CN105528953B - 一种矿井排风废冷/热回收模拟实验平台 - Google Patents
一种矿井排风废冷/热回收模拟实验平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，包括热湿状态参数营造单元、喷淋式冷/热回收单元和热泵单元，热湿状态参数营造单元包括依次设置的风机、对开调节阀、冷/热水表面换热器、电辅助加热器和喷雾加湿器，喷淋式冷/热回收单元包括冷/热水集水池、喷淋水泵、第一控制阀和多排喷嘴单元，喷淋水泵的一端与冷/热水集水池相连，另一端分别与多排喷嘴单元相连，喷淋水泵与每排喷嘴单元相连的管道上设有第一控制阀，所述热泵单元分别与冷/热水表面换热器、冷/热水集水池相连。本发明可以根据需要模拟多种矿井排风热湿状态，模拟研究多种喷淋方案的热回收效率，模拟研究各影响因素对热回收效率的影响。
Description
技术领域
本发明涉及能源回收利用领域，特别涉及一种矿井排风废冷/热回收模拟实验平台。
背景技术
经矿井排风井排出的污风温度全年一般维持在15~30℃左右、相对湿度一般高达90%以上，每个矿井的排风量一般约在50～500m3/s，蕴含了大量的低品位能源。已有矿山企业利用热泵技术提取风流中的冷/热量，用于冬季采暖或夏季空调；提取冷/热量的方式主要将热泵系统产出的冷冻水或冷却水淋到矿井排风井排出的污风中，吸收矿井排风中的冷、热量。如2008年7月23日公开的CN101225996A发明专利(专利号：ZL200820014137.7)介绍的一种矿井乏风热能利用装置和2010年1月13日公开的CN2013381870Y发明专利(专利号：ZL200920021263.5)介绍的一种矿井回风余热全回收利用装置都是用于实际矿井排风的热回收装置。
虽然上述专利技术都是采用喷淋水的方式回收矿井排风中的热能，但由于各种技术采用的喷水方式、喷水参数的不同，以及矿井地理位置、扩散塔的布置型式、回风流状态参数的不同，致使不同矿山企业利用热泵技术提取排风中冷/热量的效果存在很大差异。究其原因，现有工程实例没有根据不同排风状态参数、不同喷水方式、喷水参数、风水量比等进行取冷/热量及效率的实验研究，大多采用的步骤为：首先只根据热泵技术原理对矿井排风废热回收系统及装置进行初步设计，然后利用计算软件对初步设计的排风废热回收系统及装置进行数值模拟分析，再根据数值模拟分析结果修正初步设计，便予以实施。但由于计算软件内置传热及流体理论计算模型与矿山实际条件存在偏差，致使得大多数矿井排风废热回收利用系统及装置冷/热回收效果不理想。因此，开展采用喷淋方式回收矿井排风中低品位废能源的方案与效率的研究，可为实际矿井排风废冷/热回收方案确定、系统及装置设计提供理论依据。但目前并没有可以合理模拟矿井排风废冷/热回收的实验装置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够模拟多种矿井排风热湿状态、模拟研究多种喷淋方案的冷热回收效率、模拟研究各影响因素对冷/热回收效率影响的矿井排风废冷/热回收模拟实验平台。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，包括热湿状态参数营造单元、喷淋式冷/热回收单元和热泵单元，所述热湿状态参数营造单元包括风机、对开调节阀、冷/热水表面换热器、电辅助加热器和喷雾加湿器，风机安装在空气管道的首端，空气管道内依次设有对开调节阀、冷/热水表面换热器、电辅助加热器和喷雾加湿器，所述喷淋式冷/热回收单元包括冷/热水集水池、喷淋水泵、第一控制阀和多排喷嘴单元，所述多排喷嘴单元设置在空气管道后方的垂直或水平风道内，冷/热水集水池位于多排喷嘴单元正下方，喷淋水泵的一端与冷/热水集水池相连，另一端分别与多排喷嘴单元相连，喷淋水泵与每排喷嘴单元相连的管道上均设有第一控制阀，所述热泵单元分别与冷/热水表面换热器、冷/热水集水池相连。
上述矿井排风废冷/热回收模拟实验平台中，所述热泵单元包括热泵机组、冷/热水循环泵、第二控制阀、换热循环泵、冷却塔，所述热泵机组经冷/热水循环泵与冷/热水集水池相连，热泵机组经换热循环泵与冷/热水表面换热器相连，热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上、热泵机组与冷/热水表面换热器相连的管道上均设有第二控制阀，所述冷却塔与热泵机组相连。
