CN105525938B - 一种矿用空气冷却设备及冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用空气冷却设备及冷却方法，将要处理的矿井风流先与U型热管管束换热器的蒸发段进行热湿交换，完成了第一次冷却减湿的空气处理过程，然后再与表面式空冷器进行热湿交换，完成了第二次冷却减湿的空气处理过程。其中矿用空气冷却设备由箱体、U型热管管束换热器、表面式空冷器、喷淋系统、挡水板及防爆风机组成。设置于箱体内的隔板将U型热管管束换热器分隔成上下两部分，上部空间设置U型热管管束换热器的蒸发段，下部空间设置U型热管管束换热器的冷凝段，U型热管管束换热器的蒸发段和冷凝段由通过隔板的U型热管管束换热器的连接段相连。该设备利用U型热管管束换热器和表面式空调器组合降温除湿，可实现大温差、大湿差及大焓差处理矿井风流，并具有能耗低的优点，可以被广泛应用在矿井降温系统中。
Description
技术领域
本发明涉及矿井降温技术，特别是一种适用于采掘工作面热害环境中降温用的矿用空气处理技术和设备。
背景技术
由于长期开采，浅部资源日渐枯竭，很多矿井开采不得不向深部发展，由于采掘深度的增加和其它热湿源的放热放湿作用，高温高湿已成为制约深井安全生产的突出问题。矿井机械制冷降温技术已应用于越来越多的矿井中。矿用空气冷却设备是矿井机械制冷降温系统中的关键部件，它的降温效果和效率直接影响矿井降温系统的技术性和经济性。
现用的矿用空气冷却设备，主要分为两大类：直接接触式空冷器和表面式空冷器。直接接触式空冷器中借助于空气和来自制冷机组的冷冻水直接接触使空气冷却，直接接触式空冷器设备庞大，受井下有限空间的影响，制冷能力有限。在表面式空冷器中，空气经管壁与管内的来自制冷机组的冷冻水进行换热，以使空气冷却。受井下空间有限的限制，空冷器的换热面积有限，因此矿用表面式空冷器的供冷能力有限。
以上两类设备的冷冻水都来自于低温制冷机组，矿井降温系统的能耗很大。
因此，现有的矿井空气处理技术存在制冷能力有限及能耗大的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿用空气冷却设备及冷却方法，该设备利用U型热管管束换热器和表面式空调器组合降温除湿，可实现大温差、大湿差及大焓差处理矿井风流，并具有能耗低、制冷能力大的优点，可以被广泛应用在矿井降温系统中。
本发明的技术方案是，一种矿用空气冷却设备，其特征在于：包括箱体、U型热管管束换热器、表面式空冷器、喷淋系统、挡水板及风机，设置于箱体内的隔板将U型热管管束换热器分隔成上下两部分，上部空间设置U型热管管束换热器的蒸发段，下部空间设置U型热管管束换热器的冷凝段，U型热管管束换热器的蒸发段和冷凝段通过隔板的U型热管管束换热器连通段相连；所述箱体上设有进风口及出风口。
所述U型热管管束换热器由若干根单根U型热管组成，每个单根U型热管内壁紧贴吸液芯，U型热管内部先抽真空，再注入制冷剂；每个单根U型热管都由蒸发段、连通段和冷凝段组成。
以矿井空气运动方向，表面式空冷器位于U型热管管束换热器后方，表面式空冷器后面设置挡水板，挡水板后面设置防爆风机；表面式空冷器内的介质是来自制冷机组的低温冷冻水，供水水温为5～9℃。
所述U型热管管束换热器及表面式空冷器为光管式换热器，U型热管管束换热器的蒸发段和表面式空冷器下方分别设有滴水盘，滴水盘内均设有排水孔，可接排水管。
所述喷淋系统由进水管、水泵、立管、排管、喷嘴、水池、滤水器、排水管、溢水管组成，水池位于U型热管管束换热器的底部，水池内设有进水管、溢水管、滤水器、排水管，所述喷嘴为尼龙离心喷嘴。
所述挡水板为波纹型挡水板。
所述的风机和水泵为防爆风机和防爆水泵。
所述箱体底部设有用于带动箱体移动的万向轮。
