CN103604212B - 一种大温差井口加热器及其运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大温差井口加热器，它包括一低温热源单元和一井筒进风加热单元；所述低温热源单元通过设置吸热器直接提取煤矿矿井回风中的低温热源，为井筒进风加热单元的预热段提供热源；所述井筒进风加热单元采用先预热后再热两种加热方式相结合，过滤后的井筒进风先与预热段内设置的预热器进行换热升温后，再进入再热器进行加热处理，加热到所需要的进风温度，经消声降噪后送入进风井井口房。本发明提供了一种适用于寒冷地区煤矿井筒防冻的装置，利用煤矿矿井回风余热来保障井筒防冻需求，以实现节能减排的效果。

Description

一种大温差井口加热器及其运行方式

技术领域

本发明涉及一种井口加热器，特别是针对寒冷地区利用低温热源对井筒进行保温以达到井筒防冻效果的装置。

背景技术

根据《煤矿安全规程》第一百零二条规定：“进风井口以下的空气温度（干球温度）必须在2℃以上”。然而在北方大部分地区的冬季，新风温度远低于这一要求。为了达到规定，保证生产工作正常运行，一般需要对矿井进风进行加热。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极易造成环境污染。

地面新鲜风流送入进风井筒以后，供给工作面新鲜空气的同时也吸收来自沿程围岩散热、机械设备散热、煤体氧化、人员等方面的散热，当风流从回风井排出时，矿井回风的温度比进风高出许多，加之矿井回风量大，因此，矿井回风中蕴藏着大量的低温热能，而这部分热能未被利用，直接排到大气，会造成热能的极大浪费。

针对进风井筒冬季保温需求，研究回收矿井回风中的低温热能来实现井筒进风预热节能意义重大。目前，现有技术回收矿井回风热能以供井筒防冻热源一般都是第三方的间壁换热，所以不可避免出现热能的损耗，换热效率降低。

加之，我国北方地区部分矿井建设在高海拔山区，冬季气候极其寒冷，远离工业广场，集中供热困难，矿井井筒防冻形势极其严峻，采用一般的以热泵为热源的井筒加热方式供热能力无法满足，达不到《煤矿安全规程》的要求，并且存在系统管路结冰等问题。因此，必须研制出一种适应于寒冷地区的高效、节能的井筒防冻装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种回收利用低温热源对井筒进行防冻处理的节能装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大温差井口加热器，它包括低温热源单元和井筒进风加热单元；所述低温热源单元包括一与矿井回风口相连接的扩散塔，一导流风罩和一吸热器；所述导流风罩包括一进风口、一排风口和一回风口，所述导流风罩的进风口与扩散塔顶部连接，所述导流风罩的排风口直接与大气相通，所述导流风罩的回风口通过一风阀连接一风道的一侧，所述风道的另一侧连接所述吸热器；所述井筒进风加热单元包括一进风口、一过滤段、一预热段、一风机段、一均风段、一再热段、一消音段和一出风口；所述预热段内设置一预热器，所述预热器通过一蒸汽上升管和下降管与所述低温热源单元中的吸热器相连接，形成一工质循环回路，所述吸热器的安装高度要低于所述预热器的安装高度；所述再热段内设置一再热器，所述再热器的上端出水口设置一上集水箱，所述再热器的下端进水口设置一下集水箱，所述上集水箱与下集水箱之间设置数排并列的换热管，所述再热器内填充热媒，所述上集水箱与所述下集水箱分别通过管道外接一提供热源的热泵机组。

所述低温热源单元中的风道内设置一防爆风机。

所述均风段处设置一温度传感器，所述再热器的热进管道上设置一电动阀。

所述低温热源单元中的吸热器与风道的连接处设置一除尘过滤器。

一个所述低温热源单元可以对应设置多个所述井筒进风加热单元。

所述低温热源单元中吸热器内对应设置与所述井筒进风加热单元同等数目的吸热模块，所述吸热器中的每一个吸热模块分别通过并联管道与对应的所述井筒进风加热单元中预热器相连接，从而形成多个独立的工质循环回路。

