CN107036324A - 一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统 - Google Patents

Abstract

一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，它包括乏风取热装置、主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组、乏风换热冲洗融霜装置和带热管换热器的矿井加热装置。乏风取热装置串联在煤矿乏风管路中以利用煤矿乏风中的余热。在空气源热泵机组内部，分别设有压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、油分离器，充分吸收来自乏风换热装置的热量，通过冷凝器向矿井加热机组提供热源。乏风换热冲洗融霜装置设有冲洗泵、沉淀池、中间水池、冲洗水池，通过热水加热管路与空气源热泵机组相连。本发明将热管换热技术与空气源热泵机组、乏风换热技术以及井筒防冻系统相结合，能可靠从煤矿矿井乏风中取得热量并用于井筒防冻使用，运行风阻小。

Description

一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，具体涉及一种基于热管换热技术的乏风源热泵井筒防冻系统，主要用于煤矿矿井井筒防冻。

背景技术

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，热管拥有如此良好的导热能力。因为物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。从热传递的三种方式来看（辐射、对流、传导），其中对流传导最快。热管是利用介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程，即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，直到热管两端温度相等（此时蒸汽热扩散停止）。这种循环是快速进行的，因此热量可以被源源不断地被传导。

现有的矿井乏风余热利用技术，主要有两种不同的技术路线，一种是喷淋式取热，喷淋式取热存在取热量小，大量的煤粉尘易积易堵，同时在乏风温度低于10度以后，需要不断加抗冻剂等缺陷，另一种是直接蒸发式取热，直接蒸发式由于乏风中混有较多的灰尘，乏风换热器容易被堵塞等问题，造成乏风换热器的风阻力较大，同时直接蒸发式取热还存在单台蒸发器的换热面积较小，在乏风温度较低时蒸发器结霜融霜问题影响乏风源热泵的制热效率，制约了直接蒸发式乏风源热泵的应用与推广。

同时上述两种乏风余热利用技术都存在一个节能率不高的问题，在部分场所基本上节煤不节能，只是解决了采用清洁能源问题，节能效益不明显，因此存在市场竞争力不强，推广难度大等问题。

现有的矿井井筒防冻，主要采用矿井加热机组，利用蒸汽加热盘管或翅片式换热器直接加热新风，能量消耗大。

发明内容

针对现有乏风余热利用中存在的不足，本发明的目的是提供一种运行风阻小，系统综合能耗低且换热效率高，不受使用地域限制并可节约大量能源，降低环境污染的一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统。

本发明充分利用乏风中的热能，通过在矿井回风与室外新风温差大于10度时，直接采用热管换热技术加热新风，矿井回风与室外新风温差小于10度时，采用空气源热泵技术在矿井加热机组中加热新风或者采用辅助热源加热新风，提高了乏风源热泵系统利用于井筒防冻的整体效率，节能环保，以满足生产工艺要求。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，由乏风取热装置、乏风冲洗融霜装置、主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组、带热管换热器的矿井加热装置组成，乏风取热装置与乏风冲洗融霜装置之间通过冲洗管路相连，乏风取热装置、主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组和带热管换热器的矿井加热装置之间通过制冷剂管路相连并形成一个完整的热泵回路。

在所述的乏风取热装置内，设有乏风通道并与乏风干管相连，在乏风的进风口设有风量调节阀，乏风通道内设有翅片式热管换热器，翅片式热管换热器同时也是主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器，翅片式热管换热器安装于集水盘的上面，翅片式热管换热器的上端设有闭式喷淋水箱，翅片式热管换热器的进风侧与出风侧通过取压管与压差控制器相连，翅片式热管换热器通过制冷剂管道与主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组相连，并且在进液管处设有制冷剂分配器，将制冷剂均布分布于各换热回路。在进液管路中，并联设置有膨胀阀和第一电磁阀。

所述的主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器与热管换热器的蒸发端设计为一个整体，即翅片式热管换热器既可以作为热管换热器的蒸发端，也可以作为主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器，从乏风中吸热。

