井下水力通風換熱機溫升效果研究

龔孔成

(江蘇省有色金屬華東地質勘查局,江蘇 南京 210007)

深部開采是礦業發展的必然[1-3]。而在金屬礦山深部開采過程中,礦井通風系統出入端通風阻力增大，占比高達 60%以上，導致通風成本急劇增加，同時，深井高溫導致工作面環境的惡化，為改善工作面溫度環境，需要增加風量以排出更多的熱量，對通風系統動力提出了更高的要求。深井熱水一直被認為是不利因素而加以控制，沒有從通風節能機理的角度研究溫度勢，實現高溫深井通風節能；我國已有地熱資源綜合利用的相關報道[4-6]。本研究利用溫差能驅動通風的原理，提出利用水力通風換熱機將地下熱水的勢能和熱能轉換為風流的動能和內能，并利用MATLAB進行相關數值模擬研究，優化相關參數，從而增強深井通風系統內溫差能驅動動力，以期達到深部礦井通風系統安全、高效、節能運轉的目的。

1 水力通風換熱原理

水力通風機基本結構如圖1。

利用礦山內部的熱源之一地下熱水通過引流管向下引流至位于回風井的水力通風換熱機，使其沖擊水輪機，引起葉輪高速旋轉并聯動上方扇風機葉片轉動，形成沿螺旋通道向上的風流。同時地熱水從水輪機底部向下流動,在換熱室內的螺旋曲面板片處積聚；已積聚的熱水又從螺旋曲面板上的許多小孔向下一塔節流動,在螺旋通道中形成熱水雨簾，并與沿螺旋通道向上的風流對流換熱,實現有效的熱交換過程。換熱后的風流經風筒注入巷道內，換熱后的熱水則由井下排水系統處理[7-10]。

圖1 水力通風換熱機構造

2 換熱風量確定

想要將換熱機產生的熱風來驅動深井通風系統，則必須要有一定的風量。根據位能轉化，換熱機的轉速n1的計算公式為[11]

(1)

式中，n1為水輪機轉速，r/min；ω為水輪機最優速度比，取ω=0.5[12-13]；φ為孔口流速系數，取0.97[14]；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為地下熱水水頭，m；D1為水輪機轉輪直徑，0.35 m。

換熱機理論風量的公式為[11]：

(2)

式中，Q為扇風機理論風量，m3/s；ε為風量系數，0.7；D2為扇風機葉輪外徑，1 m；n2為扇風機轉速， r/min。

設水輪機轉速n1等于扇風機轉速n2，因此聯立式(1)、式(2)得

(3)

化簡得

(4)

3 出風口溫度數值研究

將換熱機產生的熱風注入礦內回風道，提升回風道溫度，利用溫差能作為輔助深井通風動力來驅動深井通風系統。熱風溫度越高，兩股風流間的溫差能越大，通風動力越強。

3.1 數學模型

風流與熱水在換熱室的換熱過程包含了許多影響因素,但一些因素對模擬換熱影響很小,因此，為了方便，可進行一些簡化假設：①忽略風流中雜質及風流濕度的影響；②以湍流強迫對流傳熱形式換熱；③換熱過程無相變；④由于風流加熱前后密度變化微小，故可認為換熱器進出風口風量相等。

由牛頓冷卻公式：

φ=ah·S·Δt，

(5)

(6)

其中，

；

和熱平衡公式：

Qh=φT=mgcpgΔtg=mwcwgΔtw,

(7)

經過迭代運算可得：

；

(8)

上述式中，φ為對流換熱熱流量，kW；ah為對流換熱系數，kW/ (m2·℃)；S為對流換熱表面面積，m2；Δt為熱水與井下風流平均溫度之差，℃；tk、tkh分別為每次換熱前后風流的溫度，℃；ts、tsh分別為每次換熱前后熱水的溫度，℃；Qh為總對流換熱量，kJ；T為每次換熱氣液接觸時間，s；mg、mw為在時間T內參與換熱的風流、熱水的質量，kg；cp為空氣的定壓比熱容， 1 005 kJ/(kg·℃)；cw為水的定壓比熱容，4 200 kJ/(kg·℃)；Δtg換熱前后風流的溫差，℃；Δtw為換熱前后水的溫差，℃。

3.2 換熱過程參數確定

3.2.1 螺旋曲面板流過熱水的小孔的個數確定

換熱機每塊螺旋曲面板上含有60個半徑5 mm的圓形小孔，但實際流過熱水的小孔還需由熱水流量與水的流速等因素確定。假設水流從水輪機底部流向曲面板時，水流分布均勻，即塔節上每塊螺旋曲面板的水流量相等，則單個螺旋曲面板流過熱水的小孔個數可由下式確定：