所述箱体上设有表面式空冷器冷冻水进水口和出水口。
在矿井热害不严重的矿井中，本发明提出的矿用空气冷却设备还可以停用表面式空冷器，其它组成部分均不变。
冷却方法为：要处理的矿井空气先与U型热管管束换热器的蒸发段进行热湿交换，完成了第一次冷却减湿的空气处理过程，然后再与表面式空冷器进行热湿交换，完成了第二次冷却减湿的空气处理过程。U型热管冷凝段的热量通过喷淋矿井地下水带走。
两次冷却减湿的空气处理过程的综合作用可大大提高矿用空气冷却设备的制冷能力。U型热管管束换热器利用自身内部工质循环，不需要消耗任何能源，能承担矿井降温的一部分冷负荷，从而节约了矿井降温系统的能耗。
上述矿用空气冷却设备中，要处理的矿井空气依次经进风口→U型热管管束换热器的蒸发段→表面式空冷器→挡水板→防爆风机→出风口。
上述的矿用空气冷却设备，U型热管冷凝段所用的矿井地下喷淋水依次经进水管→防爆水泵→立管→排管→喷嘴→水池→排水管
本发明方法及设备具有以下优点：
1)本发明中的热管利用自身内部工质循环，不需要消耗任何能源，能承担一部分的冷负荷，从而提高矿用空气冷却设备的能效比，节约了矿井降温系统的能耗，因此具有能耗低的优点。
2)本发明的矿井空气经U型热管管束换热器蒸发段进行第一次冷却减湿，再通过表面式冷却器进行第二次冷却减湿，两次冷却减湿的综合作用能实现大温差、大湿差及大焓差的空气处理过程，因此具有制冷能力大的优点。
3)本发明用于热害不严重的矿井中，可让表面式空冷器不工作，即不开启制冷机组，不产生冷冻水，仅靠热管中的蒸发段即可满足制冷量，实现了最大程度的节能。
附图说明
图1是本发明矿井空气冷却设备结构示意图。
图2是本发明单根U型热管组成部分及工作原理图。
图3是依照本发明矿井空气冷却方法的原理图。
图4是依照本发明矿井空气处理过程的焓湿图。
附图标记说明:
1—箱体；2—隔板；3—U型热管管束换热器；4—U型热管管束换热器的蒸发段；5—U型热管管束换热器的冷凝段；6—U型热管管束换热器的连通段；7—表面式空冷器；8-矿井地下水的进水管；9—水泵；10—立管；11—排管；12—喷嘴；13—水池；14—滤水器；15—排水管；16—溢水管；17—挡水板；18—风机；19—万向轮；20—进风口；21—出风口；22—表面式空冷器冷冻水进水管；23—表面式空冷器冷冻水回水管；24—U型热管管束换热器的蒸发段的滴水盘；25—表面式空冷器的滴水盘。
3-1—单根U型热管；3-2—单根U型热管的蒸发段；3-3—单根U型热管的冷凝段；3-4—单根U型热管的连通段；3-5—吸液芯。
具体实施方式
下面结合附图对依照本发明矿井空气冷却设备作进一步详细说明。本发明是利用U型热管技术和表面式空冷器相结合的方式对矿井空气进行降温除湿的方法及设备。
如图1所示，本发明提供的矿用空气冷却设备,包括箱体(1)、U型热管管束换热器(3)、表面式空冷器(7)、喷淋系统、挡水板(17)、水泵(9)和风机(18)，设置于箱体内的隔板(2)将U型热管管束换热器(3)分隔成上下两部分，上部空间设置U型热管管束换热器的蒸发段(4)，下部空间设置U型热管管束换热器的冷凝段(5)，U型热管管束换热器的蒸发段(4)和冷凝段(5)通过隔板的U型热管管束换热器连通段(6)相连；所述箱体(1)上设有进风口(20)及出风口(21),箱体(1)上设有表面式空冷器冷冻水进水口(22)和出水口(23)。
U型热管管束换热器由15个单根U型热管组合而成。
U型热管管束换热器(3)及表面式空冷器(7)为光管式换热器，U型热管管束换热器的蒸发段(4)和表面式空冷器(7)下方分别设有滴水盘(24和25)，滴水盘(24和25)内均设有排水孔，可接排水管(15)。
以空气运动方向，表面式空冷器(7)位于U型热管管束换热器(3)后面，表面式空冷器(7)后面设置挡水板(17)，挡水板(17)后面设置防爆风机(18)。
