严寒地区矿井回风余热回收利用研究.pdf

河北工程大学 硕士学位论文 严寒地区矿井回风余热回收利用研究 姓名葛敏哲 申请学位级别硕士 专业建筑与土木工程 指导教师王景刚;王建学 2013-01-07 摘要 摘要 目前，随着经济的快速发展，能源消耗同益加剧，环境污染越来越严重，节 能减排已成为全球人民共同关注的话题。世界各国开始积极地开发绿色、环保新 能源的同时，废热资源的回收和利用也越来越受人们的重视。 我国在国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中，明确提出了“十 一五“ 期间单位国内生产总值能耗降低2 0 ％左右，主要污染物排放总量减少1 0 ％， 同样的在“十二五”规划纲要中指出，能源强度的降低，非化石能源所占比重等， 都将作为“十二五”规划的约束性指标。目前，实现企业的低碳运行对作为耗能 大户的煤炭企业来说是贯彻实施节能减排，实现可持续发展的重要运行方式。因 此，回收使用煤矿的废热资源 如矿井回风、矿井排水、洗浴废水等 ，是实现 煤炭企业节能减排重要措施。 矿井通风是任何煤矿都不可缺少的部分，而且矿井回风的温度、湿度一年四 季基本保持恒定，其中蕴藏大量的低温热能，这就为热泵技术的应用提供了先决 条件。 本文以传热学的理论为基础，在参考了大量喷淋室理论文献与煤矿废热资源 回收利用实例，采用理论分析与工程实例相结合的方法，对严寒气候条件下的煤 矿矿井回风中的余热进行回收利用。 本文以同煤四台煤矿马家村煤矿为工程实例，首先通过对马家村煤矿矿井回 风余热资源的分析，并确定该项目实施的可行性；然后针对当地的严寒气候条件 对矿井回风换热器和井筒防冻换热器进行设计研究，使其在严寒地区能正常运行； 再次，对余热回收的工艺及主要设备做了详细介绍，最后，本文又从余热回收的 年净收益方面，对煤矿矿井回风余热回收的经济效益进行了核算分析。该系统在 保证井筒入风符合煤矿相关规范的要求，同时还起到节能减排的作用。 关键词热泵喷淋室；回风换热器；井筒防冻加热器；余热回收 A b s t r a ct A b s t r a c t W i t ht h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o na r eg r o w i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ．E n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nh a s b e c o m eat o p i co fc o m m o nc o n c e r nt ot h ep e o p l ea r o u n dt h ew o r l d ．C o u n t r i e sa r o u n d t h ew o r l db e g a nt oa c t i v e l yd e v e l o pt h en e we n e r g yw h i c hi sg r e e ne n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y ．R e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no ft h ew a s t eh e a tr e s o u r c e sa r ea l s om o r ea n dm o r e a t t e n t i o n C h i n a ’S ”n a t i o n a le c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n to ft h e1lt hF i v e - Y e a rP l a n ”， c l e a r l yt h e ”E l e v e n t hF i v e - Y e a r ”p e r i o dt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o np e ru n i to fg r o s s d o m e s t i cp r o d u c t G D P o fa b o u t2 0 ％，a