内，一些民用建筑 的舒适性空调系统对于室内温湿度要求不像工艺性空调系统那么严格，作为户式 空调器用户便可以直接单独选用该热回收装置。 现阶段对喷水室的深入研究以及应用问题主要是以上几个方面，对其热回收 的应用主要是在直接蒸发冷却系统中，在工业方面的应用还很少，研究的相关文 献也很少，技术应用方面经验更加欠缺，没有完善的规范可以参考。对于矿井回 风余热回收喷水室的应用方面还不能完全的等同于普通的喷水室的应用。 1 ．3 ．2 矿井回风余热回收技术研究现状及存在的问题 国内学者对于矿井回风余热回收技术的研究现状如下 1 有关资料显示，朱晓彦于2 0 0 6 年最早提出了矿井排风热回收技术，并 申报了专利“矿井回风热回收利用的方法及装置”，见图1 ．3 所示。朱晓彦所研究 的热回收换热装置工作原理是在矿井回风的风道内布满换热设备，通过空气对流 换热方式回收矿井回风气流中的余热。 7 河北工程大学硕士学位论文 图1 ．3 矿井回风热回收利用装置 该装置存在的问题由于矿井回风的温度一般都在2 0 ℃左右，属于低温热 源，换热设备介质温度与矿井回风气流温度之间的温差很小，因此，如果要回收 矿井回风气流中蕴含热量中一定量的热能，用来满足系统要求，该换热装置内就 必须有足够大的换热面积用来回收矿井回风气流中的余热。由于回风气流温度与 换热设备中介质温度温差较低，在该装置中预热过程中就必须布置几万平方米的 换热面积，也只能提取到能够满足系统所需的很少热量，使得回风气流中余热回 收不充分。此外，由于矿井回风气流还具有相对湿度很大、含有粉尘以及腐蚀性 气体的特性，对于这种间接式的热交换设备需要具备抗腐性能，定期清扫。但是， 在运行维护上费用较高，清洁起来比较困难。以上因素将会导致工程造价相对较 高。 2 之后山东新汶矿业集团邸建友等人提出并申报了“矿井乏风热能利用装 置”I l 引，见图1 ．4 所示。该装置结构简单，能够充分的回收利用排风余热，利用 效率相对较高，同时降低了排风产生的噪音，减少了排风对大气造成的污染。设 备主要组成水泵、排风扩散塔、水雾化装置、回收水池、水净化器和水池。水 池分设置有低温区和高温区，水雾化装置设置在风机扩散塔中。 图1 4 矿井乏风热能利用装置 8 第1 章绪论 该装置存在的问题从原理上看，该换热装置利用矿井通风系统中扩散塔竖 井，在其上方布置喷水排管，矿井排风气流与喷水排管喷出的水进行逆流热交换， 该回收装置对矿井排风中余热回收的方式是可行的，但是仍然存在一些关键性的 技术问题有待解决。在实际的工作工况下，扩散塔内排风风速一般在2 5 m ／s 以上， 属于高速风道，对于严格按照中国矿井设计规范和施工的矿井系统中，排风风道 上原有扩散塔部分的设计并没有考虑到为排风气流与水流热交换提供条件，因此， 在高速流动状态下具有较大动力的排风气流与喷出的水进行热交换时，水会被排 风流吹出扩散塔外，只能改变水流的动能，采用大水流浇灌方式才能达到完全充 分回收排风余热的可能，使二者充分换热。在矿井设计中扩散塔设计高度是一定 的，这就导致在采用大水流浇灌换热方式时，风流与水流热交换时间受到限制相 对较短，换热空间也较小，最终气流与水流的热交换过程不充分，回收热量也就 非常有限。该装置对排风中的余热回收效果不是很显著，不能完全回收利用，大 部分热量仍然随着矿井排风气流被排出。 3 山东科技大学的辛蒿等人研发了矿井通风余热热管回收装置[ 1 4 - 1 5 】，该装置在 朱晓彦开发的矿井回风热回收利用装置基础上进行了细化，提出了矿井排风重力 式热管换热器的设计思路。主要包括换热器和相关管道，使得矿井回风与低温流 体在重力热管的作用下进行热交换。最终通过该装置实现矿井回风余热的回收利 用，达到节能减排的目