所述吸热器和预热器采用ND碳钢材质，碳钢外加防腐处理。

所述井筒进风加热单元的风机段并联设置多台风机，所述风机为小功率防爆轴流风机，所述风机段设置一检修口。

所述再热器的换热管为翅片换热管，所述再热器中填充的低温热媒为乙二醇水溶液。

一种大温差井口加热器的运行方式，它包括以下两种工况：

1）冬季工况

①冬季矿井回风温度较高，湿度大，蕴含大量低温热能，本发明在冬季运行时，开启导流风罩的回风口处风阀，矿井回风顺着扩散塔，在导流风罩的导流作用下进入风道，并在防爆风机的牵引下引至吸热器，以一定的风速横向掠过吸热器，与吸热器换热后的矿井回风温度降低，直接排入大气或作为其他方式的热源继续使用，吸热器中的工质吸收矿井回风中的热能，蒸发为气体，在压力差的作用下蒸汽向上顺着蒸汽上升管流入井筒进风加热单元中预热段内设置的的预热器，蒸汽凝结，放出汽化潜热，在重力的作用下工质顺着下降管回流到吸热器中，循环往复，不断为井筒进风加热单元中的预热段提供热源；

②将井筒进风加热单元的出风口连接到进风井井口房，在风机的牵引下外部的冷空气通过进风口进入过滤段，过滤掉空气中的大颗粒杂质后，进入预热段，与预热段内的预热器中工质换热；

③温度升高后的空气通过风机段进入再热段，再热段处设置的温度传感器将测量的温度信号传递给热泵机组热进管道处设置的电动阀，判断当前温度是否达到预设值T₀：

如果判断结果为肯定，则电动阀关闭；

如果判断结果为否定，则调节电动阀阀门开口大小，控制热泵机组将加热后的低温热媒，通过热进管道进入再热段中再热器的下集水箱中，均匀通过换热管与外部冷空气换热后进入上集水箱中，之后通过热出管道返回热泵机组被继续加热，为井筒进风加热单元中的再热段提供热源，调节进风空气的温度；

④空气被加热到所需温度T₀后经过消音段消声降噪，最后通过出风口送入井筒，从而实现了井筒防冻的目的；

2）春、夏、秋三季工况

在春、夏、秋三季不需要井筒防冻的情况下，关闭导流风罩的回风口处风阀，导流风罩的排风口完全打开，矿井回风顺着扩散塔从导流风罩的排风口处直接排至大气。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明回收矿井回风中的低温热能，将其作为井筒进风预热的热源，矿井回风通过吸热器和预热器中的工质直接将热量传给冷流空气，避免了普通换热器通过第三方换热介质传热所造成的热能损失，通过工质输送热能，避免制造很长的输送风道，能够实现冷、热流体的远程换热，提高换热效率。2、本发明采用“预热+再热”两种加热方式相结合，井筒进风经预热后，再进入再热器进行加热处理，克服了进风温度低的问题，充分保证换热量，适于寒冷地区的井筒防冻。3、本发明再热器采用集箱式连接，便于换热管的水力平衡，水量分配相同，每根换热管进水量相同，同时增加了管道的过流量，避免损坏。4、本发明中一个低温热源单元可以对应设置多个井筒进风加热单元，本发明结构简单，设计巧妙，换热效果好，可广泛用于寒冷地区井口保温中。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图一

附图2是本发明的结构示意图二

附图3是本发明中再热器的结构示意图

附图4是本发明中吸热器的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一低温热源单元1和一井筒进风加热单元2。

本发明中低温热源单元1包括一与矿井回风口相连接的扩散塔11，一导流风罩12和一吸热器13。

导流风罩12设置有三个开口，分别是进风口121、排风口122和回风口123，进风口121与扩散塔11顶部连接，排风口122直接与大气相通，回风口123通过一风阀124连接一风道125的进风处，风道125出风处通过一除尘过滤器31连接吸热器13，吸热器13内填充工质。根据吸热器13对矿井通风阻力的影响，风道125内还可以设置一防爆风机32，以保障矿井回风顺利通过吸热器13。

本发明中井筒进风加热单元2包括依次设置的一进风口21、一过滤段22、一预热段23、一风机段24、一均风段25、一再热段26、一消声段27和一出风口28。

过滤段22用于过滤空气中的大颗粒物质及均匀进风流，有助于提高进风换热效果。

预热段23内设置一预热器231，预热器231内填充工质，预热器231通过一蒸汽上升管33和一下降管34与低温热源单元1中的吸热器13相连接，吸热器13的工质吸热蒸发后，蒸汽顺着蒸汽上升管33流入预热器231，在预热器231放热冷凝后沿着下降管回流至吸热器13，从而形成一工质循环回路。吸热器13的安装高度要低于预热器231的安装高度，保证蒸汽可以在重力的作用下从预热器231回流至吸热器13。