n d10 ％r e d u c t i o ni ne m i s s i o n so fm a j o r p o l l u t a n t s ，A l s oi nt h e ”12 t hF i v e Y e a rP l a nt h a tt h er e d u c t i o no ft h ee n e r g yi n t e n s i t y a n dt h ep r o p o r t i o no fn o n f o s s i le n e r g yw o u l ds e r v ea st h eb i n d i n gt a r g e t so ft h e12 t h F i v e - Y e a rP l a n ”．C u r r e n t l y , l o w c a r b o nr u no nc o a la sa ne n e r g y - h u n g r ye n t e r p r i s e s i m p l e m e n ti sag o o dm e t h o dt ot h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ． w a s t eh e a tr e c o v e r ya n du t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s s u c ha sm i n er e t u ma i r , m i n ed r a i n a g e ， b a t hw a s t e w a t e r , e t c ． i st h ei m p o r t a n tm e a s u r e so ft h ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o nt oc o a le n t e r p r i s e s ． M i n ev e n t i l a t i o ni sa ni n d i s p e n s a b l e p a r to fa n yc o a lm i n e ，a n dr e t u ma i r t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h em i n er e m a i n e dc o n s t a n tt h r o u g h o u tt h ey e a r ．R e t u r na i r b e a r sal o to fl o w - t e m p e r a t u r eh e a t ，w h i c hp r o v i d e sac o n d i t i o n sp r e c e d e n tf o rt h e a p p l i c a t i o no fh e a tp u m pt e c h n o l o g y ． T h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h et h e o r yo fh e a tt r a n s f e r , i nr e f e r e n c e i n gt ot h el i t e r a t u r e o fs p r a yc h a m b e rt h e o r e t i c a la n dt h ei n s t a n c e so fc o a lm i n ew a s t eh e a tr e s o u r c e s r e c y c l i n g ，w h i c hu s e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de n g i n e e r i n g i n s t a n c em e t h o do fc o m b i n i n gt or e c y c l et h ew a s t eh e a tu n d e rc o l dc l i m a t ec o n d i t i o n s ． I nt h i sp a p e r , M a j i a c u nc o a lm i n ea st h ee x a m p l e ．