不同取熱方式對礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力的影響研究

文_霍海紅 司瑞江 關(guān)小枝

1 北京中礦賽力貝特節(jié)能科技有限公司 2 晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司

1 噴淋換熱系統(tǒng)阻力分析

噴水室是一種直接接觸式的熱、濕處理設(shè)備。冷凍水由噴水室的噴嘴噴出,使噴水室中充滿噴霧，與礦井回風(fēng)的空氣進(jìn)行熱濕交換。空調(diào)系統(tǒng)中主要目的為對空氣進(jìn)行降溫、除濕處理，同時對空氣起一定的凈化作用，而應(yīng)用于礦井回風(fēng)余熱利用系統(tǒng)時主要目的為對冷凍水的溫度進(jìn)行提升，從而達(dá)到回收回風(fēng)熱量的目的。噴水室由噴嘴、噴嘴排管、前、后擋水板、外殼、底池、水泵、循環(huán)水系統(tǒng)及附屬設(shè)備組成。通常的噴淋換熱系統(tǒng)的阻力主要由以下部分組成：

水苗阻力

噴嘴管排阻力

式中Z-管排數(shù)；v-噴水室斷面風(fēng)速，m/s。

擋水板阻力

式中 -擋水板阻力系數(shù)。

目前噴淋換熱系統(tǒng)的配置，b取值0.075，噴水系數(shù)通常為1.0，噴嘴壓力0.1MPa，管排數(shù)為2，擋水板阻力系數(shù)10，空氣密度取值1.28。將上式帶入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算整理得到公式（4），根據(jù)公式（4）計(jì)算噴淋換熱系統(tǒng)阻力如圖1所示，可以得知，噴淋系統(tǒng)的阻力主要和過風(fēng)風(fēng)速有關(guān)，只要控制噴淋換熱區(qū)域風(fēng)速在3.0m/s以下，則噴淋系統(tǒng)的阻力附加值80Pa以下。

圖1 噴淋換熱系統(tǒng)阻力圖

2 間壁式換熱器阻力分析

2.1 間壁式換熱器的技術(shù)原理

間壁式取熱器通常是充分利用乙二醇溶液在低溫下不易凝固，仍然具備很好的流動性能，因此采用乙二醇溶液作為取熱載體，礦井回風(fēng)專用乙二醇間壁式溶液換熱器與礦井回風(fēng)相連，低溫乙二醇溶液通過間壁式換熱吸取礦井回風(fēng)余熱，之后進(jìn)入熱泵機(jī)組，熱泵機(jī)組制取40～50℃熱水供采暖。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

不同乙二醇溶液濃度不同其冰點(diǎn)也不同，30%乙二醇溶液-14.1℃；在低溫運(yùn)行取熱工況下，乙二醇溶液溫度低于0℃，本身不會凍結(jié)凝固，加大了取熱溫差，礦井回風(fēng)冷凝釋放潛熱；乙二醇溶液在低溫運(yùn)行過程中，對礦井回風(fēng)進(jìn)行了冷凝除濕過程，回收了礦井回風(fēng)顯熱的同時也回收了潛熱。對于回風(fēng)溫度較高時也可以直接通水進(jìn)行換熱，此時設(shè)計(jì)工況要求供水溫度大于0℃，不可使得系統(tǒng)結(jié)冰。

間壁式換熱器的流動阻力可以根據(jù)下式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中 P2—間壁式阻力，Pa；Re—雷諾數(shù)，2000～50000; S1—縱間距，50mm；S2—橫間距，50mm；db—基管直徑，25mm；N—管排數(shù)，6～8；qm—質(zhì)量流量，6～8 kg/s。

通過分析數(shù)據(jù)計(jì)算，間壁式換熱系統(tǒng)的阻力主要取決于管排數(shù)和過風(fēng)流道的質(zhì)量流速，通常控制管排數(shù)為6～8排，質(zhì)量流速處于8 kg/s以下，則系統(tǒng)附加阻力在200 Pa左右。