如图1、图3所示，再热段26内设置一再热器4，再热器4的上端出水口设置一上集水箱41，再热器4的下端进水口设置一下集水箱42，上集水箱41与下集水箱42之间设置数排并列的换热管43，上集水箱41通过一热出管道44外接一提供热源的热泵机组的回水口，上集水箱41顶部设置一排气阀46，下集水箱42通过一热进管道45连接热泵机组的供水口，下集水箱底部设置一排水阀47，再热器4内部填充热媒。经过热泵机组加热后的低温热媒通过热进管道45进入下集水箱42，通过下集水箱42后均匀进入换热管43，然后进入上集水箱41后由热出管道44排出，返回热泵机组重新加热。

井筒进风加热单元2中均风段25处设置一温度传感器6，采集进再热器4之前的进风空气温度，再热器4的热进管道45上设置一电动阀48，温度传感器6与电动阀48电连接，从而实现根据温度信号对热源进水流量进行调节。

风机段24可以设置1台或多台风机并联，风机可以为小功率防爆轴流风机，保证大幅度的风量调节。风机段24壳体上设置一检修口5，便于风机检修。

如图2、图4所示，上述一个低温热源单元1可以对应设置多个井筒进风加热单元2，一个低温热源单元1中吸热器13可以由多个吸热模块131组成，一个吸热模块131对应一个井筒进风加热单元2中的预热器231，一个吸热器13中的每一个吸热模块131分别通过并联管道与对应的井筒进风加热单元2中预热器231相连接，从而形成多个独立的工质循环回路，分别为多个井筒进风加热单元2的预热段23提供热源。

上述实施例中，再热器4中的低温热媒可以采用乙二醇水溶液，换热效果好，并且防止低温冷冻水在高寒条件下结冰。

上述实施例中，所述再热器4的换热管43可以为翅片换热管，以提高低温热媒与冷空气之间的换热能力，满足高寒条件下的井筒防冻需求。

上述实施例中，吸热器13和预热器231可以采用ND碳钢材质，碳钢外加防腐处理，以抵御矿井回风中含有的腐蚀性气体。

本发明冬季工况下工作的工作流程如下：

1）冬季工况

①冬季矿井回风温度较高，湿度大，蕴含大量低温热能，本发明在冬季运行时，开启导流风罩的回风口处风阀，导流风罩的排风口闭合；矿井回风顺着扩散塔11，在导流风罩12的导流作用下通过回风口123进入风道125。矿井回风在防爆风机32的牵引下引至吸热器13，并以一定的风速横向掠过吸热器13，与吸热器13换热后的矿井回风温度降低，直接排入大气或作为其他方式的热源继续使用。吸热器13中的工质吸收矿井回风中的热能，蒸发为气体，吸热器13中蒸汽的温度和压力都稍稍高于工质循环管路中的其他部分，因此产生了压力差，促使蒸汽向上顺着蒸汽上升管33流入井筒进风加热单元2中预热段23内设置的预热器231，蒸汽在预热器231内的液-气分界面上凝结，放出汽化潜热。预热器231放热冷凝后的工质在重力的作用下，顺着下降管34回流到吸热器13的液池当中，只要有加热源，这一过程就会循环进行，不断为井筒进风加热单元2中的预热段23提供热源。

②将井筒进风加热单元2的出风口28连接到进风井井口房，在风机241的牵引下外部的冷空气通过进风口21进入过滤段22，过滤掉空气中的大颗粒杂质后，进入预热段23，与预热段23内的预热器231中工质换热。

③温度升高后的空气通过风机段24进入再热段26，均风段处设置的温度传感器6将测量的温度信号传递给热泵机组热进管道45处设置的电动阀48，判断当前温度是否达到预设值T₀：

如果判断结果为肯定，则电动阀关闭；

如果判断结果为否定，则调节电动阀阀门开口大小，控制热泵机组将加热后的低温热媒，通过热进管道45进入再热段26中再热器4的下集水箱42中，均匀通过换热管43与外部冷空气换热后进入上集水箱41中，之后通过热出管道44返回热泵机组被继续加热，为井筒进风加热单元2中的再热段26提供热源，调节进风空气的温度。

④空气被加热到所需温度T₀后经过消音段27消声降噪，最后通过出风口28送入井筒，从而实现了井筒防冻的目的。

2）春、夏、秋三季工况

在春、夏、秋三季不需要井筒防冻的情况下，关闭导流风罩的回风口处风阀，导流风罩的排风口完全打开，矿井回风顺着扩散塔从导流风罩的排风口处直接排至大气。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种大温差井口加热器，其特征在于：