F i r s tt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e r e t u ma i rh e a tr e c o v e r yM aj i a c u nc o a lm i n er e s o u r c e s ，d e t e r m i n e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o j e c tt oi m p l e m e n t ；t h e nt h em i n er e t u r na i rh e a te x c h a n g e ra n dW e l l b o r ea n t i f r e e z e h e a te x c h a n g e rd e s i g n e df o rt h et h el o c a la l p i n ec l i m a t i cc o n d i t i o n s ，S Ot h a ti tC a n o p e r a t en o r m a l l yi nt h ea l p i n er e g i o n ；o n c ea g a i n ，m a d ead e t a i l e di n t r o d u c t i o no ft h e w a s t eh e a tr e c o v e r yt e c h n o l o g ya n dm a j o re q u i p m e n t ，F i n a l l y , f r o mt h ea n n u a ln e t A b s t r a c t i n c o m eo ft h ew a s t eh e a tr e c o v e r yt ot h ec o a l ，T h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h em i n er e t u m a i rw a s t eh e a tr e c o v e r yw a sc a l c u l a t e d ．K e e pt h es y s t e mi nc o m p l i a n c ew i t hr e l e v a n t w e l l b o r et e m p e r a t u r ei n t ot h ew i n d ，a n dC a na l s op l a yt h er o l eo fe n e r g yt os a y i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o n ． K e y w o r d s h e a tp u m p ；s p r a yc h a n b e r ；r e t u ma i rh e a te x c h a n g e r ；w e l l b o r ea n t i f r e e z i n g h e a t e r ；w a s t eh e a tr e c o v e r y ； 第l 章绪论 1 ．1 课题的提出 第1 章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，是社会发展和经济增长的核心部件， 根据当前人类消耗能力估算，在全球非可再生能源储量中，煤的可用年限为2 0 0 年，天然气为6 0 年，而石油仅为4 0 年⋯。随着经济发展的进一步扩大，能源需求 量还会进一步增加 据调查，我国现有的建筑总面积以每年1 5 ％一2 0 ％的速度增 加，而建筑在建造和使用过程中直接消耗的能源占全社会总能耗的3 0 ％以上，并呈 继续上升趋势口1 ，同时带来了在发展中必须面对的两个问题一是，能源少且利用 不足。目前我国能源的总体利用率比发达国家低约3 0 ％，我国主要用能产品的单位 产品能耗比发达国家高2 5 ％一9 0 ％；二是，由于用能所引起的环境问题。能源丌采和 燃烧产生的粉尘、灰渣及S 0 、C 0 。的排放，造成了全球性的温室效应和环境恶化。 