節能型礦井排風熱提取系統及風—水參數耦合優化探究

武夢婷 范帥杰 吳漢 陳世強

摘 要：為了突破排風與水壓運行參數匹配的傳統試湊法，縮短參數優化匹配耗時，達到更加高效地進行熱濕交換，特設計礦井排風熱提取系統。并進行單噴嘴上噴液滴群實驗，運用控制變量法，在不同的噴嘴壓差下，改變主通風機風量，由馬爾文激光粒度分析儀測得在不同風量條件下噴水室各點的噴霧液滴粒徑數據，繪制關聯曲線圖進行分析，得出排風與噴淋水的優化運行參數。

關鍵詞：礦井排風熱提取系統;單噴嘴上噴液滴群實驗;優化運行參數

在礦井開采生產體系中，地面新鮮空氣傳輸至井下，稀釋瓦斯、煤塵并帶走余熱、余濕，經排風井排出。在極少數工程中，運用礦井排風熱提取裝置提取蘊藏在排風中的低品位熱能，用于礦區供熱或者井筒防凍等[1]。此裝置一般均將噴水管組布置在擴散器頂部，向下噴出水滴，下噴式供給循環水[2-3]。但是，存在水苗阻力大、實際運行效率低等問題。為了解決上述問題，有研究者提出了順流上噴式裝置，但是，對于該裝置內的液滴形成、液滴群運移過程與排風流動優化等問題仍未完全解決。為此，本文主要從排風參數-液滴群參數優化的角度開展理論分析、數值計算和實驗實測，并將得出的結論應用到礦井排風熱提取系統中，指導系統的運行和調節。

1 礦井排風熱提取系統的提出

順流上噴式礦井排風熱提取裝置由擴散器、主通風機、噴淋排管、集水池、沉淀池、變頻水泵和熱品位提升設備（水源熱泵）共同構成。風-水參數耦合優化控制裝置由風速傳感器、信號處理器、自動控制設備、變頻水泵和信號傳輸線纜構成。風-水參數耦合優化控制裝置與礦井排風熱提取裝置共同協作構成礦排井風熱提取系統。

2 單噴嘴上噴液滴群實驗與風水參數優化

在溫差和濕度一定的情況下，液滴粒徑的大小是影響換熱效率的主導因素。而影響液滴粒徑大小的主要因素為排風參數和噴淋水參數。為了探究上噴式裝置排風風量、風速和噴嘴壓差與液滴粒徑大小之間的關系，特開展了單噴嘴上噴液滴群實驗。在噴嘴水壓分別為0.15MPa、0.2MPa和0.25MPa三種工況下，通過馬爾文激光粒度分析儀測量噴水室內七個測量點在不同風量的情況下的粒徑變化，進行分析從而獲得風-水運行參數優化點。本實驗所選風量為30%、35%、40%、45%、50%、55%和60%，所對應風速分別為4.3m/s、4.4m/s、4.6m/s、5.1m/s、5.6m/s、5.8m/s、5.9m/s。所選測量點為沿噴霧流線距噴嘴35、45、55、65、75、85、95cm處，測量數據選取D[3][2]（索特平均直徑）作為統計數據，數據統計見圖1～圖3。

3 實驗結果與分析

（1）以工況條件為壓力P=0.25MPa，風速為30%為例，在距噴嘴30-100cm的范圍內，噴霧粒徑呈現增大-減小-增大-減小的變化過程。由圖2可知液滴粒徑的變化趨勢基本一致，且對比發現，當噴霧壓力在0.25MPa時液滴粒徑最小，0.15MPa時液滴粒徑最大。由此得到隨著壓力的增加，液滴粒徑減小。

（2）霧化噴頭的壓力為0.15MPa和0.25MPa時，風速為30%時液滴的索特直徑最小;而在壓力為0.20MPa，風速為35%時液滴的索特直徑最小。

4 結論

由研究可知，噴嘴壓差一定的情況，存在一個較為合理的排風流速范圍，即風-水參數之間耦合優化。在噴霧壓差不變的情況下，從風量的角度看，存在最佳風量與之匹配;如果從噴嘴壓差的角度看，在礦井排風量一定的情況，必定存在與該排風匹配的最佳噴嘴壓差。從目前的數據來看，還無法得到最佳的風量-水壓組合，但是可提供優化值范圍，得出噴淋水壓的避免選擇方案。因此根據實驗結果，在液滴粒徑相差不大的情況下，應盡可能選擇噴嘴水壓小的工況。通過調節噴嘴壓差或調節運行風量，實際上，就是風-水參數耦合優化方法。

參考文獻：

[1]陳世強，陳友明，崔海蛟.上噴式礦井排風熱回收裝置內液滴運動模型及其優化計算[J].安全與環境學報，2015，15（04）：78-82.

[2]NIU Yongsheng（牛永勝），WANG Jianxue（王建學）.Recycling of mine waste heat in Zhujixi Coal Mine[J].Safety in Coal Mines（煤礦安全），2012，43（9）：194-196.

[3]LIU Jiangong（劉建功）.Study and practice of low-carbon ecologi-cal mining construction of Jizhong Energy Group[J].Journal of China Coal Society（煤炭學報），2011，36（2）：317-321.