防冻型热管换热器在井筒预热新风方面的实验研究.pdf

分类号TU833 密级 公 开 U D C 单位代码 10076 工程硕士学位论文 防冻型热管换热器在井筒预热新风 方面的实验研究 作者姓名 张 波 指导教师 张昌建 教授级高工 企业导师 苗常盛 申 请 学 位 级 别 工程硕士 学科专业 建筑与土木工程 所在单位 能源与环境工程学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Degree of Master of Engineering Experimental study on anti-freezing heat pipe heat exchanger for preheating fresh air in wellbore Candidate Zhang Bo Supervisor Prof. Zhang Changjian Pluralistic Supervisor Miao Changsheng Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Architecture and Civil Engineering College/Department College of Energy and Environmental Engineering Hebei University of Engineering December, 2018 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 摘要 I 摘 要 煤矿日常生产过程中，井口防冻是煤矿冬季安全生产的一个重要保证，井口 结冰会影响矿井生产设备的正常运行，严重的甚至会造成重大事故。传统井口防 冻换热装置，是通过高温蒸汽或热水加热空气，再由风机将热空气送入井下，即 高温蒸汽或热水与空气之间进行热量交换的加热模式。当系统某运行环节出现问 题时，停留在换热器中的热水无法及时排出，若遇极端天气，极易结冰，导致散 热器的铜管冻裂，因换热器内部存留水结冰而发生换热器管路崩裂引发的安全事 故每年都会发生。因此，如何改变现有技术中，矿井井口防冻换热器内部存留水 因结冰造成散热器损坏的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。 本文设计并制造了一种新型相变式重力热管换热器，该换热器通过内部制冷 剂的相变传热来吸收热水热能，加热送风井新风，使加热后的新风满足冬季井筒 防冻需求。通过热管真空度控制，当低温循环热水温度低于触发防冻能力设定温 度时，制冷介质停止蒸发并停留在蒸发段，无法上升至冷凝段，设备换热停止； 冷凝段虽被冷空气冲刷，但由于热管内部为空管状态，因此不会因内部滞留液体 结冻而导致管壳崩裂，有效延长设备使用寿命。 通过 12 个周期的实验运行与数据分析，确定了热管换热器的最佳制冷剂为氟 利昂 R22， 对应最佳填充量为热管蒸发段容积的 30， 传热系数为 293.96 W/m2∙℃。 本文还确定了防冻型热管换热器防冻能力的推荐真空度，真空度的不同对应的热 管启动防冻能力的运行温度不同。热管换热器选取 R22 作为制冷剂时，推荐采用 真空度（绝对压力）16Kpa，对应热管的运行温度为 20.33℃。当设备运行温度低 于 20.33℃时，设备自动停止传热过程，触发防冻功能。 为配套本次热管换热器的正常运行，且提升设备的市场应用价值，本文设计 研发了针阀式热管与便携制冷剂填充装置，实现了热管制冷剂可在室外环境下反 复填充或更换，同时精准控制制冷剂填充量，且填充前后可有效维持热管内部真 空度。 本设备在河北省邢台市邢台矿进行了设备运行状况监测，运行效果良好。在 冬季最冷月，通过人为控制设备停机，当设备蒸发段循环热水温度低于 20℃时， 冷凝段停止换热并启动防冻功能，此时室外空气温度监测值为-7℃，设备持续停机 24 小时后，热管管壳没有崩裂，可正常启动运行。 关键词热管；井筒防冻；真空度；便携式填充；针阀 Abstract II Abstract In the daily production process of coal mine, wellhead anti-freezing is an important guarantee for safe production in winter. Wellhead ice will affect the normal operation of production equipment in coal mine, and even cause serious accidents. Traditional wellhead freeze-proof heat exchanger is a heating mode in which air is heated by high-temperature steam or hot water, and then hot air is fed into the well by a fan, that is, heat exchange between high-temperature steam or hot water and air. When there is a problem in the operation of the system, the hot water in the heat exchanger can not be discharged in time. If extreme weather occurs, it is easy to freeze and crack the copper tubes of the radiator. The safety accidents caused by the collapse of the heat exchanger pipeline due to the freezing of the retained water in the heat exchanger occur every year. Therefore, how to change the existing technology, mine shaft freeze-proof heat exchanger internal retained water caused by freezing radiator damage status, is the technical personnel in the field of urgent problems to be solved. In this paper, a new type of phase change gravity heat pipe heat exchanger is designed and manufactured. The heat exchanger absorbs hot water heat energy through phase change heat transfer of internal refrigerant, preheating fresh air of air supply well, so that the fresh air after heating can meet the needs of winter wellbore anti-freezing. By controlling the vacuum degree of the heat pipe, when the temperature of the hot water in the low-temperature circulation is lower than the setting temperature of the triggering anti-freezing ability, the refrigerant stops evaporating and stays in the evaporation section, and the heat transfer of the equipment stops. The condensing section is washed by the cold air, but because the