上述矿井排风废冷/热回收模拟实验平台中，所述喷淋式冷/热回收单元还包括汽水分离段，汽水分离段包括直角弯道和半圆形分风装置，所述直角弯道安装在空气管道的尾端，直角弯道的出风口设有半圆形分风装置，半圆形分风装置的底部开孔并通过水管与冷/热水集水池相连。
上述矿井排风废冷/热回收模拟实验平台还包括数据检测单元、数据采集单元，数据检测单元包括水温度传感器、水流量传感器、风量传感器和风流温湿度传感器，热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上、喷淋水泵与每排喷嘴单元相连的管道上均设有水温度传感器，热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上、冷/热水集水池与每排喷嘴单元相连的管道上、热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上均设有水流量传感器，所述风量传感器安装在空气管道中喷雾加湿器的后方，空气管道中冷/热水表面换热器的前方、空气管道中喷雾加湿器的后方以及汽水分离段的直角弯道内均设有风流温湿度传感器，数据采集单元包括数据采集器、控制器和显示器，水温度传感器、水流量传感器、风量传感器、风流温湿度传感器的信号输出端与数据采集器的输入端相连，数据采集器的输出端与控制器相连，控制器与显示器相连。
上述矿井排风废冷/热回收模拟实验平台中，每排喷嘴单元上的喷嘴方向可调节。
上述矿井排风废冷/热回收模拟实验平台中，所述热湿状态参数营造单元中包括多组营造模块，每组营造模块均包括依次设置的冷/热水表面换热器、电辅助加热器、喷雾加湿器。
本发明的有益效果在于：本发明包括热湿状态参数营造单元和喷淋式冷/热回收单元，热湿状态参数营造单元可实现多种矿井排风热湿状态参数的模拟；喷淋式冷/热回收单元可实现多种喷嘴排数组合、多种喷水方向组合、多种喷水量送风量组合、多种喷水温度送风温度组合下的冷/热回收量与回收效率的模拟；本矿井排风废冷/热回收模拟实验平台可以根据需要模拟多种矿井排风热湿状态，模拟研究多种喷淋方案的热回收效率，模拟研究各影响因素对热回收效率的影响，因此，可针对具体矿山风井排风参数模拟其冷/热回收量与回收效率，进而指导矿山现场矿井排风冷/热回收装置和冷/热利用系统的设计。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括热湿状态参数营造单元、喷淋式冷/热回收单元、热泵单元、数据检测单元、数据采集单元。
所述热湿状态参数营造单元包括风机1、对开调节阀2、两组营造模块，每组营造模块均包括依次设置的冷/热水表面换热器3、电辅助加热器4、喷雾加湿器5，风机1安装在空气管道的首端，空气管道内依次设有对开调节阀2、冷/热水表面换热器3、电辅助加热器4和喷雾加湿器5，由于实验环境空气参数与矿井排风参数相差甚远，热湿状态参数营造单元通过风机1将实验环境空气引入实验空气管道内，然后经空气管道内布置的冷/热水表面换热器3、电辅助加热器4和喷雾加湿器5处理至设定的矿井排风热湿状态。实验时，通过调节冷/热水表面换热器3水流量、电辅助加热器4功率及喷雾加湿器5加湿量等实现各种设定矿井排风热湿状态的模拟；为了高精度地模拟矿井排风热湿状态参数，同时布置两组营造模块；其中，冷/热水表面换热器3利用热泵单元产生的冷/热水。对开调节阀2用于调节风机1送入系统的风量。
所述喷淋式冷/热回收单元包括冷/热水集水池6、喷淋水泵10、第一控制阀13、多排喷嘴单元7和汽水分离段18，所述多排喷嘴单元7设置在空气管道后方的垂直或水平段风道内，冷/热水集水池6位于多排喷嘴单元7正下方，冷/热水集水池6分设并作保温隔热处理。喷淋水泵10的一端与冷/热水集水池6相连，另一端分别与多排喷嘴单元7相连，喷淋水泵10与每排喷嘴单元7相连的管道上均设有第一控制阀13，所述热泵单元分别与冷/热水表面换热器3、冷/热水集水池6相连。多排喷嘴单元7完全并联设置，通过各第一控制阀13实现每排单独开启或多排同时开启，实现总喷水量调节和每排喷嘴单元7喷水量单独调节。通过数据检测单元的各传感器实现总喷水量、温度和每排喷嘴喷水量、温度的监控，并通过数据采集单元实时上传到显示器进行实时记录。多排喷嘴单元7的各喷嘴方向可调整，可调整成逆风流方向，也可调整成顺风流方向，以实现多排喷嘴的逆喷、顺喷、对喷方式。