喷淋系统的水池(13)位于U型热管管束换热器(3)的底部，水池(13)内设有进水管(8)、溢水管(16)、滤水器(14)、排水管(15)等。矿井地下喷淋水通过进水管(8)，经防爆水泵(18)通过立管(10)和排管(11)到达U型热管管束换热器的冷凝段(5)上部的喷嘴(12)进行喷淋，喷嘴可采用Y-1型尼龙离心喷嘴。喷淋后的热水落入水池(13)，水池中的溢水管(16)能实现自动溢水的功能。水池中的水经滤水器(14)排污后通过排水管(15)排走。
本发明中所用U型热管管束换热器和空气冷却器均采用铜管光管式换热器。
如图2所示，本发明中单根U型热管(3-1)的工作过程为：使用状态下，每根单根热管内封闭回路中是真空并充注液体制冷剂的。封闭回路工作时，液态制冷剂汇集在蒸发段(3-2)中，蒸发段(3-2)和要处理的矿井热空气进行热交换，蒸发段(3-2)内的液态制冷剂得到热量，受热蒸发产生的制冷剂蒸气通过连通段(3-4)上升到达冷凝段(3-3)，制冷剂蒸气在冷凝段(3-3)中与喷淋系统中经喷嘴(12)喷淋的矿井地下水进行热交换，冷凝段(3-3)制冷剂蒸气失去热量，释放潜热而凝结成液态制冷剂，液态制冷剂在热管壁表面吸液芯(3-5)毛细力的作用下，经连通段(3-4)回到蒸发段(3-2)中，如此循环往复运行。热管内的整个工作过程依靠吸液芯(3-5)毛细力作用，不需要外加能源，就能使制冷剂自然循环流动。
本发明中喷淋系统的工作过程为：喷淋系统的供水来自矿井地下水，地下水的供水水温要求在30℃以下，一般均能达到要求，在防爆水泵(9)提供的动力下，将矿井地下水通过进水管(8)到垂直立管(10)，再到水平排管(11)，通过排管(11)上若干个喷嘴(12)将矿井地下水均匀的喷洒在U型热管管束换热器的冷凝段(5)的管壁上，与冷凝段(5)内的制冷剂蒸气进行热交换，由于喷淋水温低于U型热管管束换热器的冷凝段(5)的管壁温度，喷淋水得到热量，水温升高，通过重力落入到水池(13)中，水池中经过滤水器(14)过滤冷却后再次回用送入喷淋系统的进水管(8)，如此循环不已。
本发明中表面式空冷器的冷冻水的工作过程为：表面式空冷器(7)经进水管(22)将制冷机组产生的5～9℃的低温冷冻水送入表面式空冷器，由于表面式空冷器(7)管壁温度低于空气的温度，表面式空冷器(7)内冷冻水得到热量，水温升高，升温后的冷冻水经回水管(23)回到制冷机组，与制冷机组的蒸发器进行热交换后，再次降温到5～9℃的低温冷冻水，再进入表面式空冷器(7)，如此循环不已。
如图3所示，本发明中矿井空气工作过程为：要处理的状态点A的矿井空气先经过U型热管管束换热器的蒸发段(4)，与U型热管热管管束换热器内部液态制冷剂进行间接式的热交换，由于U型热管管束换热器的蒸发段(4)的管壁温度低于状态点A矿井空气的露点温度，状态点A矿井空气失去显热热量和潜热热量，状态点A矿井空气被第一次冷却减湿,得到处理后的状态点B矿井空气。经U型热管管束换热器蒸发段(4)处理后的状态点B矿井空气再流经表面式空冷器(7)，由于表面式空冷器(7)管壁温度低于状态点B矿井空气的露点温度，空气失去显热热量和潜热热量，空气被第二次冷却减湿，得到状态点C矿井空气。被第二次冷却减湿的状态点C矿井空气通过挡水板，去除状态点C矿井空气中含有的细小水滴，再通过防爆风机(18)，风机(18)使矿用空气冷却机组形成负压，提供空气流动的动力，将制备好的低温低湿的状态点C矿井空气通过出风口(21)送入矿井需降温的采掘工作面，吸收工作面空气的热量和湿量，降低工作面空气的温度和湿度，使工作面降温达到国家规范标准。
本发明矿井空气处理机组表面式空冷器(7)可以不工作，即不开启制冷机组，不产生冷冻水，仅靠U型热管管束换热器中的蒸发段(4)即可满足制冷量，实现了最大程度的节能。实施例2适用于热害不严重的场合。