inner part of the heat pipe is empty, the liquid will not be retained in it. The body is frozen, resulting in cracking of shell and tube, effectively prolonging the service life of the equipment. Through the experimental operation and data analysis of 12 cycles, the best refrigerant for heat pipe heat exchanger is R22. The optimum filling amount is 30 of the volume of heat pipe evaporation section, and the heat transfer coefficient is 293.96 W/m2∙℃. The recommended vacuum degree of antifreezing capability of heat pipe heat exchanger is also determined. The operating temperature of the different degree of vacuum corresponding to the heat pipe start-up antifreeze ability is different. When the Abstract III heat pipe heat exchanger chooses R22 as refrigerant, the vacuum degree 16Kpa is recommended, and the starting temperature of the heat pipe should be 20.33℃. When the operating temperature of the equipment is below 20.33℃, the device automatically stops the heat transfer process and triggers the antifreeze function. In order to match the normal operation of the heat pipe heat exchanger and improve the market value of the equipment, a needle valve type heat pipe and a portable refrigerant filling device are designed and developed. The heat pipe can be repeatedly filled or replaced in the outdoor environment, and the refrigerant filling is controlled accurately, and the heat pipe is effectively maintained before and after filling. The vacuum inside the heat pipe is effectively maintained before and after filling. The equipment has been monitored in the Xingtai mine of Xingtai City, Hebei Province, and the operation result is good. In the coldest winter months, when the circulating hot water temperature of the evaporation section is below 20℃, the condensing section stops heat transfer and starts the anti-freezing function. At this time, the monitoring value of the outdoor air temperature is -7℃.After 24 hours of continuous shutdown, the heat pipe shell does not crack and can start up normally. Keywords heat pipe; wellbore antifreeze; vacuum; portable filling; needle valve 目录 I 目 录 摘要 ............................................................. I Abstract .......................................................... II 第 1 章 绪论 ..................................................... 1 1.1 研究背景与意义 ........................................................................................ 1 1.2 井筒防冻研究现状 .................................................................................... 2 1.3 课题研究内容与技术路线 ........................................................................ 4 1.3.1 课题研究内容 ................................................................................. 4 1.3.2 技术路线 ......................................................................................... 5 第 2 章 相变式重力热管换热器 ..................................... 7 2.1 换热器 ........................................................................................................ 7 2.1.1 换热器简介 ..................................................................................... 7 2.1.2 换热器分类 ..................................................................................... 7 2.1.3 热回收设备在矿井应用中的优劣势对比 ..................................... 7 2.2 热管式换热器 ............................................................................................ 8 2.2.1 热管原理 ......................................................................................... 8 2.2.2 热管结构 ......................................................................................... 