由此可见，在今后相当长的一段时期内，能源将成为制约经济与社会快速发 展主要因素，为缓解能源的制约作用，人们采取了一系列措施，例如增加供给、丌 发新能源、降低能耗、提高能源利用率等。常规能源资源的总储量是有限的，而 且新能源现阶段还不能广泛应用，所以实现增加供给的要求会遇到很大的困难。 要解决能源紧张的问题还是要坚持开发与节约并举、节能优先的方针，同时大力 发展节能降耗，提高能源利用效率。节能降耗是缓解能源制约，降低环境压力， 保障经济发展，实现全面建设小康社会和可持续发展的必然选择，体现了科学发 展观的本质要求。 近年来，山西省十分重视节能降耗工作，按照“开发与节约并重、把节约放 在首位”的方针，制定了一系列政策措施，如大力推进结构调整，发展循环经济， 积极推广节能技术，不断提高减排节能意识，加强节能运行管理，以便推进全省 的节能降耗任务目标。山西是一个资源大省，其中更以煤矿资源为主，煤矿资源丰 富，在煤矿生产中，矿井通风作为煤矿安全生产必不可少的一项措施。根据调研发 现，矿井出风温度一般在2 0 。C 左右，排风中存在着大量的显热与潜热，所以在出风 中蕴含着大量热量可以回收利用。 1 ．2 课题提出的必要性 以发展循环经济为核心，构建资源低碳化利用体系，同煤集团提出“黑色煤 河北。I 程火学硕 论文 炭、绿色开采；循环经济、吃干榨净；高碳产业、低碳技术”的发展理念。本研 究在四台矿矿井排风余热综合利用技术研究的基础上研究矿井排风余热综 合利用技术，项目拟采用热泵技术回收四台矿马家村矿井排风中余热，用于提供 冬季井筒防冻热量，切实解决同煤集团四台矿风井远离矿区冬季井简防冻的难题， 同时实现废热回收利用，节能减排的目的。 同煤集团四台矿矿区面积大，通风系统复杂，目前有9 个进风井6 个回风井， 即九进六回，风井多，分布散，大多在山上，本项目实施对象马家村矿井远离主 矿区，在十多公里已外的山上，现在井筒防冻采用2 台2 吨锅炉 一用一备 和1 台2 吨热风炉，即冬季井筒防冻至少4 吨锅炉在运行，燃煤消耗较大，同时需要 大量的运行人员，另外冬季山高路滑，加之当地村民沿途挖坑颠煤，大雪天往山 上送煤十分困难，造成马家村矿井在冬季极冷季节井筒防冻供热成为一个令人头 疼的问题。 马家村矿井有一个进风井，进风量为4 0 8 0 m 3 ／分，一个回风井，回风量为6 9 1 8 m 3 ／ 分，回风温度1 5 。C ，相对湿度为9 3 ％，从热量计算中可以看出，回风中可提取的 热量为3 0 4 5 k w ，井筒防冻需要负荷为2 6 4 4 k w ，回收回风中热量完全可以满足冬季 井筒防冻热量要求，同时进风井和回风井相邻，项目实施十分便利。 本研究利用热泵技术回收马家村矿井排风余热，不但解决了马家村矿井现有 井筒防冻供热的难题，同时节约大量运行人员和运行费用。 本课题结合专业知识，利用目前国内外最新余热回收技术，对煤矿回风中的 余热进行回收再利用。 1 ．3 国内外研究现状 1 9 世纪初，英国物理学家J ．P ．J o u l e 首次阐述了“通过改变压缩流体的压力 就能使其温度发生变化”的原理。到了1 9 世纪中期，W ．T h o m s o n 提出了热量倍增 器 H e a tM u l t i p l i e r 的概念，并首次描述了热泵的设想；瑞士苏黎世于1 9 1 2 年成功安装了一套以河水为低位热能的热泵设备并用于供暖，开创了水源热泵系 统用于实际的先河口3 。此后的几十年是热泵的研究发展阶段，其发展长期滞后于空 调的发展；1 9 7 3 年的全球性能源危机，使人们重视能源的节约及回收利用，加速 了热泵在全球范围内的发展。而大规模的商业应用则是近2 0 年的事，拿发达国家 美国来说，1 9 8 5 年有1 4 0 0 0 台热泵在用，到1 9 9 7 年又新装4 5 0 0 0 台，截止2 0 0 4 年己安装了4 0 0 0 0 0 台，每年以1 0 ％的速度稳步增长。 在我国，热泵事业近几年开始起步。2 0 0 1 、2 0 0 2 年开始有进口产品及合资产 品，发展势头很猛。随着人们节能、环保意识的提高即人们可测算到只要使 第1 章绪论 用热泵产品一、两年的时间节省下来的燃料费，就可回收投资购买设备的费用。 因此，热泵热水器必将成为热水器市场的主流。 热泵是一种以消耗少量高品位能量为代价，将大量不能直接利用的低品位热 能变为可利用的高品位热能的装置。