汽水分离段18用于分离经喷淋水提取了冷/热量后的外排风流中夹带的水汽，以减少外排空气夹带水汽对实验室环境的影响，其包括直角弯道和半圆形分风装置，所述直角弯道安装在空气管道的尾端，直角弯道的出风口设有半圆形分风装置，半圆形分风装置的底部开孔并通过水管与冷/热水集水池6相连。特别强调的是，一般情况下多在喷淋段后设挡水板分离水汽，一是减少喷淋水损失，二是减少对环境的影响。但由于实验研究不是长时间运行，同时为了节省成本，因而采用了简易离心式汽水分离方式。
当模拟矿井排风热量回收过程时，冷/热水集水池6的冷水池用于集存热泵单元冷/热水循环泵9送来的冷水并作为多排喷嘴单元7的喷淋水，冷/热水集水池6冷水池的冷水经喷淋水泵10输送给多排喷嘴单元7喷出并与热湿状态参数营造单元送来的高温、高湿热风直接接触进行热湿交换，吸收热风中的热量，吸收了风流中热量的喷淋水温度升高成为热水，此热水收集于冷/热水集水池6的热水池内；冷/热水集水池6热水池内的热水，再经热泵单元的冷/热水循环泵9送回热泵单元的热泵机组8，热泵机组8再将送来的热水降温成设定温度的冷水，循环往复。反之，当模拟矿井排风冷量回收过程时，冷/热水集水池6的热水池集存热泵机组8送来的热水并作为多排喷嘴单元7的喷淋水，冷/热水集水池6热水池的热水经喷淋水泵10输送给多排喷嘴单元7喷出并与热湿状态参数营造单元送来的低温冷风直接接触，喷淋水中的热量被风流吸收温度降低成为冷水，降温后的冷水收集于冷/热水集水池6的冷水池内，然后由冷/热水循环泵9送回热泵单元的热泵机组8，热泵机组8再将送来的冷水加热成设定温度的热水，循环往复。
所述热泵单元包括热泵机组8、冷/热水循环泵9、第二控制阀19、换热循环泵16、冷却塔17，所述热泵机组8经冷/热水循环泵9与冷/热水集水池6相连，热泵机组8经换热循环泵16与冷/热水表面换热器3相连，热泵机组8与冷/热水集水池6相连的管道上、热泵机组8与冷/热水表面换热器3相连的管道上均设有第二控制阀19，所述冷却塔17与热泵机组8相连。当模拟矿井排风冷/热量回收过程时，热泵单元制取的热/冷水送入喷淋式冷/热回收单元的冷水集水池，用于喷淋冷/热回收单元的喷淋水；热泵单元产生的冷/热水一部分送入热湿状态参数营造单元的冷/热水表面换热器3冷却/加热风流，一部分送入冷却塔17将冷/热量排入大气。
数据检测单元包括水温度传感器11、水流量传感器12、风量传感器14和风流温湿度传感器15，热泵机组8与冷/热水集水池6相连的管道上、喷淋水泵10与每排喷嘴单元7相连的管道上均设有水温度传感器11，热泵机组8与冷/热水集水池6相连的管道上、冷/热水集水池6与每排喷嘴单元7相连的管道上、热泵机组8与冷/热水集水池6相连的管道上均设有水流量传感器12，所述风量传感器14安装在空气管道中喷雾加湿器5的后方，空气管道中冷/热水表面换热器3的前方、空气管道中喷雾加湿器5的后方以及汽水分离段18的直角弯道内均设有风流温湿度传感器15，数据采集单元包括数据采集器、控制器和显示器，水温度传感器11、水流量传感器12、风量传感器14、风流温湿度传感器15的信号输出端与数据采集器的输入端相连，数据采集器的输出端与控制器相连，控制器与显示器相连。
本发明的工作原理如下：模拟实验平台工作时，风机1将环境空气引入空气管道内，引入的风流依次经过热湿状态参数营造单元的两组冷/热水表面换热器3、电辅助加热器4及喷雾加湿器5处理至设定的温度、湿度状态，继而流入设置在垂直或水平风道内的喷淋式冷/热回收单元中的多排喷嘴单元7，并与多排喷嘴单元7喷出的低温冷水（或高温热水）进行热交换，释放出冷/热量，变成低温（或高温）空气，然后流经汽水分离段18分离出空气中携带的水分排入大气环境。
热泵机组8生产的冷/热水经冷/热水循环泵9输送到冷/热水集水池6内，当模拟矿井排风热量回收过程时，冷/热水集水池6的冷水池用于集存热泵单元冷/热水循环泵9送来的冷水并作为多排喷嘴单元7的喷淋水，冷/热水集水池6冷水池的冷水经喷淋水泵10输送给多排喷嘴单元7喷出并与热湿状态参数营造单元送来的高温、高湿热风直接接触进行热湿交换，吸收热风中的热量，吸收了风流中热量的喷淋水温度升高成为热水，此热水收集于冷/热水集水池6的热水池内；冷/热水集水池6热水池内的热水，再经热泵单元的冷/热水循环泵9送回热泵单元的热泵机组8，热泵机组8再将送来的热水降温成设定温度的冷水，循环往复。反之，当模拟矿井排风冷量回收过程时，冷/热水集水池6的热水池集存热泵机组8送来的热水并作为多排喷嘴单元7的喷淋水，冷/热水集水池6热水池的热水经喷淋水泵10输送给多排喷嘴单元7喷出并与热湿状态参数营造单元送来的低温冷风直接接触，喷淋水中的热量被风流吸收温度降低成为冷水，降温后的冷水收集于冷/热水集水池6的冷水池内，然后由冷/热水循环泵9送回热泵单元的热泵机组8，热泵机组8再将送来的冷水加热成设定温度的热水，循环往复。