9 2.2.3 热管换热器类型 ........................................................................... 12 2.2.4 热管的工作极限 ........................................................................... 13 2.2.5 热管理论 ....................................................................................... 13 2.2.6 热管应用于矿井新风加热的优势 ............................................... 14 2.3 防冻型重力热管换热器加热井筒新风工作原理 .................................. 15 2.4 本章小结 .................................................................................................. 16 第 3 章 热管结构设计与分析 ...................................... 17 3.1 结构设计参照的典型案例 ...................................................................... 17 3.2 热管结构设计 .......................................................................................... 17 3.2.1 工质与管材选择 ........................................................................... 17 3.2.2 热管排列方式与放置形式 ........................................................... 18 3.2.3 热管换热器长度比 ...................................................................... 18 3.2.5 管径与扩展表面选择 .................................................................. 20 目录 II 3.2.6 热管根数与排列方式 ................................................................... 22 3.3 热管结构分析 .......................................................................................... 24 3.3.1 热管的热阻 ................................................................................... 24 3.3.2 传热系数 ....................................................................................... 25 3.3.3 翅化效率和翅化比 ....................................................................... 25 3.3.4 气体绕流翅片管时的放热系数和阻力 ....................................... 26 3.3.5 流体绕流光管管束时的放热系数和阻力 ................................... 27 3.3.6 热管的工作温度 ........................................................................... 28 3.3.7 传热平均温差 ............................................................................... 29 3.4 本章小结 .................................................................................................. 29 第 4 章 热管实验台设计与安装 .................................... 31 4.1 实验台功能介绍 ...................................................................................... 31 4.2 热管换热器 .............................................................................................. 32 4.3 热管制冷剂快充阀门设计 ...................................................................... 33 4.4 传热介质填充装置设计 .......................................................................... 34 4.5 实验台辅助设备选型 .............................................................................. 37 4.5.1 实验台系统图 ............................................................................... 37 4.5.2 相关设备选型 ............................................................................... 38 4.5.3 数据采集装置与控制装置 ........................................................... 41 4.6 本章小结 .................................................................................................. 42 第 5 章 实验运行与结果分析 ...................................... 43 5.1 实验台运行过程 ...................................................................................... 43 5.2 实验结果分析 .......................................................................................... 43 5.2.1 热管启动温度与工作温度 ........................................................... 43 5.2.2 气体绕流翅片管时的放热系数和阻力 ....................................... 48 5.2.3 流体绕流光管管束时的放热系数和阻力 ................................... 49 5.2.4 传热系数 ....................................................................................... 