CN101696833A - 矿井回风能量利用方法与装置 - Google Patents

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Abstract

矿井回风能量利用方法，在回风系统设有热泵系统的外置换热器，外置换热器交换的热量输送至热泵系统的蒸发热交换器即外置热交换器，热泵系统的冷凝热交换器即内交换器的放热端的热量传送至热泵系统制热工况时，制出热水作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源；热泵系统制冷工况时，制出冷水作为夏季空调的冷源。本发明效率高、运行费用低，环保。

Description

矿井回风能量利用方法与装置
技术领域
本发明涉及矿井回风的热能和风能能量利用方法与装置，尤其是是矿井回风的能量用于矿井采暖、供热的需求和生活需要。
背景技术
为了保证煤矿的安全生产，必须进行通风。矿井总回风的温度一年四季基本保持恒定，蕴藏大量的低温热能(实际上体现了矿井蕴藏的地下热能)，对于大部分矿井来说，经调查一般矿井回风温度常年保持在20～30℃之间，矿井总回风中携带大量热能，对这部分热能回收利用完全可以满足矿井采暖、供热的需求。而且矿井总回风的风速达到5-1-米/秒，目前这部分热能和能量没有被利用，白白排放到大气中去。热泵是一种以消耗少量电能为代价，能将大量不能直接利用的低温热能变为有用的高温热能的装置。
煤矿工业广场地面建筑(办公楼、生产系统、职工宿舍、食堂等)的供暖、井筒防冻及职工浴室洗澡热水需要消耗大量的热能，传统做法是通过燃煤锅炉提供热源以满足上述要求。这样，不仅消耗大量煤炭，而且煤炭燃烧时排放大量污染物造成环境污染。
空气源热泵技术没有任何污染，并且运行效率很高，因此是一项绿色环保、高效节能的实用新技术。空气源热泵技术完全符合贯彻科学发展观和构建和谐社会的需要，对建设现代化新型矿山有重要意义。但空气源热泵系统在冬季的低温度大气条件下，其能效比会很低，甚至会低于1。
发明内容
本发明目的是：提出一种利用空气源热泵技术回收矿井回风中的热量的方法和装置，实现系统能够在冬季高效稳定运行，冬季往往又是需要热能最大的季节，生活用热在此季的用量最大，达到系统无人职守，为东西风井场地里的家属区提供采暖热源，取消燃煤锅炉。
矿井回风能量利用方法，在回风系统设有换热器，换热器交换的热量输送至热泵系统的蒸发热交换器即外置热交换器，热泵系统的冷凝热交换器即内交换器的放热端的热量传送至热泵系统制热工况时，制出热水作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源；热泵系统制冷工况时，制出冷水作为夏季空调的冷源。
热泵系统的热端的热量通过管道输至布置于井筒的防冻热交换器。
设有二组外置热交换器，第一组外置热交换器在回风筒内，第二组外置热交换器置于室外。
本发明的热泵系统尤其是采用涡旋热泵机组。
热泵系统制热工况时，制出热水(一般50℃以上)作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源。热泵系统制冷工况时，制出冷水(一般7℃)作为夏季空调的冷源。
高效矿井回风热能提取装置，在回风风道中设有热泵系统的外置换热器，热泵系统的冷凝热交换器即内交换器的放热端置于液体筒内，回风风道中的外置换热器采用气液板式换热器，回风风道空气通过气液板式换热器的气道，而气液板式换热器的液体通道连接工质材料输送至热泵系统的内置换器器，热泵系统的内置交换器放热端的热量制出热水作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源。热泵系统制冷工况时，制出冷水作为夏季空调的冷源；设有二组外置热交换器，第一组外置热交换器在回风筒内，第二组外置热交换器置于室外。
本发明的改进还包括，利用回风风道的动力安装风力发电系统，在回风风道内安装风力发电机浆叶。
本发明的有益效果是：
1、热效率高：产品热效率全年平均在400％以上，而锅炉的热效率不会超过100％。即使在夏季制冷时，回风温度如低于室外环境温度时，仍采用回风口的热交换器，热泵本质上是相应的热交接器从空气或热交换器的液体中吸收，通过热泵技术可以回收矿井总回风中低温热能，能效比大于4。从而满足工业广场地面建筑采暖、井筒防冻及加热职工浴室洗澡热水的需求，实现不燃煤，取消燃煤锅炉，减少大气污染。
2、运行费用低：与燃油，燃气锅炉比，全年平均可节70％的能源，加上电价的走低和燃料价格的上涨，运行费用低的优点日益突出。
3、环保：热泵产品无任何燃烧排放物，制冷剂选用了环保制冷剂R417A，对臭氧层零污染，是较好的环保型产品。
4、运行安全，无需值守：与燃料锅炉相比，运行绝对安全，而且全自动控制，无需人员值守，可节省人员成本。
