井下移動瓦斯抽放泵站循環(huán)水分級冷卻系統(tǒng)實驗研究

摘 要：針對井下移動瓦斯抽放泵循環(huán)水高溫問題，提出了利用礦井防塵水對抽放泵循環(huán)水分級冷卻的解決方案。運用迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）、茹卡烏斯卡斯（Zhukauskas）關(guān)聯(lián)式對兩級冷卻系統(tǒng)進行了傳熱計算，并對兩級水冷卻系統(tǒng)開展了實驗研究。結(jié)果表明，運用上述兩個關(guān)聯(lián)式進行傳熱計算的精度較高，驗證了兩級水冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。

關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯；瓦斯抽放泵；循環(huán)水冷卻；對流傳熱

中圖分類號：TD82 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.007

煤礦瓦斯是礦井的五大（水、火、瓦斯、煤塵、頂板）自然災(zāi)害之一，對煤礦的生產(chǎn)安全造成了威脅。國家在2004 年提出煤礦安全生產(chǎn)的“12字方針”——先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測監(jiān)控，其中，“先抽后采”居于首位，充分說明了煤礦瓦斯抽放的重要性。抽放瓦斯不僅可以降低瓦斯涌出量，消除瓦斯突出危險，也可以變害為利、變廢為寶，同時還有利于保護環(huán)境。

瓦斯抽放泵是抽放系統(tǒng)的心臟。目前，瓦斯抽放泵的類型有水環(huán)式真空泵、離心式鼓風(fēng)機和回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機，我國礦井常用的瓦斯抽放泵為水環(huán)式真空泵。由于抽放泵是連續(xù)運轉(zhuǎn)的，且抽放泵電機功率大，無功損耗比較嚴重，抽放時，氣體受到壓縮產(chǎn)生大量熱量，造成泵體溫度升高，對抽放泵和電機造成損傷，導(dǎo)致無法正常運轉(zhuǎn)。這是當(dāng)前國內(nèi)外煤礦普遍存在的問題，也是迫切需要解決的問題。

山西某煤礦目前使用3臺井下移動式瓦斯抽放泵。所用瓦斯抽放泵為2BFC72型真空泵，電機功率為1 000 kW，最大吸氣量為630 m3/min，極限壓力為160 hPa，轉(zhuǎn)速為340 r/min。其中，瓦斯抽放泵利用循環(huán)水降溫。通過對該煤礦瓦斯抽放泵站現(xiàn)場測量，測得抽放泵循環(huán)水流量為60 m3/h，進水溫度為20 ℃，進水表壓為0.47 MPa，出水溫度為50 ℃。

由于循環(huán)水出水溫度太高，目前只能將循環(huán)水出水送至地面處理后再使用。這種開式循環(huán)設(shè)計使得井下瓦斯抽放泵站的運行操作不便，泵站設(shè)備連續(xù)運行的可靠性下降，設(shè)備工作時受外部其他干擾因素的影響較大，對井下安全生產(chǎn)極其不利。因此，必須對抽放泵循環(huán)水實施冷卻降溫，解決抽放泵循環(huán)水高溫問題，以滿足煤礦井下瓦斯抽放系統(tǒng)安全、高效運行的要求。

本文在煤礦現(xiàn)有瓦斯抽放泵循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了利用井下防塵水對循環(huán)水分級冷卻的冷卻系統(tǒng)，并對冷卻系統(tǒng)換熱器的傳熱特性進行了實驗研究，以驗證設(shè)計方案是否可行。

1 瓦斯抽放泵循環(huán)水分級冷卻系統(tǒng)設(shè)計

由于井下防塵水溫度在17 ℃左右，流量為70 m3/h，考慮將防塵水作為冷源對瓦斯抽放泵循環(huán)水冷卻降溫。防塵水的主要功能是除塵。抽放泵站到采掘工作面的距離較遠，防塵水在管道內(nèi)與井下通風(fēng)系統(tǒng)自然換熱，等到達工作面時溫度會降低，但不影響除塵效果，可以保證采掘工作的正常開展。

由于硐室內(nèi)瓦斯抽放泵站現(xiàn)場已分別設(shè)置冷、熱水池，因此，可以在熱水池內(nèi)布置換熱管束，當(dāng)井下防塵水從換熱管束內(nèi)流過時，對瓦斯抽放泵循環(huán)水的出水進行冷卻。根據(jù)現(xiàn)場測得的水池尺寸以及相關(guān)參數(shù)，校核、計算了熱負荷，發(fā)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有的水池大小布置管束無法滿足熱負荷的需求。從對瓦斯抽放站的現(xiàn)場勘查來看，在硐室內(nèi)還有諸多空余空間，因此可以考慮在空余部分增設(shè)水箱，再在箱內(nèi)布置換熱管束。當(dāng)管內(nèi)有防塵水流過時，水箱內(nèi)循環(huán)熱水流動，對循環(huán)水換熱降溫，使其承擔(dān)一定的熱負荷。水箱可以增設(shè)兩級并串聯(lián)使用，從而實現(xiàn)兩級水冷降溫。分級冷卻系統(tǒng)管路流程如圖1所示。

考慮到井下空間有限，為了節(jié)省空間，在設(shè)計時就要求二級水冷卻器盡可能多地承擔(dān)熱負荷，并且盡可能使用尺寸較小的一級水冷卻器。二級水冷卻器換熱管的布置情況如圖2所示。圖2中，中間黑色實線表示用金屬隔板將水池人為分隔成間距為0.1 m的曲折流動通道，通道內(nèi)布置蛇形換熱管，其中，防塵水與管外循環(huán)水為逆流。