其热泵装置本身的研究在国内外已趋于成熟。 目前，热泵研究的重点是寻找热泵可利用的新型低温热源及无污染高效的新型制 冷剂，并展开相关的理论技术研究。下面介绍的为热泵不同的低温热源利用技术 的研究 1 热泵系统热源为空气源 空气源热泵是以大气作为“源体”，在冷媒的作用下，进行能量转移。但这种 热泵存在着局限性，即在严寒环境下，效率非常低或无法使用。目前空气源热泵 的相关研究主要集中在热泵处于冷环境中的结霜和除霜问题。 N aB 等n 。6 3 从理论上分析了冷表面结霜成核过程，提出霜核形成的条件是冷表 面上空气应达到过饱和状态；蔡亮等口1 对双晶体结构进行了分析，并提出了其在不 同时期的霜层生长模型。J ．M a r t i n e z - F r i a s 等阳1 利用数值模拟方法分析了空气源 热泵蒸发器在结霜时的性能；S ．N ．K o n d e p u d i 等阳叫0 1 结合传热特性，对肋片管换热 器进行了讨论并建立了其对应的结霜模型；黄虎等⋯叫羽采用集总参数法建立了空气 源热泵在结霜时工作的仿真模型；张哲等3 1 研究了肋片式蒸发器的结构参数对空 气源热泵蒸发器结霜特性的影响，并得出了各式蒸发器结构的结霜规律。 N i e d e r e r 刮通过实验方法测定了除霜耗能，得出除霜耗热主要集中在换热器 金属结构和周围空气的加热K r a k o w n 副建立了接近于实际换热器除霜参数的动态 模型，对除霜过程的变化情况做了重点分析；陆亚俊等剐对空气源热泵做了大量 除霜性能实验，得出除霜主要热源为压缩机压缩热及少量电动机冷却热，这些研 究揭示了热泵除霜时的系统能量变化。 2 热泵系统热源为地下水源 本系统是以地下水作为”源体”的热泵系统，在冬季利用热泵吸收其中蕴含的 热量向建筑物供暖，在夏季热泵向其排放热量，实现对建筑物供冷。国内外学者做 了大量研究，主要集中在热源井导致的地下水流动传热，分为异井回灌和同井回 灌研究。A n d r e w 等n ‘孔提出了异井回灌地下水流动、换热的耦合模型，对无水力、 热力联系的双井进行了模拟；R e l s t a d 等“刚通过研究得出，供回水温差是热泵系统 运行的一个重要参数；辛长征等n 刚借助H S T 3 D 软件模拟分析了双井承压含水层的 温度场和速度场S o r e n s e nS N 等乜们在丹麦技术大学进行了同井回灌取热实验，建 立了地下水流动换热的简化数学模型张远东心模拟了同井回灌条件下，水文地 质参数等对含水层温度场的影响。方肇洪等乜∞建立了单井循环的地下水流动换热 二维数学模型。 河北工程大学硕士论文 3 热泵系统热源为土壤源 土壤源热泵是以土壤为低温热源的热泵技术，夏季热泵将热量传给大地，使 热量在土壤中储藏起来，同时为建筑提供冷量；冬季热泵将夏季存储在土壤中的 热量提取出来，为建筑供暖，同时降低土壤温度，为夏季蓄冷。 它的研究主要集中在地埋管换热器的换热机理、传热模型等方面。关于地埋 管换热器的设计理论，国外学者作了系统研究，主要提出了线热源理论和圆柱热 源理论乜3 。引，为目前土壤源热泵系统设计提供了理论基础；高祖琨心州等对材质为铜 管、塑料管的螺旋管型和水平蛇管型地埋管换热器的换热效果进行了实验研究； 魏元勋啦7 3 等研究了多层水平埋管换热器的传热性能；张旭比胡等对土壤热交换的影 响因素进行了分析，得出密度和含水率的提高会增加土壤混合物的导热系数；王 景刚、马一太瞳9 1 等以C 0 作为热泵工质，结合土壤源对热泵运行性能进行了相关的 理论研究；魏唐棣D 引、刘宪英等通过数值模拟方法建立了地埋管结构的三维数学 模型，’分析了地埋管的短期和长期的运行特性。 4 热泵系统热源为污水源 污水源热泵主要是生活污水、工业废水等作为系统热源。目前污水源热泵技 术的研究主要集中在污水侧取水时的除污和换热技术。瑞典最早采用污水源热泵 技术，污水经净化后，淋激到管束蒸发器上，实现污水与工质的管内外换热；针 对污水换热阻塞问题，孙德兴等门提出了污水废热资源化利用技术，采用旋转过 滤可再生技术研制开发密闭取水设备；吴荣华等。泄1 从理论上分析了污水换热器内 污水的流动阻塞特性，考察了污垢对换热器换热的影响；姚杨等。。卜3 引将淋激式换热 器引入污水源热泵，并对淋激式换热器的结构设计进行了分析，对污垢给换热器 造成的影响进行了仿真研究。 