CN104019580A - 一种低风温工况矿井回风源热泵系统及其运行方式 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低风温工况矿井回风源热泵系统及其运行方式，包括一扩散塔，一矿井回风换热器、一循环水池、一加料设备、一溶液浓缩设备、一热泵机组单元、一用户设备，其特征在于：扩散塔底部设置的汇水池管道连接循环水池，循环水池内设置一喷淋泵和供水泵；喷淋泵通过两并联管道连接扩散塔顶部设置的矿井回风换热器的喷淋管道，其中一并联管道上设置一溶液浓缩设备；供水泵通过管道连接热泵机组单元的一侧，同时热泵机组单元的另一侧还通过管道连接用户设备；循环水池连接加料设备以实现防冻液的投加。本发明可以广泛应用于高寒地区低风温工况条件下矿井回风热能或冷能的回收利用。

Description

一种低风温工况矿井回风源热泵系统及其运行方式

技术领域

本发明涉及一种热泵系统及其运行方式，特别是关于一种用于回收高寒地区煤矿矿井回风源中低温热量或冷量的热泵系统及其运行方式。

背景技术

目前现有的矿井回风源热泵技术主要应用于回风温度＞10℃的矿井，对于回风温度10℃以下的低风温工况矿井回风低温废热的回收还处于空白。而具有回风温度≤10℃的矿井主要分布在山西、内蒙、陕西等高寒地区，而这些地区可回收的矿井回风废热非常丰富。与此同时，这些地区冬季室外最低平均温度多在-25℃，山西北部、内蒙、陕西北部冬季室外最低平均气温则达到了-30℃，导致矿井井筒防冻等用热负荷加大，这对于矿井采用新的供热方式替代燃煤锅炉提出了严峻的考验。

因此，开发一种低风温工况矿井回风热能回收技术，解决高寒地区井筒防冻用热问题，对促进这些地区矿井推广应用供热新技术，努力实现节能减排、减少雾霾等环境污染具有重要的战略意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种用于回收低风温工况矿井回风中低温热量或冷量，为煤矿生活生产提供所需热能或冷量的热泵系统及其运行方式。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低风温工况矿井回风源热泵系统，包括一扩散塔，一矿井回风换热器、一循环水池、一加料设备、一溶液浓缩设备、一热泵机组单元、一用户设备，其特征在于：

所述扩散塔底部设置一汇水池，所述汇水池通过管道连接所述循环水池；

所述循环水池内设置一喷淋泵和供水泵，所述喷淋泵通过一回风换热主管道和一喷淋循环管道连接所述扩散塔顶部设置的所述矿井回风换热器的喷淋管道，从而在循环水池与矿井回风换热器之间组成一水雾循环管路；

所述喷淋泵还通过所述回风换热主管道和一溶液浓缩管道连接所述矿井回风换热器的喷淋管道，所述溶液浓缩管道上设置所述溶液浓缩设备，从而在循环水池与矿井回风换热器之间组成一溶液浓缩循环管路；

所述循环水池中设置的供水泵通过一在线水处理设备连接所述热泵机组单元，所述热泵机组单元再通过管道连接所述循环水池，同时所述热泵机组单元还通过一循环管路连接所述用户设备；

所述循环水池的一侧通过一加料阀连接所述加料设备；

所述喷淋循环管道和所述溶液浓缩管道上均设置一调节阀；

所述矿井回风换热器的喷淋管道处设置一温度传感器和一浓度传感器。

所述循环水池封闭设置。

所述加料设备配备搅拌器。

所述热泵机组单元可以是1台或1台以上并联的热泵机组。

所述溶液浓缩设备为膜浓缩设备。

所述加料设备中填充的防冻液可以由卤素盐溶液和缓蚀剂组成。

所述防冻液为氯化钙溶液时，当管路水温＜2℃时，氯化钙溶液控制浓度范围：5％-10％。

一种低风温工况矿井回风源热泵系统的运行方式，包括以下两种模式：

1)夏季制冷运行模式，包括以下步骤：

①关闭加料设备及加料阀，关闭溶液浓缩管道上的调节阀和溶液浓缩设备，最后关闭温度传感器和浓度传感器，并且打开喷淋循环管道上的调节阀；

②其他设备开启运行，矿井回风换热器喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机从井下抽出的矿井总回风在扩散塔中进行换热，换热后雾化水滴经汇水池收集进入循环水池，供水泵泵送循环水通过在线水处理设备过滤并进入热泵机组吸收热量后，流回循环水池，再通过喷淋循环管道返回矿井回风换热器继续换热；