(9)

式中，Qs為通過水輪機的總水流量，m3/s，其大小可由噴嘴處射流速度與噴嘴半徑確定；nl為1個塔節的塔板個數，18；rk為塔板孔半徑，0.005 m；vsl為水流從水輪機底部流向曲面板后的垂直向下速度， m/s。

忽略換熱機與熱水的摩擦阻力，并認為水流剛通過水輪機后，不具備向下的初速度，水流做自由落體運動由水輪機底部流向螺旋曲面板，則：

(10)

式中，tsl為水從水輪機底部到曲面板表面所用時間，s；hsl為水輪機底部到曲面板孔的垂直距離，0.2 m。

3.2.2 換熱總面積確定

熱水從螺旋曲面板小孔流出,形成液柱，進而流到下一塔節，液柱與風流接觸，完成一次換熱過程。液柱總的側面積就是換熱面積。設小孔直徑d，單個塔節高度為h，則換熱總面積S與小孔半徑rk、流過熱水的小孔個數nk、單個塔節高度h的關系為

S=nk·2πrkh.

(11)

3.2.3 氣液接觸時間T與風流的螺旋流速u確定

單個螺旋塔節展開圖為矩形，矩形對角線即為單個塔節所在的螺旋線[16]，矩形長為換熱機圓形機身周長，換熱機機身直徑為b,則每次換熱時風流流經的距離L為

(12)

換熱器通道流動截面積為一個圓環，其面積

rz為換熱機機柱半徑。則換熱室風流在豎直方向上的流動速度vs=Q/S,Q為換熱機風量大?。幻總€塔節內氣液接觸時間

；

風流的螺旋流速

3.2.4 T時間內換熱的風流和水的質量

風流量可以用在T時間內扇風機產生風流質量進行計算：mg=QggT，其中p為空氣密度；水的質量以T時間內噴嘴流過的水的質量計算：mw=QwgT。

3.3 換熱效果模擬計算

利用計算機軟件MATLAB7.0編寫了一個計算程序，用以實現換熱過程的迭代運算?；緟担核^H為260 m、地熱水溫度為55 ℃、空氣初始溫度為24 ℃，結果如表2所示。

表2 各層塔節風流溫度模擬計算結果

扇風機風量為54 m3/s；同時風流經過對流換熱，溫度最終上升到34 ℃左右。換熱室風流與風流換熱高度擬合曲線及擬合公式見圖2。觀察圖2可知，風溫隨換熱高度的增加而升高，且曲線的擬合程度接近于1，可認為換熱室風流溫度與換熱高度的變化為線性增加關系。

圖2 風流溫度隨換熱高度增加的變化曲線

4 不同因素對換熱機空氣升溫效果影響研究

為了確定各因素對換熱機內風流升溫效果的影響程度，進行了正交試驗[17]。選取了熱水水頭H、熱水溫度T1、換熱室進風溫度T23個因素，各個因素取3個水平，表3為各因素及其水平值。

表3 因素水平

研究采用L9(34)正交表，其評價指標為換熱室出風溫度，共進行了9次模擬試驗，表4為模擬結果。

表4 正交試驗設計方案直觀分析

由表4可知：若A、B、C分別代表熱水水頭、熱水溫度、進風溫度，取每個因素出風溫度最高的為優水平，則A3B1C1為最優水平組合，即換熱機最優外部環境條件為熱水水頭390 m，熱水溫度55 ℃，進風溫度為26 ℃。

觀察3個因素的極差值R可知，R(A)>R(C)>R(B)，因此換熱室出風溫度影響因素排序為A>C>B，其中影響最大的因素是熱水水頭。由表可看出，A、B、C3因素在表中呈現明顯的正相關關系；也就是說，通常情況下，其他條件不變，熱水水頭越大，換熱室出風溫度越高。熱水溫度、進風溫度這2因素也是如此。

5 結 論

(1)水力通風換熱機輸出風量與通風機的結構參數和水頭有關。因此對同一換熱機而言，輸出風量與熱水水頭成正比，換熱機輸出風量可達50 m3/s，可以明顯提升礦井通風系統中的溫差能。

(2)運用MATLAB軟件對特定參數下的換熱機風流升溫效果進行數值研究，空氣溫度升高了10 ℃，升溫效果良好。

(3)換熱機內風流升溫重要度排序為地下熱水水頭>進風溫度>地下熱水溫度>換熱高度。

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