要實現(xiàn)井下瓦斯抽放泵冷卻水的閉式循環(huán)利用，就需要將循環(huán)水從50 ℃冷卻至20 ℃，冷卻系統(tǒng)所需的換熱量為2 019 kW。

對于蛇形管管內(nèi)流動傳熱過程可通過迪圖斯-貝爾特公式進行理論計算，得到管內(nèi)努賽爾數(shù)：

. （1）

蛇形管管外流動傳熱過程可近似為流體橫掠管束傳熱過程，管外努賽爾數(shù)Nu可用茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式估算：

. （2）

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

. （3）

式（3）中：h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

總傳熱系數(shù)：

. （4）

式（4）中：kth為總傳熱系數(shù)；h2為管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；h1為管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

依據(jù)已知參數(shù)和上述4個公式，對分級冷卻系統(tǒng)進行設(shè)計計算，可得到分級冷卻系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

2 實驗裝置與方法

本文主要針對二級水冷卻器的傳熱性能進行實驗研究，二級冷卻系統(tǒng)用均等間距的隔板隔開，每個隔板間布置換熱管。對于本實驗而言，可以只研究其中一個隔板槽道的流動性和傳熱特性。

1—熱水箱；2—換熱器；3—流量計；4—球閥；5—水泵；6—冷水箱

實驗系統(tǒng)圖如圖3所示。熱水箱內(nèi)加裝加熱器對水加熱，加熱后的水經(jīng)水泵和流量計由換熱器槽道的底部流入換熱器內(nèi)；同時，另一端冷水器內(nèi)儲存的冷水經(jīng)水泵和流量計流入蛇形管內(nèi)，與換熱器槽道內(nèi)的熱水逆流換熱，降低槽道內(nèi)熱水的溫度。圖3中，黑點表示布置溫度傳感器的位置。溫度傳感器用于測量蛇形管壁與進出口的溫度。換熱器參數(shù)如表2所示。

實驗熱水溫度共設(shè)置3個溫度值（40 ℃、45 ℃和50 ℃），冷卻水溫度為17 ℃，熱水進口流量為4個工況（10 L/min、17 L/min、20 L/min和22.5 L/min），冷水進口流量共4個工況（10 L/min、21 L/min、24 L/min、26 L/min）。實驗過程中保持其中

兩個參數(shù)不變，改變其中一個參數(shù)，分析變化規(guī)律。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 熱水流速對傳熱性能的影響

通過實驗數(shù)據(jù)可得到不同熱水流速下的管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)，分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，當(dāng)流速低于0.071 m/s時，隨著管外熱水流速的增加，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)明顯增大。這是因為在其他條件不變的情況下，增大熱水流速，雷諾數(shù)也隨之增加，使得換熱能力增強。在工程應(yīng)用中，可根據(jù)實際情況適當(dāng)提高熱水的流速。

3.2 冷水流速對傳熱性能的影響

對不同冷水流速下的管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)進行整理，可得到不同冷水流速下的管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)冷水流速低于1.11 m/s時，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨冷水流速的增加上升較為明顯；當(dāng)冷水流速高于1.11 m/s后，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增幅較小。因此，在實際應(yīng)用中保持冷水流速在1.11 m/s左右較為合理。

3.3 實驗與理論計算對比分析

根據(jù)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)所選擇的關(guān)聯(lián)式可對各實驗工況進行理論計算。通過對工況（熱水進口溫度為45 ℃，冷水進口溫度為17 ℃，熱水流量為24 L/min，冷水流量為20 L/min）的實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果進行對比，可得到表3.

由表3可以看出，將實驗計算得出的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)與理論計算得出的結(jié)果相對比，誤差均在5%以內(nèi)。驗證了分級水冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算選用的迪圖斯-貝爾特、茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式是比較準(zhǔn)確、合適的。

4 結(jié)論

通過本文的論述，可得出以下結(jié)論：①根據(jù)迪圖斯-貝爾特、茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式對瓦斯抽放泵循環(huán)水分級冷卻系統(tǒng)進行設(shè)計計算，得出分級冷卻系統(tǒng)設(shè)計換熱量為2 021.476 kW。②當(dāng)熱水流速低于0.071 m/s時，隨著管外流速的增加，冷卻系統(tǒng)管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)明顯增大。③當(dāng)冷水流速低于1.11 m/s時，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨冷水流速的增加上升較為明顯；當(dāng)冷水流速高于1.11 m/s后，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增幅較小。④對比實驗與理論計算結(jié)果得出，誤差在5%以內(nèi)，得出分級水冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算選用的關(guān)聯(lián)式是準(zhǔn)確、合適的，驗證了該分級水冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。

參考文獻

[1]王兆豐，劉軍.我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對策探討[J].煤礦安全，2003（4）.

[2]彭成.我國煤礦瓦斯抽采與利用的現(xiàn)狀及問題[J].中國煤炭，2007（2）.

[3]高廣忠.瓦斯抽放泵的水垢處理[J].煤礦機電，2010（2）.

[4]錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

〔編輯：劉曉芳〕

Experimental Study on the Circulating Water Classification Cooling

System of the Underground Mobile Gas Drainage Pump Station

He Guangyan， Liang Xiaobo， Chao Yang， Wang Taotao

Abstract： In this paper， aiming at the underground mobile gas drainage pump circulating water heating， the utilization of mine dust water gas drainage pump circulating water cooling stage solutions. In this paper， the correlations Dittus-Boelter， Zhukauskas of two-stage cooling system for heat transfer calculations， and the two stage water cooling system experimental study has been carried out. The results show that the accuracy of heat transfer calculation is high， and the feasibility of the design scheme of the two level water cooling system is verified by using the above two correlation formula.

Key words： coal mine gas； gas drainage pump； circulating water cooling； convection heat transfer