③热泵机组将从循环水中提取的冷量传递给用户设备，完成用户端循环制冷过程，满足用户设备的用冷需求；

2)冬季制热运行模式，包括以下步骤：

①关闭加料设备及加料阀，关闭溶液浓缩管道上的调节阀和溶液浓缩设备，开启温度传感器和浓度传感器；

②启动其他设备后，通过温度传感器监测管路水温：

a)当温度传感器监测到管路水温高于2℃时，保持通过喷淋循环管道使循环水池与矿井回风换热器相连通；

b)当温度传感器监测到管路水温低于2℃时，开启加料阀及加料设备，并通过加料设备向循环水池中投入防冻液，通过喷淋循环管道向矿井回风换热器泵送防冻液，并通过浓度传感器监测管路内的溶液浓度；

当防冻剂浓度达到管路防冻需求时，关闭加料阀停止加料，同时开启调节阀和溶液浓缩设备，通过控制调节阀的大小，调节进入喷淋循环管道和溶液浓缩管道的防冻液的流量，使防冻液浓度稳定在有效的工作范围内；

运行过程中，如果监测到防冻液浓度仍无法满足需求，则打开加料阀和加料设备，通过加料设备往循环水池追加投入防冻液；

③矿井回风换热器喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机从井下抽出的矿井回风在扩散塔内进行换热，换热后的雾化水经汇水池收集进入循环水池，通过供水泵将水经过在线水处理设备过滤进入热泵机组释放热量后，再回流到循环水池，然后通过喷淋循环管道或溶液浓缩管道返回矿井回风换热器继续换热；

④热泵机组通过循环管路将水雾循环中提取的热量传递给用户设备，完成用户端循环供热过程，满足用户设备的用热需求。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明中循环水池配备有加料设备，在冬季低温工况下，通过加入防冻液使管路中的载热流体即使在低温工况下也不会冻结，并且通过配备搅拌器的加料设备能使防冻液浓度均匀，不会产生局部防冻剂浓度过高产生结晶使管路堵塞的情况。2、本发明载热流体输送管路上设置有溶液浓缩设备，能稳定管路中的溶液浓度，能够有效地避免因为“飘水”等损耗使防冻液浓度下降而导致管路冻结的情况，并且能够减少防冻液的持续投入，能有效地节约成本。3、本发明由于在喷淋管路处设置温度传感器和浓度传感器，在冬季低温工况下，通过监测进入矿井回风换热器之前的管内流体的温度和浓度，调控防冻液的投加量，适应冬季环境气温变化，保障系统安全稳定运行。本发明可以广泛应用于高寒地区低风温工况条件下矿井回风热能或冷能的回收利用。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图

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，本发明包括一与矿井主通风机1相连的扩散塔2，一矿井回风换热器3、一循环水池4、一加料设备5、一溶液浓缩设备6、一热泵机组单元7、一用户设备8。

扩散塔2顶部设置矿井回风换热器3，矿井回风换热器3采用喷淋换热方式，扩散塔2底部设置一汇水池21，汇水池21通过一管道连接循环水池4的顶部。

循环水池4内设置一喷淋泵41和一供水泵42。喷淋泵41连接一回风换热主管道9，回风换热主管道9分为两分支管道；其中一分支管道为喷淋循环管道91，喷淋循环管道91通过一调节阀93连接矿井回风换热器3的喷淋管道31，从而在循环水池4与矿井回风换热器3之间组成一水雾循环管路；回风换热主管道9的另一分支管道为溶液浓缩管道92，溶液浓缩管道92通过一调节阀94和一溶液浓缩设备6连接矿井回风换热器3的喷淋管道31，从而在循环水池4与矿井回风换热器3之间组成一溶液浓缩循环管路。矿井回风换热器3的喷淋管道31处设置一温度传感器32和一浓度传感器33，监测进入矿井回风换热器之前的管道内流体的温度和浓度。

循环水池4中设置的供水泵42通过一在线水处理设备43连接热泵机组单元7一侧的进水端，热泵机组单元7同侧的回水端通过一管路连接回循环水池4。

同时，在循环水池4的一侧通过一加料阀51连接加料设备5，并且通过控制加料阀51的开启实现由加料设备5向循环水池4中加入防冻液。

热泵机组单元7另一侧通过一循环管道连接用户设备8，用户设备8可以是采暖空调设备、洗浴设备、煤矿井口防冻设备等。

本发明工作时分为两种运行模式，一种是在夏季提取矿井回风中的冷量满足用户供冷需求的制冷运行模式；另一种则是在冬季提取矿井回风中的热能满足用户供热需求的制热运行模式。