其中，热泵机组8还同时为热湿状态参数营造单元的两组冷/热水表面换热器3提供冷/热水。工作流程：热泵机组8生产的冷/热水一部分经换热循环泵16输送到热湿状态参数营造单元的两组冷/热水表面换热器3，冷却/加热流经冷/热水表面换热器3的空气，升温/降温了的冷/热水循环流入热泵机组8再处理成所需温度的冷/热水，循环往复；热泵机组8生产的另一部分冷/热水输送至冷却塔17与大气换热，升温/降温了的冷/热水循环也流入热泵机组8再处理成所需温度的冷/热水，循环往复。
实验时，调节风机1和对开调节阀2来控制进入系统的风量大小；调节冷/热水表面换热器3的流量、电辅助加热器4的功率及喷雾加湿器5的加湿量实现多种设定的矿井排风热湿状态；通过第一控制阀13调节多排喷嘴单元7的喷水排数、喷水量；通过调整多排喷嘴单元7中喷嘴的方向调节喷水方向；通过改变热泵机组8的出水温度设定值改变多排喷嘴单元7的喷水温度。
Claims (5)
1.一种矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，其特征在于：包括热湿状态参数营造单元、喷淋式冷/热回收单元和热泵单元，所述热湿状态参数营造单元包括风机、对开调节阀、冷/热水表面换热器、电辅助加热器和喷雾加湿器，风机安装在空气管道的首端，空气管道内依次设有对开调节阀、冷/热水表面换热器、电辅助加热器和喷雾加湿器，所述喷淋式冷/热回收单元包括冷/热水集水池、喷淋水泵、第一控制阀和多排喷嘴单元，所述多排喷嘴单元设置在空气管道后方的垂直或水平风道内，冷/热水集水池位于多排喷嘴单元正下方，喷淋水泵的一端与冷/热水集水池相连，另一端分别与多排喷嘴单元相连，喷淋水泵与每排喷嘴单元相连的管道上均设有第一控制阀，所述热泵单元分别与冷/热水表面换热器、冷/热水集水池相连；所述热泵单元包括热泵机组、冷/热水循环泵、第二控制阀、换热循环泵、冷却塔，所述热泵机组经冷/热水循环泵与冷/热水集水池相连，热泵机组经换热循环泵与冷/热水表面换热器相连，热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上、热泵机组与冷/热水表面换热器相连的管道上均设有第二控制阀，所述冷却塔与热泵机组相连。
2.根据权利要求1所述的矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，其特征在于：所述喷淋式冷/热回收单元还包括汽水分离段，汽水分离段包括直角弯道和半圆形分风装置，所述直角弯道安装在空气管道的尾端，直角弯道的出风口设有半圆形分风装置，半圆形分风装置的底部开孔并通过水管与冷/热水集水池相连。
3.根据权利要求2所述的矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，其特征在于：还包括数据检测单元、数据采集单元，数据检测单元包括水温度传感器、水流量传感器、风量传感器和风流温湿度传感器，热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上、喷淋水泵与每排喷嘴单元相连的管道上均设有水温度传感器，热泵机组与冷/热水集水池相连的管道上、冷/热水集水池与每排喷嘴单元相连的管道上均设有水流量传感器，所述风量传感器安装在空气管道中喷雾加湿器的后方，空气管道中冷/热水表面换热器的前方、空气管道中喷雾加湿器的后方以及汽水分离段的直角弯道内均设有风流温湿度传感器，数据采集单元包括数据采集器、控制器和显示器，水温度传感器、水流量传感器、风量传感器、风流温湿度传感器的信号输出端与数据采集器的输入端相连，数据采集器的输出端与控制器相连，控制器与显示器相连。
4.根据权利要求1所述的矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，其特征在于：每排喷嘴单元上的喷嘴方向可调节。
5.根据权利要求1所述的矿井排风废冷/热回收模拟实验平台，其特征在于：所述热湿状态参数营造单元中包括多组营造模块，每组营造模块均包括依次设置的冷/热水表面换热器、电辅助加热器、喷雾加湿器。
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