逆流閉式換熱原理礦用冷卻水塔研究與應用

毛乾宇 ，譚 震 ，王文學

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司，陜西 神木 719300）

我國主要煤田地質構造復雜，多存在高瓦斯、高地應力、高地溫等自然災害。為預防災害發生，煤礦大型鉆機、抽采系統、防滅火注氮系統等在煤礦生產中裝備數量不斷增多。此類系統及裝備井下生產作業時自身會產生大量熱，需冷卻降溫保證設備正常平穩運行；冷卻效果直接影響了設備能否高效工作以及使用壽命；因此高自動化機械化煤礦生產對冷卻系統提出了更高的要求[1-4]。

目前煤礦井下大型設備主要冷卻方式為將井下供水管路中的水通入待冷卻設備換熱器進行水冷。冷卻水作為廢水直接排放，廢水不能及時冷卻無法循環利用，造成了水資源的浪費，提高了生產成本。直通設備換熱器的冷卻水由于水中含有較多雜質及礦物質會在使用過程中在冷卻器中形成水垢，縮短設備冷卻器的使用壽命[5]。然而地面常用的冷卻水塔，因體積大及防爆問題一直未在井下應用。為此，基于逆流閉式冷卻熱交換方式的研究與應用，提出了一種適用于煤礦井下環境的礦用冷卻水塔，實現低耗水量、高效率的可靠冷卻方式；并通過建立礦用冷卻水塔三維模型進行流體力學及熱力學模擬研究，對礦用冷卻水塔耗水量的影響因素進行針對性優化。

1 技術研究

1.1 冷卻水塔的選型

冷卻水塔廣泛應用于工業中，按循環水是否與空氣直接接觸可分為：密閉式冷卻塔與敞開式冷卻塔。由于煤礦井下空間小、環境惡劣、水質較差且空氣中可能存在有煤塵、易燃易爆氣體。閉式冷卻塔因采用封閉式循環冷卻，使用軟水或乙二醇等冷卻介質循環冷卻，在高溫時冷卻管路內壁無結垢，可避免因冷卻管路系統結垢影響冷卻效果。被冷卻介質因無光照射且不與空氣接觸，所以不會產生藻類和鹽類結晶，“無須除藻、除鹽”，從而保障系統高性能運行。另外，不存在雜物進入冷卻管路系統，從而發生管路堵塞的現象；并且占地面積小，不需開挖水池，易址方便，用水少，能耗低。按照冷卻水與空氣的流動方式可分為：逆流式、橫流式、混流式冷卻塔。橫流式與混流式冷卻塔能源消耗相對較高，體積較大。因此逆流閉式冷卻水塔結構緊湊，體積小，效率高更適合煤礦工況。

1.2 工作原理

逆流閉式冷卻水塔原理圖如圖1。

圖1 逆流閉式冷卻水塔原理圖Fig.1 Schematic diagram of counterflow closed cooling tower

逆流閉式冷卻水塔工作時，待冷卻的流體在熱交換器蛇形盤管內部流動，外部有噴淋系統持續濕潤盤管表面。干燥（低焓值）的空氣經過風機自進風口進入冷卻塔；飽和蒸汽壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動，濕熱（高焓值）的水自噴淋系統灑入塔內。當水滴和空氣接觸時，由于空氣與水直接傳熱，同時因水蒸氣表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產生蒸發現象，將水中的熱量帶走即蒸發吸熱，從而達到降溫目的。

1.3 總體方案設計

因煤礦井下巷道空間有限，設備及材料的運輸主要依賴副井的礦車及平板車運輸。因此逆流閉式礦用冷卻水塔對體積、質量、移動及安裝錨固方面提出了更高要求。總體設計時充分考慮各部件與整機上的相對位置及外形尺寸。并要考慮逆流閉式礦用冷卻水塔在煤礦井下使用時散熱問題。總體原則為在滿足技術要求的前提下結構盡量緊湊，中型煤礦的井下冷卻水塔長寬高應控制在4 m×1.5 m×2.5 m 內。逆流閉式礦用冷卻水塔結構圖如圖2。

圖2 逆流閉式礦用冷卻水塔結構圖Fig.2 Structure diagram of counterflow closed mine-used cooling water tower

