熱管式礦井通風熱能自平衡系統設計與應用

王侃宏，趙東雪，羅景輝,2，劉 歡

(1.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038； 2.河北省暖通空調技術創新中心，河北 邯鄲 056038)

在我國北方地區，冬季煤礦礦井進風口風流未預熱前溫度一般會達到-20 ℃，甚至更低。《煤礦安全規程》第一百零二條規定：進風井口以下的空氣干球溫度必須在2 ℃以上。為了滿足要求，煤礦企業傳統的做法是通過燃煤鍋爐加熱礦井送風，采用燃煤鍋爐作為熱源的方式不僅會消耗大量的煤炭，也會排放大量的污染物且其經濟性較差[1-3]。隨著能源供應緊張和環境污染日趨嚴重，回收利用礦井回風低溫熱能具有重要的現實意義[4-6]。煤礦通過噴淋式礦井回風余熱提取技術利用水源熱泵生產熱水用于井口防凍[7]，但由于礦井回風中含有粉塵、酸性物質，容易造成管道、熱泵蒸發器堵塞或腐蝕；有些煤礦采用間壁式換熱器直接提取礦井回風的余熱，這種方式解決了管道、熱泵蒸發器的堵塞或腐蝕問題，但隨著長期運行，灰塵會在換熱器上堆積，導致整套系統通風風阻變大，也降低了換熱效率。

筆者所在課題組調查發現，回風井中風流的溫度一般在20 ℃左右且具有較高的濕度，蘊含大量可回收利用的熱量。一般情況下礦井的進風量大于回風量，結合換熱效率、回風中攜帶的潛熱等條件[8-10]，發現從回風中提取的熱量大于加熱環境空氣到2 ℃所需要的熱量。因此，利用一種熱量轉移裝置提取回風中的余熱并用于加熱環境空氣是可行的。

1 低溫熱管換熱器系統的工作機理

1.1 熱管的工作原理

熱管是通過相變潛熱來傳遞熱量的裝置，其導熱性能較好[11-15]。熱管的工作原理如圖1所示。

1—熱管；2—翅片；3—低溫流體；4—隔板；5—高溫流體；6—液態工質；7—氣態工質。

由圖1可見，液態工質在蒸發(受熱)段被熱流加熱蒸發至氣態，氣態工質在管內上升進入冷凝(放熱)段，在冷凝(放熱)段蒸氣被管外冷流體冷卻放出潛熱，凝結為液體，在重力的作用下返回到蒸發(受熱)段繼續吸熱蒸發，經過周而復始的循環，不斷地將熱量轉移。

1.2 熱管換熱系統的組成及工作原理

相變熱管具有高效的傳熱性能和等溫特性，主要依靠相變潛熱實現熱量的轉移。采用低溫相變熱管技術通過礦井回風加熱礦井進風的技術方案正是利用了熱管高效的傳熱性能和等溫特性，與傳統的換熱器相比其換熱效率更高，體積更小，不但能減少投資，還易于實現。

熱管換熱系統主要由進風鼓風機、回風引風機、熱管換熱器機組、蒸發器噴淋沖洗系統、回風口旁通控制系統、輔助加熱系統等組成，熱管換熱系統原理如圖2所示。

1—鼓風機；2—熱管冷凝段；3—進風管；4—引風機；5—熱管蒸發段；6—集水盤；7—集水盤出水口；8—回風管。

由圖2可見，礦井回風通過引風機加壓經過風道進入到熱管換熱器機組的蒸發段，熱管蒸發段吸收礦井回風的熱量在管內氣化上升至熱管換熱器機組的冷凝段，室外進風通過鼓風機經過風道進入到熱管換熱器機組的冷凝段，熱管冷凝段的介質被礦井進風冷卻成液態，介質回流至熱管蒸發段繼續吸收礦井回風的熱量，經過周而復始的循環不斷地將礦井回風余熱傳遞給礦井進風。經過熱管換熱器機組蒸發段的礦井回風直接排放到大氣中，經過加熱后的礦井進風被送入井筒，礦井回風中的凝結水被集水盤收集后送至蓄水池。

2 熱管換熱系統的設計

2.1 熱平衡計算

熱管換熱系統通過礦井回風中蘊含的熱量來加熱礦井進風，其實質是將礦井回風中提取的熱量傳遞至礦井進風，礦井回風與礦井進風相比具有溫度高、濕度大的特點，管內介質的溫度為5 ℃左右，礦井回風與熱管換熱器機組蒸發器之間既進行顯熱交換也進行潛熱交換。根據熱平衡理論，礦井回風的焓值等于熱管換熱器機組蒸發器吸收的熱量和凝結水所帶走的熱量，經過計算被冷凝水帶走的熱量極少，可以忽略不計。因此在計算礦井回風可被利用余熱時，可通過進入熱管換熱器機組蒸發器與離開熱管換熱器機組蒸發器的礦井回風的焓值差來計算。礦井進風側只進行顯熱交換沒有進行潛熱交換，在熱量計算時利用進入熱管換熱器機組冷凝器與離開熱管換熱器機組冷凝器的礦井進風的溫度差計算。由于熱管換熱器機組存在熱損失，需要考慮熱管換熱器的換熱效率。