3 熱管換熱器阻力分析

3.1 熱管工作過程

蒸發(fā)段的液態(tài)工質(zhì)吸收熱源的熱量后在氣液分界面上迅速蒸發(fā)汽化；汽態(tài)工質(zhì)在微小的壓差下經(jīng)絕熱段迅速到達(dá)冷凝段；冷凝段的氣態(tài)工質(zhì)向被加熱介質(zhì)放出熱量后迅速冷凝成液態(tài)；液態(tài)工質(zhì)經(jīng)吸液芯回流至蒸發(fā)段，再次在蒸發(fā)段吸熱汽化，如此循環(huán)不已，熱量便從一端傳到了另一端。

3.2 熱管特性

很高的導(dǎo)熱性；優(yōu)良的等溫性；熱流密度可變性；熱流方向的可逆性；熱二極管與熱開關(guān)性能；恒溫特性（可控?zé)峁埽?/p>

3.3 熱管換熱器阻力計(jì)算

熱管換熱的本體也是翅片管式換熱器，因此其阻力計(jì)算可以參考間壁式翅片式換熱進(jìn)行計(jì)算，但是由于熱管換熱器通常是蒸發(fā)段和冷凝段的過風(fēng)流量不相同，因此需要對蒸發(fā)段和冷凝段進(jìn)行分開計(jì)算。根據(jù)熱管定型尺寸進(jìn)行計(jì)算后得出圖2及圖3所示的阻力曲線圖。從兩圖可以得知，熱管換熱器的主要阻力和過風(fēng)風(fēng)量密切相關(guān)，冷凝段的阻力在額定工況其阻力可以控制在200Pa以下，蒸發(fā)段的阻力在額定工況其阻力可以控制在150Pa以下。

圖2 冷凝段阻力圖

圖3 蒸發(fā)段阻力圖

4 結(jié)語

通過上述分析證明噴淋式換熱系統(tǒng)的阻力在噴淋換熱系統(tǒng)裝置內(nèi)部設(shè)備定型時，主要取決于噴淋斷面的過風(fēng)風(fēng)速，控制噴淋換熱區(qū)域風(fēng)速在3.0m/s以下，則噴淋系統(tǒng)的阻力附加值可以有效控制在80Pa以下。間壁式換熱器和熱管換熱器都是翅片式換熱器組成形式，兩者阻力附加值和眾多因素相關(guān)，對附加阻力起決定性作用的參數(shù)為管排數(shù)和過風(fēng)風(fēng)速，其中間壁式換熱器的附加阻力通常控制管排數(shù)為6～8排，質(zhì)量流速處于8kg/s以下，則系統(tǒng)附加阻力在200Pa左右。熱管換熱器的附件阻力需要分蒸發(fā)段和冷凝段分別分析，在熱管換熱器的額定過分風(fēng)速下，冷凝段附加阻力可以控制在200Pa以下，蒸發(fā)段的附加阻力不超過150Pa。因此，在設(shè)計(jì)噴淋換熱系統(tǒng)和間壁式換熱系統(tǒng)時，間壁式系統(tǒng)的附加阻力相對較大需要針對性分析其對原有礦井通風(fēng)主扇的影響并采取一定的措施。設(shè)計(jì)熱管式換熱器時其附加阻力介于噴淋系統(tǒng)與間壁式系統(tǒng)之間，相對而言冷凝段的附加阻力稍大，可以設(shè)置局部送風(fēng)機(jī)進(jìn)行正壓送風(fēng)，蒸發(fā)段的附加阻力不大設(shè)計(jì)時可考慮由通風(fēng)主扇克服不再另行配置局扇。

本文主要對現(xiàn)有余熱回收系統(tǒng)中三種不同取熱方式對礦井通風(fēng)系統(tǒng)阻力起決定性影響因子進(jìn)行了分析討論，熱回收系統(tǒng)對于礦井通風(fēng)系統(tǒng)形成附加阻力尚有眾多限制因素與附加影響，尚需進(jìn)一步分析論證。