5 热泵系统热源为太阳能 太阳能热泵系统的研究主要集中在相变蓄热技术、直接膨胀式或间接膨胀式 太阳能热泵系统、太阳能与其他热源 如土壤源、地下水源等 构成双级、多级 耦合热泵系统方面。K ．K a y g u s u z 等口6 。竹3 研究了相变储热材料C a C Iz 6 H z 0 在太阳 能中的应用；孙志林等口踟分析了太阳能热泵系统中使用的常低温相变材料的特点， 并给出了带蓄热功能的太阳能热泵系统的运行模式；王如竹等。憎叫伽对直膨式太阳能 热泵系统进行了较深入的研究，对直膨式太阳能热泵热水器的热力学性能进行了 分析并进行了优化设计。 6 热泵系统热源为矿井回风 矿井回风作为热泵系统的低温热源是近几年发展起来的新项目，主要是随着 热泵技术的发展与实现煤炭行业节能减排的目标而产生的。主要依据是矿井回风 中蕴含着大量稳定的低温热源。其主要表现在开采稳定，国内各大矿井每个工作 第l 章绪论 面年产煤量变化不大，设备、人员投入相对稳定，因而所需空气量是相对稳定的 地温稳定，矿井井下放热因素众多，如井巷及开采围岩放热、各机电设备运行放 热、矿物氧化放热等，但这些因素的放热也是基本稳定的湿量稳定，国内矿井井 下环境的湿度来源主要包括井巷及工作壁面散湿、矿井水蒸发及生产用水，根据 实际测量，其相对湿度年平均值几乎不变。 关于矿井回风源热泵系统的研究还处于起步阶段，并逐渐向成熟发展。主要研 究是在回风换热装置的方式及其改进，以提高回风换热效率。如张培鹏等⋯研究了 以正三角形错排的热管换热方式，并对其换热流场进行了模拟；孙中文，陈夫科 等n 研究了矿井回风的热能回收技术在实际供暖方面的应用。 近年来空气加热器才发展起来，并广泛用于矿井井口防冻方面。其有3 种方 式。一种，采用蒸汽锅炉或者热风炉直接向井筒内输送热蒸汽，其与冷空气结合 送入井口，但管路布置不当时，可能造成局部结冰二种采用暖气片和鼓风机， 蒸汽通过暖气片将冷空气加热，并通过鼓风机送入井筒；三种采用进风通道，将 其他进风口封死，蒸汽在通道内与换热装置换热，将冷空气加热，然后送入井筒 [ 1 z - 1 4 1 0 目前，根据节能减排的需求和热泵技术逐渐在煤矿企业的应用，一种新型的 井口加热装置逐渐被使用。它更适应于低温水、地温差换热。 上述分析了热泵系统的几种常用的热源，对于将矿井回风源作为热泵系统低 温热源的研究还相对欠缺。同时，对于新式井筒防冻换热器大部分用于寒冷地区， 在严寒地区或低温地区的应用还不成熟。因此开展对矿井回风的相关研究及严寒 条件的井筒防冻换热器研究对实现煤矿回风废热的资源利用具有重要的理论意 义。 1 ．3 课题研究的目的、内容和方法 1 课题研究的目的 目自，』，我国煤矿生产过程中对其产生的废气中的能量回收再利用已有了初步 发展，本课题就是将本项技术运用到实际工程中，即利用回风换热装置将矿井回 风中的低温热能回收，同时利用热泵技术，制备采暖热水，以便满足风井处井筒 防冻供热需求，并且实现煤矿的节能减排。 2 课题研究的内容 ④矿井排风运行规律和余热量分析研究 测量矿井排风运行规律、风量、温度、湿度，掌握矿井排风运行变化规律， 计算余热能力，为热能利用技术的开发提供基础条件。 河北工程大学硕士论文 鬟矿井排风热能提取换热装置研究 矿井总回风中能量储量大，但煤矿通风系统是煤矿生产的重要安全系统，能 量提取必须针对煤矿通风特点专门研发，因此针对同煤集团四台矿矿井排风运行 特点需研究一种高效矿井排风热能提取换热装置。 低噪音低水温井筒防冻散热器研究 由于本工程处于严寒地区，在煤矿生活区冬季最低气温可达到一2 8 “ C ，而本工 程又是在比生活区高将近百米的山上，其冬季最低气温可达一3 0 ℃。而市场上的大 部分空气加热器均不适应这种低温环境，这就为井筒防冻加热器的使用制造了困 难。同时要适应热泵系统出水温度较低的特点，因此要研制适应热泵系统出水温 度和现场严寒环境的低噪音井筒防冻散热器是非常有必要的。 3 课题研究的方法 本课题采用拟采用理论分析，系统设计，与工程实践相结合的方法对矿井回 风余热回收技术进行研究。其技术路线图如下卜l 1 ．4 本章小结 图1 ．1 技术路线图 F i gl - 1T e c h n i c a lr o u t e 本章对本课题研究的背景及意义做了叙述，分析了目前热泵技术中应用的各 种低温热源、煤矿用矿井回风换热装置和井口加热装置的应用情况及遇到的问题， 为以下章节的论述做好铺垫，确定本文的研究目的，研究的方法、技术路线并展 开研究。 