它包括低温热源单元和井筒进风加热单元；

所述低温热源单元包括一与矿井回风口相连接的扩散塔，一导流风罩和一吸热器；

所述导流风罩包括一进风口、一排风口和一回风口，所述导流风罩的进风口与扩散塔顶部连接，所述导流风罩的排风口直接与大气相通，所述导流风罩的回风口通过一风阀连接一风道的一侧，所述风道的另一侧连接所述吸热器；

所述井筒进风加热单元包括一进风口、一过滤段、一预热段、一风机段、一均风段、一再热段、一消音段和一出风口；

所述预热段内设置一预热器，所述预热器通过一蒸汽上升管和下降管与所述低温热源单元中的吸热器相连接，形成一工质循环回路，所述吸热器的安装高度要低于所述预热器的安装高度；

所述再热段内设置一再热器，所述再热器的上端出水口设置一上集水箱，所述再热器的下端进水口设置一下集水箱，所述上集水箱与下集水箱之间设置数排并列的换热管，所述再热器内填充热媒，所述上集水箱与所述下集水箱分别通过管道外接一提供热源的热泵机组。

2.如权利要求1所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述低温热源单元中的风道内设置一防爆风机。

3.如权利要求2所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述均风段处设置一温度传感器，所述再热器的热进管道上设置一电动阀。

4.如权利要求1或2或3所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述低温热源单元中的吸热器与风道的连接处设置一除尘过滤器。

5.如权利要求4所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：一个所述低温热源单元对应设置一个或多个所述井筒进风加热单元。

6.如权利要求5所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述低温热源单元中吸热器内对应设置与所述井筒进风加热单元同等数目的吸热模块，所述吸热器中的每一个吸热模块分别通过并联管道与对应的所述井筒进风加热单元中预热器相连接，从而形成多个独立的工质循环回路。

7.如权利要求6所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述吸热器和预热器采用ND碳钢材质，碳钢外加防腐处理。

8.如权利要求6所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述井筒进风加热单元的风机段并联设置1台或多台风机，所述风机为小功率防爆轴流风机，所述风机段设置一检修口。

9.如权利要求8所述的一种大温差井口加热器，其特征在于：所述再热器的换热管为翅片换热管，所述再热器中填充的低温热媒为乙二醇水溶液。

10.如权利要求9所述的一种大温差井口加热器的运行方式，它包括以下两种工况：

1)冬季工况

①冬季矿井回风温度较高，湿度大，蕴含大量低温热能，本发明在冬季运行时，开启导流风罩的回风口处风阀，矿井回风顺着扩散塔，在导流风罩的导流作用下进入风道，并在防爆风机的牵引下引至吸热器，以一定的风速横向掠过吸热器，与吸热器换热后的矿井回风温度降低，直接排入大气或作为其他方式的热源继续使用，吸热器中的工质吸收矿井回风中的热能，蒸发为气体，在压力差的作用下蒸汽向上顺着蒸汽上升管流入井筒进风加热单元中预热段内设置的的预热器，蒸汽凝结，放出汽化潜热，在重力的作用下工质顺着下降管回流到吸热器中，循环往复，不断为井筒进风加热单元中的预热段提供热源；

②将井筒进风加热单元的出风口连接到进风井井口房，在风机的牵引下外部的冷空气通过进风口进入过滤段，过滤掉空气中的大颗粒杂质后，进入预热段，与预热段内的预热器中工质换热；

③温度升高后的空气通过风机段进入再热段，再热段处设置的温度传感器将测量的温度信号传递给热泵机组热进管道处设置的电动阀，判断当前温度是否达到预设值T₀：

如果判断结果为肯定，则电动阀关闭；

如果判断结果为否定，则调节电动阀阀门开口大小，控制热泵机组将加热后的低温热媒，通过热进管道进入再热段中再热器的下集水箱中，均匀通过换热管与外部冷空气换热后进入上集水箱中，之后通过热出管道返回热泵机组被继续加热，为井筒进风加热单元中的再热段提供热源，调节进风空气的温度；

④空气被加热到所需温度T₀后经过消音段消声降噪，最后通过出风口送入井筒，从而实现了井筒防冻的目的；

2)春、夏、秋三季工况

在春、夏、秋三季不需要井筒防冻的情况下，关闭导流风罩的回风口处风阀，导流风罩的排风口完全打开，矿井回风顺着扩散塔从导流风罩的排风口处直接排至大气。