当处于夏季制冷运行模式时，包括以下步骤：

1)关闭加料设备5及加料阀51，关闭溶液浓缩管道92上的调节阀94和溶液浓缩设备6，最后关闭温度传感器32和浓度传感器33，并且打开调节阀93，确保仅通过喷淋循环管道91使循环水池4与矿井回风换热器3相连通；

2)其他设备开启运行，矿井回风换热器3喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机1从井下抽出的矿井总回风在扩散塔2中进行换热，换热后雾化水滴经汇水池21收集进入循环水池4，供水泵42泵送循环水通过在线水处理设备43过滤并进入热泵机组7吸收热量后，流回循环水池4，再通过喷淋循环管道91返回矿井回风换热器3继续换热，循环往复；

3)热泵机组7将从循环水中提取的冷量传递给用户设备8，完成用户端循环制冷过程，满足用户设备8的用冷需求。

当处于冬季制热运行模式时，包括以下步骤：

1)首先，关闭加料设备5及加料阀51，关闭溶液浓缩管道92上的调节阀94和溶液浓缩设备6，开启温度传感器32和浓度传感器33，通过喷淋循环管道91使循环水池4与矿井回风换热器3相连通。

2)启动其他设备后，通过温度传感器32监测管路水温：

①当温度传感器32监测到管路水温高于2℃时，管路系统正常运转，保持通过喷淋循环管道91使循环水池4与矿井回风换热器3相连通。矿井回风换热器3喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机1从井下抽出的矿井回风在扩散塔2内进行换热，换热后的雾化水经汇水池21收集进入循环水池4，通过供水泵42将水经过在线水处理设备43过滤进入热泵机组7释放热量后，再回流到循环水池4，然后通过喷淋循环管道91返回矿井回风换热器3继续换热，循环往复；

②当温度传感器32监测到管路水温低于2℃时，管路系统有冻结危险。此时开启加料阀51及加料设备5，并通过加料设备5向循环水池4中投入防冻液，通过喷淋循环管道91向矿井回风换热器3泵送防冻液，并通过浓度传感器33监测管路内的溶液浓度；

当防冻剂浓度达到管路防冻需求时，关闭加料阀51停止加料，同时开启调节阀94和溶液浓缩设备6，通过控制调节阀93和调节阀94的大小，调节进入喷淋循环管道91和溶液浓缩管道92的防冻液的流量，从而使防冻液浓度稳定在有效的工作范围内；

运行过程中，如果监测到防冻液浓度仍无法满足需求，则打开加料阀51和加料设备5，通过加料设备5往循环水池追加投入防冻液；

矿井回风换热器3喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机1从井下抽出的矿井回风在扩散塔2内进行换热，换热后的雾化水经汇水池21收集进入循环水池4，通过供水泵42将水经过在线水处理设备43过滤进入热泵机组7释放热量后，再回流到循环水池4，然后通过喷淋循环管道91和溶液浓缩管道92返回矿井回风换热器3继续换热，循环往复；

3)热泵机组7通过循环管路将水雾循环中提取的热量传递给用户设备8，完成用户端循环供热过程，满足用户设备8的用热需求。

上述实施例中，循环水池4密封设置，防止热能散失以及投加防冻液后溶质的挥发损失。

上述实施例中，加料设备5配备搅拌器，使防冻液浓度均匀。

上述实施例中，加料设备5中填充的防冻液可以由卤素盐溶液和缓蚀剂组成。防冻液为氯化钙溶液时，当管路水温＜2℃时，氯化钙溶液控制浓度范围：5％-10％。

上述实施例中，热泵机组单元7可以为1台或1台以上并联的热泵机组。

上述实施例中，溶液浓缩设备6可以为膜浓缩设备。

上述实施例中，可以通过PLC控制模块，监控温度传感器和浓度传感器，并根据信号反馈控制设备启停和阀门开关、大小，实现自动或半自动控制。

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 (8)