50 5.2.5 真空度对热管工作温度的影响 ................................................... 52 5.3 本章小结 .................................................................................................. 53 第 6 章 热管换热器在邢台矿的工业性实验 .......................... 55 6.1 设备测验运行背景 .................................................................................. 55 6.2 工业性实验目的 ...................................................................................... 55 6.3 工业性实验安装 ...................................................................................... 55 6.4 设备运行数据 .......................................................................................... 57 目录 III 6.5 工业性实验结论 ...................................................................................... 58 第 7 章 主要结论与展望 .......................................... 59 7.1 主要结论 .................................................................................................. 59 7.2 展望 .......................................................................................................... 60 致谢 ........................................................... 61 参考文献 ....................................................... 63 作者简介 ....................................................... 67 攻读硕士学位期间发表的学术论文和研究成果 ....................... 67 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景与意义 矿井防冻是对进入矿井的冷空气加热，防止井巷结冰的技术措施 [1]。寒冷地 区的矿井，冬季气温较低，当进风井巷有淋水时，会发生冰冻现象，给提升运输 带来困难， 对安全生产造成威胁， 并恶化井下气候条件， 影响工人身体健康 [1,2,3]。 目前，国内外煤矿传统井口防冻系统主要由燃煤锅炉提供蒸汽热源的方式解决。 几十年来，我国井口防冻也是一直沿用这种方式,应用较为广泛,但该方式存在占地 多、投资大、耗煤高、能耗大、污染环境、管理复杂等缺点。此外,还有部分煤矿 使用电锅炉用于煤矿井口防冻,但同样存在能耗较高的问题 [4]。 传统井口防冻换热装置，是通过蒸汽（高温热水）加热空气，再通过风机将 加热的热空气送入井下，即蒸汽（高温热水）与空气之间进行热量交换的加热模 式，当热源、循环水泵、控制阀门出现问题时，停留在换热器中的水不能及时排 出，遇到极端天气，特别容易结冰，一旦散热器中没有及时排出的水出现结冰现 象，就会将散热器的铜管冻裂，因换热器中的水结冰而发生换热器管路崩裂引发 的安全事故每年都会发生。因此，如何改变现有技术中，矿井井口防冻换热器中 的水结冰造成散热器损坏的现状，是本领域技术人员亟待解决的问题。 随着我国节能减排政策的推行和企业节能意识的提高，以及热管技术在我国 各领域应用范围的不断扩展和成熟,采用热管技术用于冬季煤矿井口防冻，将作为 一种高效节能的环保型煤矿井口防冻技术。由于其所具有的独特优势而在我国以 及国外煤矿井口防冻技术中有着良好的应用推广前景 [5]。热管是一种低能耗、高 密度的冷热能量输运系统，已在能源开发与利用领域显示了巨大的优越性 [6,7]。与 利用传统热泵技术回收回风余热相比，热管系统更为简便，初期投入与设备运行 成本更低。 中国国家统计局数据显示， 2017 年我国能源消费总量 44.9 亿 tce， 相对于 2016 年，煤炭消费量增长 0.4，煤炭消费量占总能源消费总量的 60.4；天然气、水 电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的 20.8 [8]。 “控制能源消耗总 量，加强节能降耗，支持节能低碳产业、新能源和可再生能源”已成为我国能源 应用新标准 [9,10]。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 [11]。 河北工程大学硕士学位论文 2 1.2 井筒防冻研究现状 湿度大、温度常年稳定、粉尘高是矿井回风主要特点，不同地区矿井地质结 构不同，在回风中含有低浓度易燃气体。对矿井回风热能的利用在近几年内有集 中的文献论述与相关专利的申请，但具体技术应用的实体项目数量较少，更多的 停留在理论研究与技术创新阶段。下文对目前国内外就矿井回风热能利用情况作 基本介绍。 在 1975 年，Walker 等人利用矿井排风热能回收换热的热能回收装置将矿井 排风的热能用于温室植被生长。在较为恒定的湿度与温度的情况下，植物生长状 态确反常很差，这表明矿井回风中含有不适于植物生长的成分，说明回风空气状 态的复杂程度 [12]。 1996 年，Smith 等人对加拿大的一个金矿利用换热装置提取了矿井排风中的 热能，通过利用排风热量为热源对需要采暖的地区进行供暖，同时还对其节能性 和回收期做了具体的分析 [13]。 徐传洲等人提出国内常用的井筒防冻形式主要有两种一种是采用空气加热 器或热风炉加热入井空气，配专用风机将热风送入井口以下，称之为有风机加热 方式，此方式须设专门的空气加热室、风机房及送风地道；另一种是采用空气加 热器加热部分入井空气， 然后利用矿井通风负压将冷、 热空气同时送入矿井内部 [14]。 候利红介绍了空气加热机组与 SRZ 空气加热器的安装条件、运行状况、安装 周期等。分析了空气加热机组与 SRZ 空气加热器的投资成本。该设备机组运行效 果良好，节能显著 [15]。 郭福忠等人对比井筒防冻中方式中的燃煤锅炉与空气加热器加热和热风炉加 热方式，提出燃煤锅炉因投资费用过高、供热效率低和污染等问题而淘汰。而热 风炉与空气加热器的混合方式从投资、运行费用和供热效率等方面有着明显优越 性，广泛应用于井筒防冻设计中 [16]。 曲春刚认为从北方地区矿井进风加热设备的使用情况来看，以热管散热器效 果较好。此种设备具有结构简单、操作维修方便、一次性换热效率高、节煤、为 无水非压力容器、对矿井进风无污染以及成本低等优点 [17]。 王雨应用通风网络解算算法理论和矿山现有的计算机及网络资源，以计算机 图形学与网络技术为基础，采用面向对象的方法建立异常风量监测数据的分析系 统模型，实现对井下风量数据的分析，形成一套矿井通风的实时模拟系统 [18]。 刘存玉提出多功能变工况热泵机组及其系统，该系统可实现利用一台机组满 足夏季井下局部降温用制冰同时加热洗浴热水、或者井口集中降温用冷冻水同时 第 1 章 绪论 3 加热洗浴热水、冬季提取矿井回风余热制取热水等目的 [19]。 扈守全等提出选择水源热泵机组回收矿井涌水提供冬季井筒防冻的热能，对 热负荷进行了计算，提出了井筒防冻工程方案，并对水源热泵机组及其附属设备 进行了选型 [20]。 王清来等人提出在我国南方部分纬度比较高的矿山冬季井筒季节性结冰是矿 山的一个难题，在充分研究矿山实际情况的基础上，通过局部改造通风系统，利 用自然风压使井筒在冬季少量