矿山深部开采水力通风的螺旋塔板换热结构研制与试验.pdf

中图分类号 Q 墨5 3 U D C 硕士学位论文 学校代码l Q 5 3 3 密级公珏 矿山深部开采水力通风的螺旋塔板换热结构 研制与试验 T h ed e v e l o p m e n ta n dt e s to f h y d r a u l i c v e n t i l a t i o n s p i r a l t r a yh e a tt r a n s f e rs t r u c t u r eo nt h ed e e pm i n i n g 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 郭琪 安全工程 资源与安全工程学院 黄锐副教授 论文答辩日期幽，了答辩委员会主席二差望丝 中南大学 2 0 1 3 年5 月 原创性声明 ～／／1y111／／嫂／1111／11／111／1111／／／／／／／墼11／／I／／11／／／11_／／／I／ 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 储龆弘新签名拙蹶丝程月上 中南大学硕士学位论文摘要 矿山深部开采水力通风的螺旋塔板换热结构研制与试验 摘要随着矿井开采深度的不断增加，矿井高温热害问题直接影响 着工人的工作环境及安全生产。鉴于此，本课题小组己结合矿井 人工制冷降温技术和水能利用理论，完成了一套深井局部水力通 风降温高效联合技术方法，并设计及制造出一台水力通风换热样 机。但测试实验结果表明该装置存在通风量过小、风道涡流阻力 过大、布水不均等问题需要改进。本论文通过大量的文献研究决 定对水力通风换热机进行换热结构改造并进行室内模拟实验，主 要研究内容及得出的结论如下 1 根据国内外高温深井制冷的研究现状，总结分析矿山水 能利用现状及气液对流换热实践经验与应用理论，同时介绍了水力 通风换热机的基本原理和主要功能。水力通风换热机主要由动力系统、 气液换热系统、供水系统三部分组成。热空气和冷水的气液对流换热 主要在换热室内。本研究为深井通风降温提供了一种新技术、新方法。 2 确定矿井制冷通风系统各主要参数 如温度、压力、密 度等 对能量的影响，对热力学第一定律、热力学第二定律、熵 增原理、熵与能量的关系及对流换热理论进行深入研究分析，为 水力通风换热机的能量转换研究奠定理论基础。 3 明确水力通风换热机各基本性能参数与动力效率和换热 效率的联系，确定该装置中熵的组成，并以提高换热效率为目的 提出了在换热室内增加螺旋浇淋板式换热结构的设想 4 通过分析螺旋气液对流对通风性能及换热效率的影响， 参照螺旋浇淋板式换热结构，设计出合理的螺旋塔板结构，确定了 螺旋塔板形状、高度及小孔数目、螺旋线的位置等，选择合适的 工艺制造螺旋塔板并对水力通风换热机进行了组装。 5 制定改装前后换热机的对比实验方案，利用能量守恒及 熵增原理，分析装置性能，实验证明，螺旋塔板增加可将能量利 用率提高2 5 ．5 ％，达到设计要求。 关键词水能利用，水力通风换热机，螺旋塔板，熵增原理，对流 换热 分类号T D 8 5 3 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T T h ed e v e l o p m e n ta n dt e s to fh y d r a u l i cv e n t i l a t i o ns p i r a l t r a y h e a tt r a n s f e rs t r u c t u r eo nt h ed e e pm i n i n g A b s t r a c t W i t hi n c r e a s i n gd e p t ho fm i n em i n i n g ，t h ep r o b l e mo fh i g h t e m p e r a t u r eh e a t - h a r m h a sad i r e c ti m p a c to nt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t a n ds a f e t yo fw o r k e r si np r o d u c t i o n ．I nv i e wo ft h i s ，t h er e s e a r c ht e a mh a s c o m b i n e d t h e o r y o fm i n ea r t i f i c i a l r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y a n d h y d r o p o w e r ，c r e a t i n gal o c a lh y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n d e f f i c i e n tc o o l i n g t e c h n i c a lm e t h o do nd e e pm i n e ．A tt h es a m et i m e ，t h er e s e a r c ht e a mh a s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dah y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n dh e a tt r a n s f e r m a c h i n e ．T e s t i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e v i c en e e d st ob e i m p r o v e d ．b e c a u s et h ed e v i c eh a ds o m ep r o b l e m s s u c ha ss m a l l v e n t i l a t i o n ，l a r g er e s i s t a n c ea n du n e v e nw a t e rd i s t r i b u t i o n ．T h r o u g h e x t e n s i v el i t e r a t u r e ，t h i st h e s i sw a sd e c i d e dt ot r a n s f o r mc o n v e c t i o nh e a t t r a n s f e rs t r u c t u r ei nh y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm a c h i n ea n d d os o m el a b o r a t o r ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ．1 1 1 em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 I na c c o r d a n c ew i t ht h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e f r i g e r a t i o na b o u t h i g ht e m p e r a t u r ed e e pw e l la th o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h e c u r r e n ts i t u a t i o no fm i n ew a t e r p o w e ru t i l i z a t i o na n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e a n dt h et h e o r yo f g a s l i q u i dc o n v e c t i o n ．A tt h es a m et i m e ，i ti n t r o d u c e d t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h em a i nf u n c t i o no ft h eh y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n d h e a tt r a n s f e rm a c h i n ew h i c hi sm a i n l yc o m p o s e db yt h r e ep a r t s ．T h e ya r e t h ep o w e rs y s t e m ，g a s - l i q u i dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rs y s t e ma n dw a t e r s u p p l ys y s t e m ．1 1 1 eg a s l i q u i dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro f t h eh o ta i ra n d c o l dw a t e rW a sm a i n l yi nh e a te x c h a n g e rc e l l ．1 1 1 i ss t u d yp r o v i d e dan e w t e c h n o l o g yf o ra e r a t i o nc o o l i n gi nd e e pw e l l ． 2 T od e t e r m i n et h ei n f l u e n c eo ft h em a i np a r a m e t e r s s u c ha s t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，d e n s i t y , e t c ． o fm i n er e f r i g e r a t i o n v e n t i l a t i o n s y s t e ma b o u te n e r g y ，t h ef i r s tl a wo ft h e r m o d y n a m i c s ，t h es e c o n dl a wo f t h e r m o d y n a m i c s ，t h ep r i n c i p l eo fe n t r o p y , e n t r o p ya n de n e r g yr e l a t i o n s a n dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rt h e o r yw e r ei n - d e p t hr e s e a r c h e da n d a n a l y s e s ．n i sr e s e a r c h l a i dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r e n e r g y c o n v e r s i o no ft h eh y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm a c h i n e ． I I I 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T 3 T h ec o n t a c t o fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nt h eh y d r a u l i c v e n t i l a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm a c h i n ea n dp o w e re f f i c i e n c ya n dh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c ya n dac l e a rc o m p o s i t i o no ft h e e n t r o p yi nt h ea p p a r a t u s w e r ed e f i n e d ．I no r d e rt oi m p r o v et h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y ，t h et h e s i s p r e s e n t e dt h ee n v i s a g e dt h a ti n c r e a s i n gt h ep l a t eh e a te x c h a n g e rs t r u c t u r e o fs p i r a la n dp o u r i n go v e ri nt h eh e a te x c h a n g e rc e l l ． 4 B ya n a l y z i n gt h ei m p a c to ft h e v e n t i l a t i o np e r f o r m a n c ea n d e f f i c i e n c yo fh e a tt r a n s f e ra b o u tt h es p i r a lg a sl i q u i dc o n v e c t i o na n d r e f e r e n c i n gt h ep l a t eh e a te x c h a n g e rs t r u c t u r eo fs p i r a la n dp o u r i n g ．T h e r e a s o n a b l es p i r a lp l a t es t r u c t u r ew a sd e s i g n e d ．M e a n w h i l et h es p i r a lp l a t e s h a p e ，h e i g h t , o r i f i c en u m b e ra n dh e l i xp o s i t i o nw e r ed e t e r m i n e d ．