外殼布置在集水槽上方，外殼與集水槽中間布置進風格柵，風機模組布置在外殼上方。在風機運行時，風可通過外殼下方的進氣格柵進入裝置內再由風機口排出，形成熱交換的風流。冷卻循環水由循環泵壓入噴淋管路從噴淋頭噴出，對表冷器及其上方的空間進行均勻布水。噴淋時表冷器盤管上形成1 層水膜，對表冷器內封閉內循環冷卻介質進行冷卻。

1.4 節水性能

冷卻水塔內排出的濕熱空氣中所攜帶的水分，一部分是混合于空氣中的水蒸氣，它不能通過機械的方法從空氣中分離出來；另一部分是隨氣流帶出的細小水滴，通常可用收水器來捕獲這部分水分。收水器給上升氣流所攜帶的飄散水滴提供了1 個可撞擊表面，使水氣產生慣性分離，撞擊后的水摘由小變大，順著收水器落回到集水槽中。據大量的資料證明，裝收水器后冷卻水塔的溢出水率（或風吹損失率）由無收水器的0.10%～0.30%（占循環水量的百分比）降到0.005%～0.010%[6]。使用收水器可減少外循環水使用量起到節水的目的。

逆流閉式礦用冷卻水塔為有效節約井下水資源，減少冷卻過程中的用水量，要減少水正常吸熱蒸發為水蒸氣后排出塔外過程中氣流中夾帶的液態水滴。重點對收水器進行研究設計，優化收水器結構提高效率。

逆流閉式礦用冷卻水塔排出濕熱空氣中所挾帶的水滴多少，與塔內的風速、風筒內風速和淋水密度有關。在選擇收水器形式時，應根據對水量損失要求的嚴格程度和通風壓力損失的要求等因素來確定，一般不允許有明顯的飄水現象。收水器的設計原理是基于冷卻塔內氣流的抽力與阻力之間的相互協調。氣流阻力增大會使冷卻水溫升高，而濕熱空氣中的水滴被攔截后，上升空氣密度減小，因此冷卻裝置的抽力增大。抽力增大可使水汲降低，所以收水器裝置起到抽力、阻力和冷卻水溫三者間進行自動協調平衡的作用，其作用的結果基本達到了抽力和阻力的平衡，而不會影響冷卻水塔的正常經濟運行。

為研究逆流閉式礦用冷卻水塔收水器提高收水效率，使用Ansys Fluent 軟件對不同種類收水器簡化模型進行仿真模擬，對比分析模擬結果。收水器中液滴的游走速度對比圖如圖3，收水器轉向區內設置導流板對比圖如圖4。

圖3 收水器中液滴的游走速度對比圖Fig.3 Comparison diagrams of travel velocity of droplets in a water collector

圖4 收水器轉向區內設置導流板對比圖Fig.4 Comparison diagrams of setting guide plates in turning area of the water collector

由圖3 可以看出：改良型收水器對折流板的邊界進行鈍化，出氣流游走更加平緩，較少出現高速區，可以有效改善由于過快氣流造成的再夾帶水滴導致的收水器效率降低問題。

由圖4 可以看出：安裝導流板后可明顯發現氣流在接觸導流板后出現第1 個高速區，所不同的是銳化邊界的收水器模型中安裝的導流板會導致多個高速流體區，一方面使得收水器產生較大的壓降，另一方面也使得收水器中易產生再夾帶；而鈍化邊界的收水器，即使安裝導流板也僅僅出現第1 個高速區，而后續的流體則將會變得較為平緩，因此液滴在第1 個高速區間過程中被大量捕捉，不僅降低了收水器的壓降同時也提高了收水器的收水效率。

綜上，采用鈍化的邊界代替銳化邊界可以有效降低冷卻水塔的壓降；通道內設置導流板可提高收水器收水效率。

1.5 方案仿真及優化

逆流閉式礦用冷卻水塔從結構參數與運行參數2 方面考慮，首先分析了結構參數和運行參數對冷卻性能的影響，從中選取性能優化的變量，建立性能優化模型。針對閉式冷卻裝置中蒸發冷卻盤管，以盤管的換熱面積作為目標函數，對方案進行優化。通過性能參數的調整，一方面旨在降低盤管的設計換熱面積，達到節省換熱材料降低制造成本的目的；另一方面降低換熱部件的壓降，使用功率更小的風機和水泵，達到節電節水節能的目的[7]。