1.一种低风温工况矿井回风源热泵系统，包括一扩散塔，一矿井回风换热器、一循环水池、一加料设备、一溶液浓缩设备、一热泵机组单元、一用户设备，其特征在于：

所述扩散塔底部设置一汇水池，所述汇水池通过管道连接所述循环水池；

所述循环水池内设置一喷淋泵和供水泵，所述喷淋泵通过一回风换热主管道和一喷淋循环管道连接所述扩散塔顶部设置的所述矿井回风换热器的喷淋管道，从而在循环水池与矿井回风换热器之间组成一水雾循环管路；

所述喷淋泵还通过所述回风换热主管道和一溶液浓缩管道连接所述矿井回风换热器的喷淋管道，所述溶液浓缩管道上设置所述溶液浓缩设备，从而在循环水池与矿井回风换热器之间组成一溶液浓缩循环管路；

所述循环水池中设置的供水泵通过一在线水处理设备连接所述热泵机组单元，所述热泵机组单元再通过管道连接所述循环水池，同时所述热泵机组单元还通过一循环管路连接所述用户设备；

所述循环水池的一侧通过一加料阀连接所述加料设备；

所述喷淋循环管道和所述溶液浓缩管道上均设置一调节阀；

所述矿井回风换热器的喷淋管道处设置一温度传感器和一浓度传感器。

2.如权利要求1所述的一种低风温工况矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述循环水池封闭设置。

3.如权利要求1所述的一种低风温工况矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述加料设备配备搅拌器。

4.如权利要求1所述的一种低风温工况矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述热泵机组单元可以是1台或1台以上并联的热泵机组。

5.如权利要求1所述的一种低风温工况矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述溶液浓缩设备为膜浓缩设备。

6.如权利要求1所述的一种低风温工况矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述加料设备中填充的防冻液可以由卤素盐溶液和缓蚀剂组成。

7.如权利要求6所述的一种低风温工况矿井回风源热泵系统，其特征在于：所述防冻液为氯化钙溶液时，当管路水温＜2℃时，氯化钙溶液控制浓度范围：5％-10％。

8.一种低风温工况矿井回风源热泵系统的运行方式，包括以下两种模式：

1)夏季制冷运行模式，包括以下步骤：

①关闭加料设备及加料阀，关闭溶液浓缩管道上的调节阀和溶液浓缩设备，最后关闭温度传感器和浓度传感器，并且打开喷淋循环管道上的调节阀；

②其他设备开启运行，矿井回风换热器喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机从井下抽出的矿井总回风在扩散塔中进行换热，换热后雾化水滴经汇水池收集进入循环水池，供水泵泵送循环水通过在线水处理设备过滤并进入热泵机组吸收热量后，流回循环水池，再通过喷淋循环管道返回矿井回风换热器继续换热；

③热泵机组将从循环水中提取的冷量传递给用户设备，完成用户端循环制冷过程，满足用户设备的用冷需求；

2)冬季制热运行模式，包括以下步骤：

①关闭加料设备及加料阀，关闭溶液浓缩管道上的调节阀和溶液浓缩设备，开启温度传感器和浓度传感器；

②启动其他设备后，通过温度传感器监测管路水温：

a)当温度传感器监测到管路水温高于2℃时，保持通过喷淋循环管道使循环水池与矿井回风换热器相连通；

b)当温度传感器监测到管路水温低于2℃时，开启加料阀及加料设备，并通过加料设备向循环水池中投入防冻液，通过喷淋循环管道向矿井回风换热器泵送防冻液，并通过浓度传感器监测管路内的溶液浓度；

当防冻剂浓度达到管路防冻需求时，关闭加料阀停止加料，同时开启调节阀和溶液浓缩设备，通过控制调节阀的大小，调节进入喷淋循环管道和溶液浓缩管道的防冻液的流量，使防冻液浓度稳定在有效的工作范围内；

运行过程中，如果监测到防冻液浓度仍无法满足需求，则打开加料阀和加料设备，通过加料设备往循环水池追加投入防冻液；

③矿井回风换热器喷淋雾化水滴，雾化水滴与矿井主通风机从井下抽出的矿井回风在扩散塔内进行换热，换热后的雾化水经汇水池收集进入循环水池，通过供水泵将水经过在线水处理设备过滤进入热泵机组释放热量后，再回流到循环水池，然后通过喷淋循环管道或溶液浓缩管道返回矿井回风换热器继续换热；

④热泵机组通过循环管路将水雾循环中提取的热量传递给用户设备，完成用户端循环供热过程，满足用户设备的用热需求。