冬季礦井回風的溫度在15 ℃左右，相對濕度在90%左右，經過取熱后回風的溫度一般不低于0 ℃即可，為了保證安全，取熱后回風溫度可按照 3 ℃，接近飽和狀態計算。筆者以取熱前礦井回風溫度為15 ℃、相對濕度為90%，取熱后礦井回風溫度為 3 ℃、相對濕度為100%為例進行熱平衡計算。熱管換熱器的換熱效率按照90%計算，礦井回風的風量一般都大于礦井進風量，為了確保安全，礦井回風量和礦井進風量都按100 m3/s計算。

礦井回風中可提取利用的有效熱量如下：

Q=ρ1V1(h2-h1)a

(1)

式中：Q為礦井回風中單位時間可提取利用的有效熱量，kJ/s；ρ1為礦井回風的密度，溫度為15 ℃、相對濕度為90%時的密度為1.2 kg/m3；V1為回風量，取值為100 m3/s；h2為取熱前礦井回風的焓值，溫度為15 ℃、相對濕度為90%時的焓值為39.60 kJ/kg；h1為取熱后礦井回風的焓值，溫度為3 ℃、相對濕度為100%時的焓值為14.90 kJ/kg；a為熱管換熱器機組的換熱效率，取值為90%。

將有關數據代入式(1)，計算可得礦井回風中可提取利用的有效熱量為2 668 kW。

環境初始溫度的計算公式如下：

Q=cρ2V2(t2-t1)

(2)

式中：c為空氣的比熱容，取值為1.01 J/(kg·℃)；ρ2為礦井進風的密度，溫度為-15 ℃、相對濕度為30%時的密度為1.36 kg/m3；V2為進風量，取值為100 m3/s；t2為加熱后礦井進風的溫度，取值為2 ℃；t1為加熱前礦井進風的溫度，℃。

經計算，在礦井回風溫度為15 ℃，相對濕度為90%的條件下，只要環境溫度高于-17.5 ℃就能夠將礦井進風加熱至2 ℃以上。

同理可推導出不同回風溫度下，能將礦井進風加熱至2 ℃時所對應的室外空氣溫度如圖3所示。

圖3 不同回風溫度下能將進風加熱至2 ℃時所對應室外空氣溫度曲線

2.2 熱管換熱系統布置及選型

換熱器的布置形式，礦井回風及進風的配合形式，以及熱管換熱器周圍風道的形狀都影響著換熱效果和通風阻力。集成低溫熱管換熱器機組布置如圖4所示。

圖4 集成低溫熱管換熱器機組布置圖

由圖4可見，為減小通風阻力，將低溫熱管換熱器周圍的風道設計成弧形，以避免渦流的產生。氣流流向對換熱效率有較大影響，為保證換熱效果，在氣流方向上應保證最先進入熱管蒸發段的氣流與即將離開熱管冷凝段的進風進行換熱，即將離開熱管蒸發段的回風與即將進入熱管冷凝段的進風進行換熱，這樣能夠最大限度地回收礦井回風的余熱。

由于礦井回風的風量較大，若總裝置由多根熱管直接組成，則會十分龐大，其加工、運輸及現場安裝都不便。熱管換熱系統為模塊化機組，根據環境空氣、加熱后進風、取熱前礦井回風、取熱后礦井回風的溫度、濕度對換熱器模塊選型。具體參數如下：礦井進、回風量均為100 m3/s；取熱前礦井回風的溫度為15 ℃、相對濕度為90%；取熱后礦井回風的溫度為3 ℃、相對濕度為100%；環境溫度為-17.5 ℃；加熱后空氣的溫度為2 ℃；換熱器的換熱量為2 668 kW。通過上述參數確定模塊的組數。

2.3 其他附屬設備布置位置及參數確定

1)風機布置位置及參數確定

在礦井通風系統中增加熱管換熱系統后，礦井進、回風側的阻力都會增加，為了保證正常通風且經過熱管換熱系統時熱管換熱器與通風換熱的均勻性，需在礦井回風出口的換熱器取熱之前均勻布置引風機，在室外新風進口的換熱器加熱之前均勻布置鼓風機。風機的風量由總風量、風機數量確定，風機的風壓由增加的送風管道長度及熱管換熱系統的阻力確定，進而確定風機的型號。

2)噴淋沖洗設備布置位置及參數確定

礦井回風中含有粉塵，在與熱管式換熱器換熱時會有粉塵在換熱器的翅片上堆積，長時間運行后，一方面會增加通風阻力；另一方面也會增加換熱器的熱阻，影響換熱效果。應定期對熱管蒸發段進行沖洗。熱管冷凝段流通的室外空氣，為干凈的空氣，不會有灰塵堆積，故不用清洗。