T h e n t h ea p p r o p r i a t em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sW a ss e l e c t e dt om a k es p i r a l c o l u m np l a t e st h a tw e r ea s s e m b l e di nt h eh y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n dh e a t t r a n s f e rm a c h i n e ． 5 C o n t r a s te x p e r i m e n t a ls c h e m ew a sd e v e l o p e db e f o r ea n da f t e r h e a tt r a n s f e rm a c h i n ew a sr e e q u i p p e d ．C o n s e r v a t i o no fe n e r g ya n dt h e p r i n c i p l eo fe n t r o p yw e r eu t i l i z e dt oa n a l y s i sd e v i c ep e r f o r m a n c e ．T h e e x p e r i m e n t ss h o w e d t h a ts p i r a lt r a y sc o u l di n c r e a s et h ee n e r g yu t i l i z a t i o n r a t ei n c r e a s e db y2 5 ．5 ％t h a tm e e t e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ． K e yw o r d s W a t e r p o w e ru t i l i z a t i o n ，T h eh y d r a u l i cv e n t i l a t i o na n dh e a t t r a n s f e rm a c h i n e ，S p i r a lc o l u m np l a t e ，E n t r o p yI n c r e a s eP r i n c i p l e ， C o n v e c t i v eH e a tT r a n s f e C l a s s i f i c a t i o n 田D 85 3 I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目勇乏⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i 主要符号表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯a 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 课题研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 课题研究的目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 课题研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．3 ．1 水能利用的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．3 ．2 对流换热的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 ．3 水力通风换热机工作原理及结构介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．5 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．5 ．1 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 1 ．5 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2矿井制冷通风系统能量利用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 矿井制冷通风系统主要状态参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l2 2 ．1 ．1 温度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l2 2 ．1 ．2 压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．1 ．3 湿度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 2 ．1 ．4 比容或密度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．1 ．5 内能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 0 1 ．6 焓⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．1 ．7 熵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 能量利用理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．1 热力学第一定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．2 热力学第二定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．2 ．3 熵增原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．4 熵与能量的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 中南大学硕士学位论文 目录 2 ．3 对流换热理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 水力通风换热机能量转换分析及螺旋浇淋板式换热结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．1 换热机样机及设备参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 换热机的关键性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 水头⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．2 转速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．