逆流閉式礦用冷卻水塔模擬的速度場和壓力場如圖5 和圖6。

圖6 壓力場模擬圖Fig.6 Pressure field simulation diagram

從圖5 中可以看出，在每支管束上側均形成明顯背風區域，在這個區域中空氣幾乎不經過盤管背面，因此這個區域中流體很難被蒸發。

從圖6 中可以看出，空氣在管束中運動，會形成較大的壓降，這個壓降隨著管束層數的增加逐漸增加，并且以階梯性的趨勢遞增；此外，管束的壓力降隨管束之間縱向高度的影響最為明顯，當二者之間的距離增加時，壓降明顯降低。

當管徑變大時，在其他結構參數和運行參數不變的前提下，管徑增大導致空氣掠過盤管表面的時間增加，使噴淋水在塔體內的蒸發量增加，即蒸發冷卻能力增強，傳質系數提高；與此同時，由于管徑變大，在循環冷卻水量和盤管表面積不變的前提下，水的流速減小，使得流體湍流度降低，盤管內水與管壁間的換熱能力下降，換熱系數減小。因此，在對盤管進行優化時，要同時考慮管徑的變化分別對傳熱系數和傳質系數的影響，使其在某一范圍內達到最優值[8-9]。據以上2 種模擬仿真對逆流閉式礦用冷卻水塔進行了整體結構優化布局。

2 井下試驗

工業試驗選擇山西晉城某煤礦，該礦目前有多套煤礦用移動式膜分離制氮裝置及空壓機，目前冷卻方式采用的是直通靜壓水冷卻，空壓機技術要求單臺冷卻水流量為30 m3/h[10]。目前礦井供排水系統負荷較大，急需解決目前空壓機冷卻用水量大、換熱器結垢嚴重的問題。

為保證逆流閉式礦用冷卻水塔冷卻效果，需要將其布置在通風良好風量充足的巷道里內，使冷卻水塔排出帶有熱量的水蒸氣被巷道內風流帶走，否則會導致冷卻水塔周邊溫度及空氣濕度增高影響散熱效果。

安裝調試后在制氮機空壓機連續運轉標準工況下，觀察冷卻水塔的使用效果。對冷卻水溫度與主機溫度的變化進行監測，冷卻水溫度與主機溫度關系如圖7。

圖7 冷卻水溫度與主機溫度關系Fig.7 Relationship between cooling water temperature and host temperature

為準確計算冷卻水塔耗水量，每隔1 h 人工對冷卻水塔集水槽進行補水，在8 h 內補水量總計為5.3 m3。經每日3 班多日測試，實際日補水量平均值在15 m3左右。補水量隨時間變化圖如圖8。

圖8 補水量隨時間變化圖Fig.8 Diagram of water replenishment amount over time

在試驗中逆流閉式礦用冷卻水塔對空壓機進行行冷卻連續運轉1 個月期間，各設備運行穩定。冷卻效果達到預期，冷卻塔設計流量40 t/h，冷卻水熱平衡溫度穩定在35 ℃左右。噴淋冷卻水消耗量為0.66 m3/h。原有直通靜壓水冷卻每小時耗水約30 m3/h，日耗水約720 m3。因此新型冷卻裝置的使用每日可節水約700 t。因采用了封閉式冷卻水循環，并對冷卻水進行了軟化延緩了結垢速度，目前冷卻器內無明顯結垢。閉式冷卻循環內幾乎無冷卻水損耗，在使用時定期觀察冷卻水水位如有損耗進行少量補充即可[9-10]。

3 結 語

將逆流閉式換熱原理礦用冷卻水塔引入煤礦井下，可有效解決煤礦井下高發熱量設備冷卻過程耗水量大、井下供排水系統負擔沉重、設備換熱器易結垢壽命短的技術難題；實現了煤礦井下適用范圍廣、低消耗、高效率的冷卻方式，可為煤礦井下空壓機、液壓、泵送系統的冷卻提供技術保障。