6 第2 章水源热泵同收矿升同风余热理论分析 第2 章回风换热器研究 本项目利用热泵系统回收矿井回风热能，而要回收矿井排风热能，可靠、高 效的回风换热装置是系统的关键。研制的回风换热装置要适应于矿井回风高湿、 粉尘大、不能影响反风运行的特点，并能将矿井回风中蕴含的热能高效而稳定的 转移到循环水早面，以便得到为热泵系统直接利用的稳定的低温热源。 2 ．1 换热器形式的确定 根据传热方式的不同换热器形式主要分为间壁式换热器和混合式换热器。且 要充分考虑在j 伊寒条件下，换热方式的确定。 2 ．1 ．1 J 司壁式换热器 问壁式换热器中，热量自热流体传给冷流体的过程包括三个步骤 ①热流体将热量传给贴近热流体侧的壁面； ②热量通过固体壁面的热传导； ③壁面的另- N 通过对流传热将热量传给冷流体。 根据传热面的结构，I B J 壁式换热器可分为管式换热器和板式换热器。管式换 热器是由圆管作为其传热面，包括套管式、列管式、蛇管式、翅片管式板式换 热器是⋯换热板作为其传热面，包括央套式、螺纹板式、螺旋板式等。 比较适合了二“气一液”热交换的主要为翅片管式换热气，翅片管换热器是在管 的表面加装翅片制成，当两科，流体的对流传热系数相差较大时，在传热系数较小 的一侧加翅片可以强化传热。换热器如图2 1 所示。 图2 1 翅片管换热器 F i 9 2 - 1F i n n e dt u b eh e a te x c h a n g e r 河北1 程火学硕士学位论文 2 ．1 ．2 混合式换热器 在换热过程中，采用冷、热流体直接接触进行换热。这种方式热湿交换，换 热量大，换热效率高，设备亦简单。典型的直接接触式换热设备是冷却塔和喷淋 室换热器，图2 2 为喷淋室换热器换热原理。 I 一． 一一 一，一 。一 图2 - 2 喷淋室换热器换热原理 F i 9 2 - 2S p r a yc h a m b e r h e a te x c h a n g e rp r i n c i p l e 2 ．1 ．3 两种换热器综合对比 将两种换热方式在矿井回风条件下应用，并进行比较如表2 1 表2 - 1 换热器综合对比 T a b l e 2 - 1C o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no ft h eh e a te x c h a n g e r 从两类换热器的对比可以看出，间壁式换热器换热效率低，容易脏堵而且脏 堵后不好处理，喷淋式换热器换热效率高。而矿井排风湿度大，采用混合式换热 器，可以充分吸收排风潜热，对于煤矿回风含尘大的问题，可以在水系统上做净 化处理，所以研发的回风热交换器决定采用混合式换热器中喷淋式换热形式。 第2 章水源热泵同收矿井同风余热理论分析 2 ．2 喷淋式换热机理研究 2 ．2 ．1 喷淋室处理空气时的机理 当空气经过喷水室时，空气在喷水室内与喷嘴喷出的水滴发生接触，空气与 水滴之间的接触面发生热交换，两者之间不但存在传热，同时还存在传质。根据 喷水温度与空气温度的不同，两者之间可能仅有显热交换；也可能既有显热交换， 又有质量交换引起的潜热交换，显热与潜热之和构成全热。 在焓一湿 h - d 图上，实际的空气状态变化过程并不是一条直线，而是曲线。 同时该曲线的弯曲形状又和空气与水滴的相对运动方向有关系。 当水滴与空气的运动方向相N N 流 时，空气与初温为t w l 水相接触，使其中 一部分水达到饱和状态，即温度为t w l ，并且这部分空气与剩余空气混合得到状态 点1 ，此时水温已升至t w ’。然后具有l 状态的空气与温度为t W l 的水滴相接触，又 有- 4 , 部分达到饱和，其温度等于t w l ’。这部分空气再与其余空气混合得到状态2 ， 此时水温已升至t w ”。如此继续下去达到t w 2 ，最后可得到一条表示空气状态变化 过程的折线，见图2 - 3 a 所示，点取得多时，便变成了曲线。在逆流的情况下，按 同样的分析方法，可以看到曲线将向另一方向弯曲，如下图2 - 3 b 所示。 由此可见，无论是在顺流，还是在逆流的情况下，喷淋室早的空气状态变化 过程都不是直线，而是曲线，而且如果接触时间足够长，空气终状态在顺流时能 达到水的终温；在逆流时能达到水的初温。