3 流量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 ．4 风压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．2 ．5 功率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．6 动力转换效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 ．7 换热效率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 换热机熵分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 螺旋浇淋板式换热结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 换热流体的基本流动形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．2 换热结构的种类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．4 ．3 集喷淋换热原理、塔式螺旋通道为一体的螺旋浇淋板式换热结构设想⋯．3 4 3 ．4 ．4 螺旋浇淋板式换热结构的特点及优越性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 螺旋塔板的初步设计及制造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 螺旋塔板的初步设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．1 螺旋塔板的设计依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 ．2 螺旋式塔板结构对换热机通风性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．1 ．3 螺旋式塔板结构对换热机换热效率的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 螺旋塔板的具体设计与制造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．1 螺旋塔板高度及螺旋曲面板个数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．2 ．2 螺旋线的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．3 单个螺旋曲面板的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．4 单个螺旋曲面板孔个数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2 ．5 螺旋塔板制造关键技术探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 水力通风换热机改装前后实验研究及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．2 实验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 中南大学硕士学位论文 目录 5 ．3 相关参数测量方法及仪器介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．4 实验步骤及说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．5 实验结果处理及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．5 ．1 数据预处理与说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．5 ．2 水力通风换热机改装前后性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．5 ．3 水力通风换热能量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．6 水力通风换热机改装前后综合评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．7 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．1 论文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．2 论文主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．3 研究工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 附录实验数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 攻读硕士期间主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 中南大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 旷单位时间内的对流换热量，W ； 七．一传热系数； △广对流载体表面的温度差，℃； 卜固体或液体的表面积，m 2 ； T 一热力学温标，K ； t _ 摄氏温标，℃； B 一比例常数； 圪一水蒸气的分压力； 弋一千空气的分压力； ‰一饱和水蒸气的分压力； p i 一空气的绝对湿度，k g ／m 3 ； M w 一水蒸气的质量，k g ； V k 一空气的体积，m 3 。 妒。一空气的相对湿度； 氏一湿空气中的实际绝对湿度， k g | m ； 风。一湿空气中的饱和水蒸气绝对湿 度，堙／m 3 ； ％一空气的质量，k g ； M 一物质的质量，埏； △一某量的增量； Q ，一传递给物质的热量，J ； W 一过程进行时物质所做的外功，J ； U 一内能，J ； P 一压力 V 一体积 搬一是系统熵的微分； 媲一是系统与环境交换的热量； R e v 一表示过程可逆； Z 一表示热源的温度，由于是可逆过 程，它也表示系统温度； Q ，一换热机总风量，m 3 ／s ； 彳，一换热机进风口截面面积，m 2 ； 4 一换热机出风口截面面积，m 2 ； 1 ，，一垂直彳，的平均风速，m ／s ； K 一垂直4 的平均风速，m ／s ； Q 打一换热机理论风量，m 3 ／s ； 占一风量系数，只与风机型号有关； d 。一扇风机叶轮外径，0 ．2 5m ； 彳，一以d ，为直径的圆面积，m 2 ； v 。一叶片出口圆周速度，m ／J ； P 一静压，砌． 尸一全压，P a ； 只一动压，P a ； p 一空气密度，堙／掰3 ； 1 ，。一气流平均速度，m ／s 。o O ℃对应的开氏温度，取2 7 3 K f 一室内测量温度，℃； R 一换热区的阻力，尸口． M ，一水轮机轴上旋转力矩，N e m ； 国一水轮机旋转角速度，r a d ／s ； Ⅳ。