煤礦井下工作面設備循環冷卻水系統設計

朱 毅

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.晉城煤業集團 成莊礦，山西 晉城 048021）

0 引言

晉煤集團成莊礦5310 工作面是大采高工作面，走向長度2540m，傾斜長度246m，平均煤層厚度5.75m，煤層傾角2～8°，主要配套設備有采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、皮帶等，其中需要用水冷卻的設備有采煤機（用水量471 L/min）、電動機（用水量180L/min）、減速器（用水量 130L/min）、 偶合器（用水量240L/min），合計用水量達到1021L/min，其中冷卻用水495L/min，噴霧用水526 L/min。

目前該工作面采用的冷卻和噴霧系統為單向直流系統，出于保護電機和減速器的目的，冷卻水處在長開狀態，只有少部分在設備運轉時用作噴霧，其余的冷卻水通過排水管或專用冷卻回水管直接流到集中排水管中。按工作面設備每天工作18小時計算，冷卻水用水量約為534.6m3。冷卻水經過設備后直接排放，造成以下問題：①水資源的大量浪費；②廢水需要通過水泵提升到地面，耗費大量電能，造成資源的二次浪費；③為了避免電機過熱，現場工作人員利用紅外測溫儀人工測量電機溫升，效率較低；④被浪費的水與煤粉混合形成水煤，嚴重影響生產，造成排水系統堵塞和水泵損壞。

結合工作面配套設備和噴霧用水量分析，設計一套冷卻系統循環利用井下水資源具有非常重要的意義。

1 循環冷卻水系統設計

1.1 設計方案

以工作面電機為例，防爆型水冷電機定子外殼設計有冷卻水套，冷卻水從入水口進入，依次通過所有水道冷卻電機。改變冷卻水流速，溫度場邊界條件發生變化，電機的溫度分布也就有所不同。根據理論計算及實驗，設計方案如圖1所示。

圖1 循環冷卻水系統控制工藝圖

系統由冷卻水主回路、輔助回路組成，其中主回路包括水箱、主循環水泵和電磁閥組成。由主循環水泵提供的冷卻水在被冷卻電機中快速循環，從而把電機運行產生的熱量迅速帶走，防止電機過熱損壞。主回路同時擔負著供支架噴霧和采煤機噴霧用水的任務，加快水箱內冷卻水循環速度，確保冷卻效果。

輔助回路由補水閥、排水閥和熱交換器組成。設計時將冷卻管穿過水箱，利用井下主供水管中的冷水對水箱中的熱水進行冷卻。為提高熱交換效率，冷卻管采用雙排并列安裝的形式，增加熱交換面積。

1.2 水箱容積設計

（1）電機發熱量計算。電機溫度升高主要是運行中的電動機鐵心處在交變磁場中產生鐵損，繞組通電后產生銅損，還有其他雜散損耗及機械摩擦損耗等，這些都會使電動機溫度升高。電機的損耗可以用電機額定功率的10%進行估算。5310 工作面電動機額定功率400kW/臺，單臺損耗近似為40kW。

（2）溫升計算。假設使用2m3的水對電機進行循環冷卻，兩臺400kW 電機1小時產生的熱量使得水溫升高計算如下：

式中：Q—發熱量（J）；Cp—冷卻介質的定壓比熱（J/Kg℃），水為4.2kJ/Kg℃；ρ—冷卻介質的比重（Kg/m3）；V—冷卻介質體積（m3）； ΔT=T2-T1—冷卻介質進出溫度差（℃）。

Q=40×1000×2×3600=4.2×1000×1000×2×△T

兩臺電機1小時產生的熱量可使2m3的水升高34℃。

（3）水箱及熱交換管設計計算。由于井下安裝空間的限制，水箱的高度、寬度為限定值，長度可以調節。根據現場實際情況，設計水箱高度1m，寬度1m，不考慮壁厚，容積為2m3的水箱長度為2m。

水箱內安裝的冷凝器為公稱直徑400mm的列式冷凝器，每組冷凝器由110根冷凝管并列組成，冷凝管內徑/外徑 12.7/13mm，長度 1500mm，公稱壓力 2.5Mpa，冷凝器進出口均為DN100 法蘭。兩套冷凝器的近似體積為： π×R2×l=3.14×0.22×1.5=0.1884m3。

為保證冷卻水體積為2m3，水箱體積需再增加184.4mm，即長度為2200mm。

2 冷卻效果分析

熱傳遞的形式主要有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射，液體和氣體因具有流動的特性，熱傳遞方式除導熱外主要是熱對流。對流傳熱的基本計算如下：

式中：Φ—熱流量，單位時間內的對流傳熱量（W）；A—與流體接觸的壁面面積（m2）；α—對流傳熱系數（W／（m2·K））； Tw—壁面溫度（K）； Tf—流體平均溫度（K）。如果把溫差記為△T，并約定取正值，則Φ=αA△T。

對流傳熱系數α簡稱為傳熱系數，它不僅取決于流體的物理性質以及傳熱表面的形狀與布置，而且還與流速有密切的關系。α的定性計算非常復雜，強制對流時，可采用經驗公式：

空氣中傳熱系數： α=20～100W/m2·K

水中傳熱系數： α=1000～15000W/m2·K

冷凝器熱交換面積：

其中： F=nπdl=2×110×π×0.013×1.5＝13.47m2；Q—熱交換量；△t—進出口水溫差，這里取34℃；K—換熱系數， 取 8000w/m2℃。 則： Q=1.32×107kJ。

通過上述計算，工作面所有設備裝機功率為10175kW，溫升34℃時的總發熱量為3.663×106kJ，遠小于理論熱交換量，反之推算出實際的溫升t=9.44℃。

3 結論

根據該工作面的實際冷卻用水和噴霧用水量計算，設備正常供水可以實現溫升小于10℃的恒溫差強制對流熱交換，從而保證工作設備的冷卻效果。

在實際應用中，通過在水箱和電機的進出水口加上溫度傳感器，對冷卻水的運行情況進行實時監測，一旦水溫出現異常情況能夠及時發現，盡早處理，避免因設備冷卻問題對生產帶來的影響。