翅片式热管换热器通过制冷剂管道并经过第二电磁阀、汽液分离器、回气管与压缩机相连。压缩机通过排气管路与二次油分离器相连，二次油分离器通过制冷剂管路与带热管换热器的矿井加热装置的翅片式冷凝器相连，翅片式冷凝器同时也是热管换热器的冷凝端冷凝器。二次油分离器通过回油管路将润滑油回流到压缩机内，在回油管路上，依次设有油过滤器和油路电磁阀。翅片式冷凝器通过制冷剂冷凝液管路与膨胀阀及第一电磁阀相连，在气液分离器的底部设有回油管路通过截止阀与压缩机的低压端相连。主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的制冷剂管道上第二电磁阀进口管路通过三通与单向阀相连，单向阀通过管路与来自二次油分离器通过制冷剂管路一起与带热管换热器的矿井加热装置的翅片式冷凝器相连。

乏风冲洗融霜装置通过加热回水管路与外界热源相连，在加热供水管路上设有电动比例调节阀。乏风冲洗融霜装置设有一个用内部隔板分隔为三个部分的水箱，水箱分别有沉淀水箱、中间水箱、冲洗水箱。冲洗水箱内部设有加热盘管，加热盘管通过加热回水管路及加热供水管路与主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组相连。冲洗水箱内部还设有温控器，用于调节电动比例调节阀的开度。冲洗水箱还通过冲洗管路与乏风取热装置顶部的闭式喷淋水箱相连，在冲洗管路上还设有冲洗循环泵。沉淀水箱通过排水管与乏风取热装置底部的集水盘相连。沉淀水箱还设有补水口与排污口，在补水管路上设有补水电动阀，在排污口上设有排污电动阀。

所述带热管换热器的矿井加热装置包括离心风机、辅助加热翅片式换热器和翅片式冷凝器，离心风机连接新风出口，辅助加热翅片式换热器通过电动调节阀与来自外界的辅助热源（如燃气或电蓄热锅炉制取的热水）相连接，翅片式冷凝器通过制冷剂管路和单向阀与乏风取热装置的翅片式热管换热器连接；翅片式冷凝器通过集液器制冷剂冷凝液管路与膨胀阀及第一电磁阀相连。

本发明的有两种工作模式：

1）当矿井回风温度-室外新风温度＞10度时，来自乏风干道的乏风通过风量调节阀引入翅片式热管换热器，翅片式热管换热器与乏风进行热交换。在热交换过程中翅片式热管换热器内的工质(制冷剂)吸收乏风热量由液体迅速蒸发为气态，供乏风换热冲洗融霜装置融霜；气态的制冷剂在热扩散的动力下，流向翅片式热管换热器的冷凝端冷凝为液态，并放出大量的冷凝热；冷凝热进入带热管换热器的矿井加热装置中将带热管换热器的矿井加热装置中的室外新风加热至设定温度以上（如2度），以满足生产工艺要求。

（2）当矿井回风温度-室外新风温度＜10度时，启动主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组，在压缩机的作用下，乏风进入翅片式热管换热器，制冷剂吸收乏风热量由液体蒸发为气态；气态的制冷剂在翅片式热管换热器中冷凝为液态，并放出大量的冷凝热，将带热管换热器的矿井加热装置中的室外新风加热至设定温度（如2度），以满足生产工艺要求。

当乏风中的粉尘造成乏风换热器堵塞时，会使翅片式热管换热器前后的压差大于设定值，此时压差控制器给出启动信号，冲洗循环泵开始运转，对翅片式热管换热器进行清洗；

当乏风温度低到2摄氏度时，翅片式热管换热器就可能产生结霜现象，通过加热盘管对冲洗水箱内的水进行加热，水箱内的热水从冲洗循环泵和冲洗管道进入闭式喷淋水箱，然后进入翅片式热管换热器，实现对翅片式热管换热器的融霜功能。

本发明一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统将热管换热技术与空气源热泵机组、乏风换热技术以及井筒防冻系统相结合，可完全避免现有乏风热泵的系统或热管换热器系统运行中的缺陷，减少了矿井新风加热过程中间环节。

本发明采用被动式类热管运行时，基本不耗电，有利于节约大量电能；采用主动式空气源热泵机组方面，因为只需要在热负荷减少时运行，因此可以选择较小的热泵机组，可以降低空气源热泵设备的初投资，而且空气源热泵机组运行时间减少，能耗减少非常明显。