但是在实际条件下，无论喷淋状况是 什么样的 即喷淋状况好与坏 ，水滴与空气的相对运动状态不是单纯的顺流或逆 流，而是其中存在比较复杂的交叉流动，同时空气与水滴的接触时间也不一定很 长，进而使得他们的换热一直处于非稳态。所以空气的终状态将既不等于水终温， 也不等于水初温，对喷时也不等于水的平均温度。 图2 3 喷淋室空气变化过程 F i 9 2 - 3S p r a yc h a m b e ra i rc h a n g e s 河北工程大学硕士学位论文 经验表明，用单级喷淋室处理空气，终态空气的相对湿度可达到9 5 ％，对于双 级喷淋室，空气的相对湿度可达到1 0 0 ％。人们称喷淋室处理后的空气状态为“机 器露点”。 2 ．2 ．2 影响喷淋室热交换效果的因素 根据研究，矿井回风换热装置的喷淋原理与喷淋室的相似，由此可根据喷淋 室换热效果的影响因素类推出回风换热装置的影响因素。影响喷淋室换热效果的 的主要因素有以下几个方面 1 空气质量流速 喷淋室内空气流动的过程中，随着温度变化其流速也将发生变化。采用空气 质量流速vp ，及单位时间内通过每m 2 喷淋室断面的空气质量，其反映了空气流动 状况的稳定状况。 v 为空气流速m ／s ， vp 的计算式为 G ∥D 一 ’ 3 6 0 0 A 。k g ／ m 2 S 1 式中G 通过喷淋室的空气量，k g ／h ； A c 喷淋室的横断面积，m 2 ； p 空气密度k g ／m 3 ； v 空气流速m ／s ； 实验证明，增大vp 可使喷淋室的热交换效果得到改善，即在风量一定的情 况下可缩小喷淋室的截面尺寸，常用的vP 范围是2 ．5 - - ．3 ．5 k g ／ m 2 S 。 2 喷水系数 喷水量的大小常以喷水系数p 来表示 形 ∥一石k g 水 ／k g 空气 2 式中u 喷水系数； G 通过喷淋室的风量，k g ／h W 总喷水量，k g ／h ； 实验证明，要改善喷淋室的热交换效果可以在一定程度上增大喷水系数。 3 喷淋室结构特性 喷淋室的结构特性对喷淋室的热交换效果的影响主要表现在喷嘴排数、喷嘴 密度、排管间距、喷嘴型式、喷嘴孔径和喷水方向等方面。 ①喷嘴排数 通过各种实验表明，双排喷嘴优于单排，而三排喷嘴与双排的交换效果相差 l O 第2 章水源热泵回收矿井回风余热理论分析 不大，因此工程上多用双排喷嘴。 ②喷嘴密度 通过实验显示，要达到良好的换热效果，需要喷嘴水苗有一定的碰撞与溅射， y J ‘能使水与空气充分换热。但喷嘴密度过大时．水苗互相叠加严重，不能充分换 热；喷嘴密度过小时，则造成换热面积的减小。因此，喷嘴密度n 1 3 - ～2 4 个／ m 2 排 为宜。同时也可以增大喷水压力来提高喷水系数。但喷嘴水压不宣大于超过 2 ．5 a t m 工作压力 。 ③喷水方向 实验表明，在双排喷淋室中，双排逆喷换热效果优于双排顺喷，而双排对喷 换热效果又优于双排逆喷。 ④排管间距 实验显示，使用Y 一1 型喷嘴的喷淋室，排管间距以6 0 0 m m 为宜。 ⑤喷嘴孔径 以孔径大小为变量的实验表明，理论条件下，喷嘴孔径越小对换热越有利， 但在实际中，孔径过小易堵塞，同时也增加了喷嘴数。本项目为矿井回风余热的 回收，经过热交换的水中存在大量粉尘，因此，本工程采用较大孔径的喷嘴。 4 空气与水的初参数 空气与水的初参数也对喷淋室的换热效果有一点的影响，因为它是喷水式热 湿交换的推动力，它决定着推动力的方向和大小。 2 ．2 ．3 喷淋室的热交换效率系数和接触系数 1 数学方法计算式 本文以冷却减湿为例说明喷水室的热交换效率系数和接触系数。空气与水温 的变化状况见图2 4 所示，理想状况下空气状态可达到3 ，实际上喷淋式换热不充 分只能达到状态2 ，进入喷淋室的水初温为t w I ，因为水量有限，与空气接触之后 水温将升高，在理想条件下，水终温也应达到点3 ，实际上水终温只能达到t w 2 。 河北j 卜程大学硕士学位论文 也一 一一①1 0 0 ％ ／ 一7 一一 ／7 』2 二i i 儿， k 耋二三一一t s 2 I ， 一≯一一“ t w 一2 膏 ‘2 t w l 一’S 一 图2 4 冷却干燥过程空气处理过程 F i 9 2 4C o o l i n gd r yp r o c e s sa i rt r e a t m e n tp r o c e s s 热交换效率系数r 1 ，表示为 ”卜鬻 ㈤ 接触系数r l 表示为 旷，一蔷 ’ 2 由于多