5、模块式安装，便于增添设备：产品采用多台机组并联的安装模式，电脑智能控制和多重保护，机组运行可靠、稳定。一机多用：一套热泵系统可供暖、制冷、提供洗澡热水及井筒防冻。节约投资：可以取代燃煤锅炉及传统中央空调两套系统，一次性投资只是以上两套系统的1/2～2/3。
6、本发明利用热泵技术可以回收矿井总回风中低温热能，能效比大于4。矿井回风热交换器安装在矿井回风口的主扇扩散塔上，通风局部阻力38Pa。降低主扇噪音33dB，同时，使得扩散塔出口风流得到净化。
如安徽省两淮地区矿井大多数为深井，地温高并且恒定，通风线路长，经调研两淮地区矿井空气温度常年保持在25～30℃之间，矿井空气携带大量热量，通过计算这部分热量用空气源热泵技术进行回收利用完全可以满足矿井采暖、供热的需求。
两淮矿区井下空气热能可利用量估算：
根据上表统计两淮地区矿井总产量为60Mt/a，前期总回风量5229m3/s，后期总回风量为7633m3/s。按矿井回风温度平均23℃，相对湿度95％计，以本发明方法提取能量后的回风温度可达到10℃，相对湿度100％。
则可以利用的矿井空气能量前期为：
Q＝(h1-h2)×pv＝(65.94-29.28)×5229×1.281＝47.5258×400×1.2＝245561kw
h1：回风温度为23℃，相对湿度为95％时的焓，kj/kg；h2：回风温度为10℃，相对湿度为100％时的焓，kj/kg；p：回风平均空气密度，kg/m3；v：回风量，m3/s。后期为：358457kw。
前期可利用热量245561kw，相当于350吨/小时蒸汽锅炉(煤矿常用6吨/小时蒸汽锅炉58.3台)，约为50.1万吨标准煤/年。后期可利用热量358457kw。相当于512吨/小时蒸汽锅炉(煤矿常用6吨/小时蒸汽锅炉85.3台)，约为73.7万吨标准煤/年。根据上述两淮回风热能可利用量统计，再加上安徽省其它地方煤矿，按照安徽省煤炭年产量1亿吨计算，预计全安徽省矿井总回风量8715m3/s，可利用热量409268kw。约为84.2万吨标准煤/年。相当于排放219万吨二氧化碳。按照2006全国煤炭年产量23.25亿吨计算，预计全国矿井总回风量2202623m3/s，可利用热量9515481kw。约为1957万吨标准煤/年。相当于排放5088万吨二氧化碳。煤矿回风中蕴含着大量的地热能，通过与空气源热泵技术的结合即可以取代目前煤矿企业传统的燃煤锅炉供热，节约大量煤矿企业自耗煤，煤矿空气能提取技术的推广及应用可以为安徽省节约标准煤约84.2万吨/每年，减少二氧化碳排放约219万吨/每年。按全国煤矿吨煤电耗20kWh/t，2006全国煤炭年产量23.25亿吨，则全国煤矿每年耗电465亿kWh，按照目前每千瓦时耗煤320g计算，煤矿每年自耗电，相当于1488万吨标准煤，煤矿回风流热能技术的利用将可以为全国煤矿节约自耗煤2000万吨，减少二氧化碳排放约5000万吨/每年。该技术的推广将使煤炭行业“十一五”单位生产总值能耗比2005年下降20％的计划提前超额完成，甚至“十二五、十三五”的节能减排目标也提前完成。而且该技术也适合在非煤矿山推广应用，综合效益非常显著。
附图说明
图1是本发明矿井回风能量利用方法循环示意
图2是本发明矿井回风能量利用装置结构示意图
具体实施方式
在矿井空气源热泵系统中，如图1、2所示，回风筒10，热泵系统的外置换热器11和内置换热器12，井筒换热器13，1、2是换热器的制冷剂进出口，3是气流通孔。矿井回风热交换器实现将矿井回风中所蕴含的大量热能通过换热方式转移到热泵系统中。制热时工况时，热泵系统提取热量，在回风系统设有换热器，在回风风道中采用气液板式换热器，回风风道空气通过图2气液板式换热器的气道，而气液板式换热器的水道(液体通道)输送至热泵系统的蒸发热交换器进行换热。
设有二组并联的外置热交换器，第一组外置热交换器在回风筒内，第二组外置热交换器置于室外，回风温度高于室温时，制冷运行时采用第二组热交换器，制热运行时采用第一组热交换器。回风温度低于室温时，制冷运行时采用第一组热交换器，制热运行时采用第二组热交换器。
本发明的热泵系统尤其是采用涡旋热泵机组。热泵系统制热工况时，制出热水(一般50℃以上)作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源。热泵系统制冷工况时，制出冷水(一般7℃)作为夏季空调的冷源。
热泵系统在夏季制冷时，回风通过气流在23℃的回风气流亦可提高热泵系统的效率，可用于于制冰。采用新型高效、低噪音、免维护、环保型涡旋热泵机组，采用无毒、无污染工质，实现了模块化设计，压缩机并联使用，提高了备用系数及运行效率。低温、低噪音井筒防冻散热器，能适应进水温度45℃和环境温度-15℃的要求，保证进风井筒中混合空气温度2℃以上，解决了井筒防冻问题。应用空气源热泵技术回收矿井总回风中蕴藏的低温热能用于井筒防冻，工业广场建筑冬季供暖、夏季制冷，可全年提供卫生热水。