本发明与传统的井筒防冻方式相比，运行可靠，实现煤矿减煤减排，节省运行费用，降低环境污染，有效利用乏风余热资源，节能环保显著。

附图说明

图1是本发明一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统的结构示意图。

图中，1、乏风通道，2、风量调节阀，3、压差控制器，4、闭式喷淋水箱，5、翅片式热管换热器，6、制冷剂管道，7、制冷剂分配器，8、膨胀阀，9、气液分离器，10、回气管，11、二次油分离器回油管，12、压缩机，13、排气管路，14、回油管路，15、油路电磁阀，16、二次油分离器，24、翅片式冷凝器，25、制冷剂管路，26、制冷剂集液器，27、辅助换热器，28、离心机，29、带热管换热器的矿井加热装置，30、新风出口，31、电动调节阀，32、比例调节阀，33、冲洗管路，34、温控器，35、冲洗循环泵，36、冲洗水箱，37、加热盘管，38、第一隔板，39、第二隔板，40、中间水箱，41、第三隔板，42、排水管，43、沉淀水箱，44、排污阀，45、补水阀，46、集水盘。

具体实施方法

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：如图1所示，一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，由乏风取热装置、主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组、乏风冲洗融霜装置和带热管换热器的矿井加热装置组成。

所述的乏风取热装置包括乏风通道1，乏风通道1与乏风干管相连，在乏风通道1的进风口设有风量调节阀2，乏风通道内设有翅片式热管换热器5，翅片式热管换热器5安装于集水盘46的上面，翅片式热管换热器5的上端设有闭式喷淋水箱4，翅片式热管换热器5的进风侧与出风侧通过取压管与压差控制器3相连，翅片式热管换热器5通过制冷剂管道6与主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组相连，翅片式热管换热器5的进液管设有制冷剂分配器7，制冷剂分配器将制冷剂均布分布于各换热回路。

在进液管路中，并联设置有膨胀阀8及第一电磁阀19。

当来自乏风干道的乏风通过风量调节阀引入翅片式热管换热器并与翅片式热管热管换热器中的制冷剂进行换热，换热效率更高。

当乏风中的粉尘造成乏风换热器堵塞时，会造成翅片式热管换热器5前后的压差大于设定值，压差控制器3给出启动信号，冲洗循环泵35开始运转，对翅片式热管换热器5进行清洗。

当乏风温度相对较低时，乏风换热器翅片上产生的结霜，通过对冲洗水箱内的水进行加热，实现对翅片式热管换热器5的融霜功能。

所述主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组包括汽液分离器9，液分离器9通过回气管10与压缩机12相连；压缩机12通过排气管路13与二次油分离器16相连，二次油分离器16通过回油管路14将润滑油回流到压缩机12内，在回油管路上，依次设有油过滤器17和油路电磁阀15；在气液分离器9的底部设有回油管路，回油管路通过截止阀18与压缩机12的低压端相连。

所述翅片式热管换热器5同时作为乏风取热装置和主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器，即翅片式热管换热5既可以作为热管换热器的蒸发端，也可以作为主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器，均从乏风中吸热。

翅片式热管换热器5通过制冷剂管道6并经过第二电磁阀21、汽液分离器9、回气管10与压缩机12相连。压缩机12通过排气管路13与二次油分离器16相连，二次油分离器16通过制冷剂管路25与带热管换热器的矿井加热装置的翅片式冷凝器24相连；

所述翅片式冷凝器24既是带热管换热器的矿井加热装置的冷凝器，同时也是翅片式热管换热器5的冷凝端。二次油分离器16通过回油管路14将润滑油回流到压缩机12内，在回油管路上，依次设有油过滤器17和油路电磁阀15。

翅片式冷凝器24通过制冷剂冷凝液管路与膨胀阀8及第一电磁阀19相连，在气液分离器9的底部设有回油管路通过截止阀18与压缩机12的低压端相连。主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的制冷剂管道6上第二电磁阀21进口管路通过三通与单向阀20相连，单向阀20通过管路与来自二次油分离器16通过制冷剂管路25一起与带热管换热器的矿井加热装置的翅片式冷凝器24相连。