一水轮机输出功率，k w ； r ／1 一空冷器的第一热交换效率； ‘。一空冷器进口风流的湿球温度，℃； f ，一空冷器出口风流的湿球温度，℃； 乙。一空冷器进口的水温，℃； 0 一空冷器出口的水温，℃； ∥一水风比； 吒一近似计算空气焓差时的系数； r ／，一空冷器的第二热交换效率 岛。一空冷器进口风流的干球温度，℃； 中南大学硕士学位论文 主要符号表 Q 一为系统分子的状态数 k 一为玻尔兹曼常数； Q 一对流换热总换热流量，W ； 应一空气温度与水温度之差，℃； S 一对流换热表面面积，m 2 ； ％一对流换热系数，k w ／ m 2 ．。C ； 九一导热系数； 甜一空气对流速度，m ／s ； 三一特征尺寸，m ； P 一流体密度，堙／m 3 ； v ∥／p 一运动粘度，m 2 ／s ； j u 一动力粘度，堙／ m S ； c 口一空气的比热，艚／ 堙。C ； 口 力／∥。一热扩散率，m 2 ／s ； 以一矿山毛水头，m ； H 一水轮机工作水头，m ； 幽．，一水在管道中流动所产生的沿程损 失，I T I ； 幽i 一水在管道中流动所产生的局部损 失，m ； p 。一喷嘴口处的压力，p a ； 刁。一水轮机效率； ’，。一喷嘴水射流速度，m ／s ； 沙一速度比，最优速度比为0 ．5 5 [ 1 】； U ，，一水轮机叶轮转速，m ／s ； d 。一水轮机转轮直径，O ．1 5m ； n ．一水轮机的转速，r ／r a i n ； 刀。一喷嘴个数； d 。一喷嘴直径，r a m ； 刀，，一扇风机的转速，r ／m i n ； 甩一换热机的转速，r ／r a i n ； 乞一空冷器出口风流的干球温度，℃； o z 一熵增，W 瓜； 妒一热流量，W ； 1 k 一总热阻，K ／W ； 1 。一环境温度，K ； g v 一体积流量，m 3 ／s ； 2 鞔一总压，P a ； ‰一单个螺旋曲面板孔的个数； 伤一单个螺旋曲面板上的水流量，L ／s ； 丘一塔板孔的半径，m ； 1 ，。，一水落在螺旋塔板孔上时垂直向下 的水流速度，m ／s ； 鲮一通过水轮机的总水流量，L ／s ； 嘞一个塔节的塔板个数 ‘“一水从水轮机底部到螺旋塔板表面 所用时间，S ； h s l 一水轮机底部到塔板孔的垂直距离， I l l ； a ’、b ’一直线长度； ∥一弯折角； r 弯折半径； s 一材料厚度； y 一修正系数，根据r ／s 比值，查表可 得； L 一弯折件的展开长度； l 一玻璃测量管液柱长度，m m ； k 一倾斜常数 0 ．2 、O ．3 、0 ．4 、0 ．6 、0 ．8 ； 已一系统供入的总能量； E y 一有效利用的能量； E s 一损失的能量。 b 中南大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究背景 随着国民经济的不断发展，全球对矿产资源需求量不断增大，矿物的开采 已逐渐从地表开采向深部开采转化。文献【2 】显示据不完全统计，国外金属矿 资源的开采超过千米的已超过8 0 多座，例如南非的W e s t e r nD e e pL e v e l 金矿 现已开采到4 8 0 0 米，是目前世界上开采最深的矿床；加拿大的S u d b u r y 铜镍矿 床，现已开采到2 0 0 0 米，且目前探测到位于地下2 4 3 0 米也存在矿体。2 0 0 9 年， 山东省莱州市焦家金矿在地下1 0 0 0 m 处也再现特大型金矿，表明我国大陆的 矿产资源开采也逐步向地下深部转移。 随着矿井开采深度的不断增加，矿井高温热害问题也将越来越突出。这个问 题直接影响着工人的工作环境及安全生产。例如在广西茶花山锑矿曾经一度伤亡 事故率偏高，每年的4 ～7 月为事故多发时间段，此时井下温度大多高达3 0 ℃以 上，相对湿度也接近9 0 ％【3 】。据日本对7 个矿井的调查结果显示，3 0 ～3 7 ℃的工 作环境比3 0 ℃以下工作环境对工人的身心影响更大，增大的影响能使事故发生 率增加1 ．5 2 ．3 倍，因此矿内的良好通风降温对事故的减少有重大意义【4 1 。 在8 0 年代初，南非等国家已率先提出对矿山实行冰冷降温，并开始对冰冷 却空调系统进行深入研究。我国部分矿山也对高温矿井的降温技术进行了探索。 山东新汶煤业集团孙村矿属于深井高温矿井，从上世纪8 0 年代起，概况就已经 采用井下冷水机组和井上冷水机组两种方式对井下高温工作面进行降温，经过三 十年的技术创新与科技发展，深井降温技术取得了良好的效果。 另外，我国井下开采以机械化凿岩爆破为主，生产过程需要大量生产用 水和服务用水，这些从井上输送至井下的水量多用于凿岩冷却和清洗工作面。 据统计，全国每采1 吨煤，工业用水需2 ．1 m 3 ，2 0 0 9 年全国煤炭产量2 9 ．1 亿 吨，按平均2 ．1 m 3 ／t 计算，全国煤炭矿井共计排放6 1 ．1 m 3 工业用水。与此同 时，井下大量涌水透水也是矿井排水的主要来源之一。在水循环利用方面， 世界上先进国家的工业用水循环使用率可高达8 5 ％～9 0 ％，而我国工业用水能 利用率却不足6 5 ％。另外，在矿山水能利用方面，理论研究进展缓慢，工程 实例寥寥可数。 鉴于此，为贯彻落实国家“低投入、高产出、低消耗、少排放、能循环” 的可持续发展的工业建设目标，结合矿井人工制冷降温技术和水能利用理论 技术，中南大学资源与安全工程学院在长期研究防治矿山深井高温热害的过 程中制造完成了一套深井局部水利通风降温高效联合技术方法。 中南大学硕士学位论文绪论 水力通风换热机是利用矿井水路管网中冷却服务用水具有的质量势能 和位差能，具有高势能的管流水进入该装置后转变成高压水射流，推动装置 内的水轮机旋转，在水轮机转轴的上部安装风扇页，水轮机在高压水射流下 获得强大的动力，从而带动风扇旋转实现通风换热的功能。 该设备具有能量利用率高、设备简单减少制冷投资、除尘降污以及实现通风 和换热双向功能等特点。首先水势能转化为水轮机的动能，风扇在水轮机的带动 下，又将动能转化为风能，该转化过程集中程度大，换能程序简单直接，实现了 较高的能量利用率。其次，该设备充分利用矿山固定的水力资源，实现井下用水 管道分级输送，减少了对高低水压转换的投资。另外，风扇的转动带动空气流动， 空气流经水力换热机时，大量的井下浮尘随空气一起进入设备，浮尘被射流后的 的水流吸附，实现除尘降污，净化空气的作用。综上所述，水力通风换热机不仅 能对矿井下的环境进行降温，同时对空气湿度的调节、粉尘的控制也起到了一定 的作用。 矿山生产过程中产生的水能是一种可供利用的隐形能源，文献【5 J 对典型矿山 的水能进行了统计计算，并研究了矿山水能利用与制冷量的关系，并分析了生产 成本及其他综合因素与矿山水能利用的关系，得出了水力通风换热机的可行性结 论。经过三年的技术创新与设备改造，已完成设备的初步设计与加工。它具 有结构简单，制造方便等一系列优点。设计过程中，参照冲击式水轮机设计的方 法思路，计算分析了水轮机各结构参数与风量的关系，设计并加工了斜击式水轮 机样机。通过对样机的实验测试表明，样机对水流能量的回收率最高可达到 8 1 ．3 ％，换热效率可达8 9 ．9 ％，初步满足降低井底水管压力的问题，并达到了气 液换热的目的。通过样机的性能测试实验结果分析，样机仍存在通风量不足、风 道涡流损耗过大、布水不均等一系列问题，仍需进一步改进与优化。 文献f 6 】在大量研究成果和实