如图4所示，矿井空气从状态点A先经U型热管管束换热器的蒸发段进行第一次冷却减湿，到状态点B，再经过表面式空冷器进行第二次冷却减湿，到状态点C。U型热管管束换热器的蒸发段完成了从状态点A到状态点B的冷却减湿空气处理过程，承担了一部分矿井工作面的冷负荷，冷负荷为处理风量与状态点A和状态点B两点的焓差；表面式空冷器完成了从状态点B到状态点C的冷却减湿空气处理过程，承担了另一部分矿井工作面的冷负荷，冷负荷为处理风量与状态点B和状态点C两点的焓差，由于热管承担了一部分矿井工作面的冷负荷，大大减少了矿井降温系统的总能耗并提高了矿井空气处理设备的制冷能力。
需要说明的是，本发明提供的矿用空气冷却设备还可以根据实际制冷负荷的需要，调整U型热管的数量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (3)
1.一种矿用空气冷却方法，其特征在于：将要处理的矿井空气先与U型热管管束换热器的蒸发段(4)进行热湿交换，完成了第一次冷却减湿的空气处理过程，然后再与表面式空冷器(7)进行热湿交换，完成了第二次冷却减湿的空气处理过程，U型热管冷凝段(5)的热量通过矿井地下水喷淋带走；
具体处理过程为：要处理的状态点A矿井空气先经过U型热管管束换热器的蒸发段(4)，与U型热管热管管束换热器内部液态制冷剂进行间接式的热交换，由于U型热管管束换热器的蒸发段(4)的管壁温度低于状态点A矿井空气的露点温度，状态点A矿井空气失去显热热量和潜热热量，状态点A矿井空气被第一次冷却减湿，得到处理后的状态点B矿井空气；经U型热管管束换热器蒸发段(4)处理后的状态点B矿井空气再流经表面式空冷器(7)，由于表面式空冷器(7)管壁温度低于状态点B矿井空气的露点温度，空气失去显热热量和潜热热量，空气被第二次冷却减湿，得到状态点C矿井空气；被第二次冷却减湿的状态点C矿井空气通过挡水板(17)，去除状态点C矿井空气中含有的细小水滴，再通过风机(18)使矿用空气冷却机组形成负压，提供空气流动的动力，将制备好的低温低湿的状态点C矿井空气通过出风口(21)送入矿井需降温的采掘工作面，吸收工作面空气的热量和湿量，降低工作面空气的温度和湿度，使工作面降温达到国家规范标准。
2.根据权利要求1所述的矿用空气冷却方法，其特征在于：冷却矿用空气的设备包括箱体(1)、U型热管管束换热器(3)、表面式空冷器(7)、喷淋系统、挡水板(17)及风机(18)，设置于箱体内的隔板(2)将U型热管管束换热器(3)分隔成上下两部分，上部空间设置U型热管管束换热器的蒸发段(4)，下部空间设置U型热管管束换热器的冷凝段(5)，U型热管管束换热器的蒸发段(4)和冷凝段(5)通过隔板的U型热管管束换热器连通段(6)相连；所述箱体(1)上设有进风口(20)及出风口(21)；所述喷淋系统由进水管(8)、水泵(9)、立管(10)、排管(11)、喷嘴(12)、水池(13)、滤水器(14)、排水管(15)、溢水管(16)组成，水池(13)位于U型热管管束换热器(3)的底部，水池(13)内设有进水管(8)、溢水管(16)、滤水器(14)、排水管(15)，所述喷嘴(12)为尼龙离心喷嘴。
3.根据权利要求1所述的矿用空气冷却方法，其特征在于：矿井地下喷淋水通过进水管(8)，经水泵(9)通过立管(10)和排管(11)到达U型热管管束换热器的冷凝段(5)上部的喷嘴(12)进行喷淋，喷淋后的热水落入水池(13)，经滤水器(14)过滤冷却后再次回用送入喷淋系统的进水管(8)，如此循环不已，水池中的溢水管(16)能实现自动溢水的功能，水池中的水经滤水器(14)排污后通过排水管(15)排走。
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