乏风冲洗融霜装置通过加热回水管路23及加热供水管路24与主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组相连。在加热供水管路24上设有电动比例调节阀32。

所述乏风冲洗融霜装置，包括水箱，水箱内部通过两个隔板将水分隔为沉淀水箱43、中间水箱40、冲洗水箱36。冲洗水箱36内部设有加热盘管37，加热盘管37通过加热回水管路23及加热供水管路24与主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组相连。冲洗水箱36内部还设有温控器34，用于调节电动比例调节阀32的开度。冲洗水箱36还通过冲洗管路33与乏风取热装置顶部的闭式喷淋水箱4相连，在冲洗管路33上还设有冲洗循环泵35。沉淀水箱43通过排水管42与乏风取热装置底部的集水盘46相连。沉淀水箱43还设有补水口与排污口，在补水管路上设有补水电动阀45，在排污口上设有排污电动阀44。

第一隔板38和第三隔板41均设有溢流口或溢流槽。

所述带热管换热器的矿井加热装置29包括离心风机28、辅助加热翅片式换热器27、翅片式冷凝器24、新风进口22，离心风机28连接新风出口30，辅助加热翅片式换热器27通过电动调节阀31与来自外界的辅助热源（如燃气或电蓄热锅炉制取的热水）相连接，翅片式冷凝器24通过制冷剂管路25和单向阀20与乏风取热装置的翅片式热管换热器5连接；翅片式冷凝器24通过集液器26制冷剂冷凝液管路与膨胀阀8及第一电磁阀（19）相连。

本发明充分利用乏风中的热能，通过在矿井回风与室外新风温差大于10度时，假设室外气温为零下且乏风温度为10度以上时，第一电磁阀19通电打开，第二电磁阀21断电关闭，直接采用热管换热技术加热新风，此时翅片式热管换热器5在乏风取热装置中作为蒸发端，在带热管换热器的矿井加热装置29中作为冷凝端，从而将室外新风加热至设定温度（如2度）以上，以满足生产工艺要求。在换热过程中基本不耗电。

翅片式热管换热器作为乏风换热冲洗融霜装置的蒸发端，被乏风空气加热，工质吸收热量由液体蒸发为气态，从而吸收了乏风中的热量。

当矿井回风与室外新风温差小于10度时，采用空气源热泵技术在矿井加热机组中加热新风或者采用辅助热源加热新风。即室外气温相对较高时，第一电磁阀19断电关闭，第二电磁阀21通电打开，启动主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组，在压缩机的作用下，翅片式热管换热器作为主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器，被乏风空气加热，制冷剂工质吸收热量由液体蒸发为气态，从而吸收了乏风中的热量；在带热管换热器的矿井加热装置中作为冷凝器，制冷剂工质在翅片式热管换热器中间由气态冷凝为液态，并放出大量的冷凝热，从而将室外新风加热至设定温度（如2度）以上，以满足生产工艺要求。

提高了乏风源热泵系统利用效率，从而降低了井筒防冻装的整体能耗，提高了井筒防冻装置的总体节能效率，节能环保，以满足生产工艺要求。

本发明可以直接采用来自主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的被加热后的载冷剂进行换热，减少了中间环节，降低了辅机的能耗，从而提高了整个系统的工作效率，也可以采用来自辅助热源的辅助加热翅片式换热器(27)进行加热，系统更可靠。

Claims (10)

1.一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：由乏风取热装置、乏风冲洗融霜装置、主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组、带热管换热器的矿井加热装置组成，乏风取热装置与乏风冲洗融霜装置之间通过冲洗管路相连，乏风取热装置、主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组和带热管换热器的矿井加热装置之间通过制冷剂管路相连并形成一个完整的热泵回路。

2.根据权利要求1所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：乏风取热装置的闭式喷淋水箱通过冲洗管路和冲洗循环泵与乏风冲洗融霜装置的冲洗水箱连接；乏风取热装置通过排水管连接到乏风冲洗融霜装置的沉淀水箱。