3)輔助熱源布置位置及參數確定

利用礦井回風加熱礦井進風，系統的適用性受礦井回風溫度和室外環境溫度影響。以上述所設溫度參數為例，當室外的空氣溫度低于-17.5 ℃時，不能滿足進風溫度為2 ℃的要求，同時后側熱管蒸發段溫度降至0 ℃以下，換熱器的翅片上會結冰，結冰增加了換熱器的熱阻進而會影響換熱效率，同時也會增大換熱器的運行阻力，長期運行還會造成通風安全事故。為了拓寬熱管換熱系統的應用領域或防止適用地區出現極寒天氣，需要在熱管換熱系統中增加輔助熱源，輔助熱源放置在進風入口，將進風加熱至-17.5 ℃后進入熱管換熱器機組。輔助熱源可采用電加熱器，也可將換熱升溫的礦井回風作為低溫熱源，輔助熱源的制熱量按照將新風由極端條件加熱至-17.5 ℃所需要的熱量配備。

4)回風擴散塔的設計

熱管換熱系統主要應用于冬季，并非全年運行，回風擴散塔的設計尤為重要，既要保證冬季礦井回風余熱的提取，又要保證非冬季節礦井回風的通暢。若直接將熱管換熱系統安裝在礦井回風口的正上方，則勢必會造成運行阻力增加，進而導致全年風機能耗增加。在原有出風口處上方接出一段風道，在風道的上部加裝液壓控制的風門，在風道的一側開口作為出風口，蒸發器(熱管換熱系統)安裝在出風口處。礦井回風與蒸發器直接換熱，在冬季風門關閉，礦井回風經側出風口排出；在非供暖季風門被打開，礦井回風不進入蒸發器直接排走，避免增加風阻，不額外增加風機的運行能耗。

2.4 熱管換熱系統設計中的關鍵問題及解決方案

在熱管換熱系統設計應用的過程中必須考慮以下關鍵問題：①通風氣流的均勻性問題；②蒸發器的清洗問題；③熱管換熱器機組的防凍問題；④非供暖季系統切換問題。

1)通風氣流均勻性的解決方案

在礦井回風出口的換熱器取熱之前均勻布置引風機，在室外新風進口的換熱器加熱之前均勻布置鼓風機。

2)蒸發器清洗的解決方案

定期對熱管蒸發段進行沖洗，熱管冷凝段不用清洗。

3)熱管換熱器機組防凍的解決方案

在熱管換熱系統中增加輔助熱源，輔助熱源放置在進風入口。輔助熱源可采用電加熱器，也可將換熱升溫的礦井回風作為低溫熱源。

4)非供暖季系統切換的解決方案

在原有出風口處上方風道的上部加裝液壓控制的風門，在風道的側邊開口設置出風口，蒸發器(熱管換熱系統)安裝在出風口處。在冬季風門關閉，礦井回風經側出風口排出；在非供暖季風門被打開。

3 熱管換熱系統運行費用分析

熱管換熱系統運行費用主要包括各運行設備的用電費用及人工費用。礦井回風源熱泵的COP為3.5，循環水泵的供回水溫差為5 ℃、揚程為20 m。平均電價為0.65元/(kW·h)。系統主要設備及運行120 d費用比較如表1所示。

表1 各系統運行費用 單位：萬元

由表1可見，與傳統的礦井回風源熱泵相比，低溫相變熱管換熱系統的運行費用低，120 d節約運行費用約為93萬元。

4 熱管換熱系統應用

熱管換熱系統在陽煤集團吳家掌風井得到應用。對系統的運行情況進行測試，測試時進、回風量分別為114、168 m3/s。在回風入口處、出口處，新風入口處、出口處分別設置溫度測點，對溫度進行實測，測試時間間隔為10 min。熱管換熱系統布置如圖5所示，熱管換熱系統各測點溫度如圖6所示。

圖5 熱管換熱系統布置示意圖

圖6 熱管換熱系統各測點溫度曲線

由圖6可知，當室外氣溫為-12.1～-5.2 ℃時，礦井回風溫度約為15 ℃。當室外氣溫為-12.1 ℃時，加熱后進風溫度為3.2 ℃，能夠滿足《煤礦安全規程》要求的進風溫度，熱管換熱系統的利用效率為80%。

5 結語

1)在進行熱平衡計算時，礦井回風中可利用的余熱量為取熱前礦井回風與取熱后礦井回風的焓差與風量的乘積，而不是取熱前礦井回風與取熱后礦井回風的溫差與風量的乘積。

2)采用低溫相變熱管技術提取礦井回風熱能并用于加熱礦井送風的技術方案可行，系統的適用性與礦井回風溫度和環境溫度有關，礦井回風溫度越高、環境溫度越高系統的效果越好。

3)熱管換熱器機組的防凍問題、氣流的均勻性問題、蒸發器的清洗問題、非供暖季系統切換問題都是設計中的關鍵問題，需要采取相應的措施。

4)低溫相變熱管技術的運行費用遠低于礦井回風源熱泵技術。