Claims (8)

1.矿井回风能量利用方法，其特征是在回风系统设有热泵系统的外置换热器，外置换热器交换的热量输送至热泵系统的蒸发热交换器即外置热交换器，热泵系统的冷凝热交换器即内交换器的放热端的热量传送至热泵系统制热工况时，制出热水作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源；热泵系统制冷工况时，制出冷水作为夏季空调的冷源。
2.由权利要求1所述的矿井回风能量利用方法，其特征是热泵系统的热端的热量通过管道输至布置于井筒的防冻热交换器。
3.由权利要求1所述的矿井回风能量利用方法，其特征是热泵系统采用涡旋热泵机组。
4.由权利要求1所述的矿井回风能量利用方法，其特征是设有二组外置热交换器，第一组外置热交换器在回风筒内，第二组外置热交换器置于室外，回风温度高于室温时，制冷运行时采用第二组热交换器，制热运行时采用第一组热交换器；回风温度低于室温时，制冷运行时采用第一组热交换器，制热运行时采用第二组热交换器。
5.由权利要求1所述的矿井回风能量利用方法，其特征是制热时工况时，热泵系统提取热量，在回风系统设有换热器，在回风风道中采用气液板式换热器，回风风道空气通过气液板式换热器的气道，而气液板式换热器的水道(液体通道)输送至热泵系统的蒸发热交换器进行换热。
6.由权利要求5所述的矿井回风能量利用方法，其特征是矿井回风热交换器安装在矿井回风口的主扇扩散塔上，通风局部阻力38Pa。降低主扇噪音33dB，同时，使得扩散塔出口风流得到净化。
7.由权利要求5所述的矿井回风能量利用方法，其特征是利用回风风道的动力安装风力发电系统，在回风风道内安装风力发电机浆叶。
8.矿井回风能量利用装置，在回风风道中设有热泵系统的外置换热器，热泵系统的冷凝热交换器即内交换器的放热端置于液体筒内，回风风道中的外置换热器采用气液板式换热器，回风风道空气通过气液板式换热器的气道，而气液板式换热器的液体通道连接工质材料输送至热泵系统的内置换器器，热泵系统的内置交换器放热端的热量制出热水作为供暖、井筒防冻、洗浴热水的热源。热泵系统制冷工况时，制出冷水作为夏季空调的冷源；设有二组外置热交换器，第一组外置热交换器在回风筒内，第二组外置热交换器置于室外。
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