3.根据权利要求1或2所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：所述乏风取热装置包括乏风通道（1），乏风通道（1）与乏风干管相连，在乏风通道（1）的进风口设有风量调节阀（2），乏风通道（1）内设有翅片式热管换热器（5），翅片式热管换热器（5）安装于集水盘（46）的上面，翅片式热管换热器（5）的上端设有闭式喷淋水箱（4），翅片式热管换热器（5）的进风侧与出风侧通过取压管与压差控制器（3）相连，翅片式热管换热器（5）的进液管上设有制冷剂分配器（7），制冷剂分配器（7）将制冷剂均布分布于各换热回路；在进液管路中，并联设置有膨胀阀（8）和第一电磁阀（19）。

4.根据权利要求1所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：乏风取热装置的翅片式热管换热器（5）通过制冷剂管道（6）和第二电磁阀与主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的气液分离器（9）相连。

5.根据权利要求1或4所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：所述主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组包括汽液分离器（9），汽液分离器（9）通过回气管（10）与压缩机（12）相连；压缩机（12）通过排气管路（13）与二次油分离器（16）相连，二次油分离器（16）通过回油管路（14）将润滑油回流到压缩机（12）内，在回油管路上，依次设有油过滤器（17）和油路电磁阀（15）；在气液分离器（9）的底部设有回油管路，回油管路通过截止阀（18）与压缩机（12）的低压吸气端相连。

6.根据权利要求1或5所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的二次油分离器（16）通过制冷剂管路（25）与带热管换热器的矿井加热装置的翅片式冷凝器（24）相连；翅片式冷凝器（24）通过制冷剂冷凝液管路与膨胀阀（8）及第一电磁阀（19）相连。

7.根据权利要求1所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：所述乏风冲洗融霜装置通过加热回水管路与外界热源相连，在加热供水管路上设有电动比例调节阀（32），所述乏风冲洗融霜装置包括水箱，水箱内设有隔板并通过隔板将水箱分隔为沉淀水箱（43）、中间水箱（40）、冲洗水箱（36）；冲洗水箱（36）内部设有加热盘管（37），冲洗水箱（36）通过冲洗循环泵（35）和冲洗管路（33）与乏风取热装置顶部的闭式喷淋水箱（4）相连；冲洗水箱（36）内部还设有用于调节电动比例调节阀（32）开度的温控器（34）；沉淀水箱（43）通过排水管（42）与乏风取热装置底部的集水盘（46）相连；沉淀水箱（43）还设有补水口与排污口，在补水管路上设有补水电动阀（45），在排污口上设有排污电动阀（44）。

8.根据权利要求1所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：所述带热管换热器的矿井加热装置（29）包括离心风机（28）、辅助加热翅片式换热器(27)和翅片式冷凝器（24），离心风机（28）连接新风出口（30），辅助加热翅片式换热器(27)通过电动调节阀（31）与来自外界的辅助热源连接，翅片式冷凝器（24）通过制冷剂管路（25）和单向阀（20）与乏风取热装置的翅片式热管换热器（5）连接；翅片式冷凝器（24）通过集液器（26）制冷剂冷凝液管路与膨胀阀（8）及第一电磁阀（19）相连。

9.根据权利要求1所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：（1）当矿井回风温度-室外新风温度＞10度时，乏风进入乏风取热装置中的加热翅片式热管换热器，制冷剂吸收乏风中的热量由液体蒸发为气态，供乏风换热冲洗融霜装置融霜；气态的制冷剂经过翅片式热管换热器冷凝为液态，并放出大量的冷凝热，将带热管换热器的矿井加热装置中的室外新风加热至设定温度以上；

（2）当矿井回风温度-室外新风温度＜10度时，启动主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组，在压缩机的作用下，乏风进入翅片式热管换热器，制冷剂吸收乏风热量由液体蒸发为气态；气态的制冷剂在翅片式热管换热器中冷凝为液态，并放出大量的冷凝热，将带热管换热器的矿井加热装置中的室外新风加热至设定温度。

10.根据权利要求9所述一种基于热管换热的乏风源热泵井筒防冻系统，其特征在于：所述翅片式热管换热器的蒸发端既是主被动结合带热管换热器的空气源热泵机组的蒸发器；同时是带热管换热器的矿井加热装置的冷凝器。