CN107270584A - 一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，包括扩散塔、热泵机组、空气净化器以及两组无叶片局扇；扩散塔设置在矿井回风源出口处，第一组无叶片局扇设置在扩散塔的顶部，其出风口与热泵机组的热空气进风端连接，热泵机组的冷空气出风端与空气净化器连接，空气净化器与第二组无叶片局扇连接，该第二组无叶片局扇与布置在矿井各个阶段巷道内的管道连接。本发明利用气‑液之间进行相变换热，空气中的水雾和矿井回风直接换热，结合空气压缩机可以实现矿井回风的低品位热量和其他潜热热量的回收，换热效率高，能够高效的为矿井降温除湿提供冷量，并且大大降低了矿井排风对矿区环境造成的粉尘污染。

Description

一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统

技术领域

本发明涉及一种矿井低品位热能利用的空气源热泵系统，特别是一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统。

背景技术

随着矿井采深的日益增加和采掘机械化程度的不断提高，矿井高温热害已经成为制约矿山安全开采的重大问题之一。它不仅影响井下工作人员的工作效率和设备正常使用，而且还会严重影响员工的身体健康及生命安全。目前，矿井降温的措施主要有非人工制冷降温和人工制冷降温两种。其中，非人工制冷降温这种方式现在已经难以满足矿井降温的需求；而人工制冷降温则需要消耗较高能耗以提供制冷负荷，经济效益低，不符合节能减排的要求。此外，矿井降温排热还需要借助矿井回风、矿井排水或者在地面设置冷却塔等手段实现，一些热负荷没有经过利用就直接排放到环境中，造成了一部分热能的浪费，效率不高。

矿井排风一年四季源源不断，风量大，温度相对稳定，蕴藏着大量的低品位热能，是热泵系统理想的低品位热源(40°～50°的热风)。矿井地下低品位热源可以作为热泵系统的冷却源，向其排放热量，制取冷却水，为矿井的降温除湿提供冷量。但是如果采用传统的间壁式换热器回收矿井排风中的热能，由于矿井排风中含有大量的粉尘及硫等腐蚀性成分，换热器很容易挂灰、堵塞，甚至腐蚀，很难长期稳定地工作，而淋水式矿井排风热能回收换热器虽然可以很好的解决这个问题，但是其面临资源的浪费以及空气净化不彻底的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的矿井低品位热源在矿井空气降温上的技术空白，提供一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，能够充分高效回收矿井低品位空气源热实现矿井内的温度调节，并且能较高效率实现空气净化功能。

本发明采用如下技术方案实现：

一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，包括扩散塔、第一风机、热泵机组、空气净化器以及第二风机；所述扩散塔设置在矿井回风源出口处，所述第一风机设置在扩散塔的顶部，所述第一风机的出风口与热泵机组的热空气进风端连接，所述热泵机组的冷空气出风端与空气净化器连接，所述空气净化器与第二风机连接，所述第二风机与布置在矿井各个阶段巷道内的管道连接。

进一步的，所述热泵机组包括空气压缩机、冷凝器以及蒸发器，所述空气压缩机与第一风扇对接，所述冷凝器和蒸发器依次串联连接在空气压缩机的出风端，所述蒸发器与空气净化器连接。

进一步的，所述冷凝器和蒸发器之间设有节流阀和流体截止阀。

进一步的，所述蒸发器和空气净化器之间设有热平衡式膨胀阀。

进一步的，所述第二风机通过循环管与空气压缩机的进风端连接，所述循环管上设有双向阀门。

进一步的，所述空气净化器内部充填活性炭作为空气净化工质。

在本发明的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述第一风机和第二风机均采用带喷淋单元的无叶片局扇。

进一步的，矿井各个阶段巷道内的管道上均匀布置若干出风孔。

在本发明中，所述第一风机、热泵机组、空气净化器以及第二风机集成嵌装在回风井的井壁上。

本发明的空气源热泵系统的工作原理为：矿井低品位热能空气(40°～50°)经由扩散塔通过第一风机喷淋过滤后送入空气压缩机，通过对空气进行压缩提高矿井空气热能的品位(70°-90°)，然后进入冷凝器进行热交换，冷凝产生的液体进入蒸发器进行制冷，冷空气通过空气净化器进行净化处理，并经出口处的第二风机进一步处理，然后通过管道输送到矿井各阶段；同时多余的净化后的低温空气可经双向阀门回到空气压缩机，从而构成一个完整的回路系统，对矿井各阶段的温度进行调节。

本发明的空气源热泵系统中，矿井低品位空气热源通过扩散塔进入系统，通过设置在空气压缩机外的第一风机的喷雾单元对矿井空气进行喷淋降尘处理，将矿井空气中的粉尘等拦下，初步实现矿井空气的过滤。

本发明的空气源热泵系统中，热泵机组中包括两个热交换器，一个为冷凝器，通过气(水蒸气)-液态的相变实现矿井空气的热交换，一个为蒸发器，通过液态-气态(水蒸气)的相变实现制冷功能。

本发明的空气源热泵系统中，经空气净化器净化处理后的冷空气，经出口处的第二风机进一步喷淋净化处理，并通过热平衡式膨胀阀根据矿井各阶段的温度情况进行调节冷空气输出流量，以达到不同阶段分布式降温的目的。

本发明的空气源热泵系统中，在输送冷空气到各阶段的管道上均匀分布有出风孔，可以实现均匀制冷，避免矿井各工作面冷热不一。

本发明的空气源热泵系统中，空气净化器中含有活性炭作为空气净化工质，可以实现通过热泵机组制冷后的空气的净化，以达到矿井作业要求的空气标准。

本发明的空气源热泵系统可根据矿山井下的通风情况具体布置，灵活方便，节能减排。

由上所述，本发明的空气源热泵系统具有如下有益效果：利用气-液之间进行相变换热，空气中的水雾和矿井回风直接换热，通过相变过程可以实现矿井回风的低品位热量和其他潜热热量的回收利用，换热效率高；空气净化器具有很强的净化空气能力，大大降低了矿井排风对矿区环境造成的粉尘污染；利用低品位热源制取低温空气，能够高效的为矿井降温除湿提供冷量；具有明显的降噪效果，可降低风井排风噪声。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的分布式降温空气源热泵系统的结构示意图。

图2为实施例中的分布式降温空气源热泵系统在矿山井下布置示意图。

图3为图2中的I截面示意图，具体为实施例中的管道布置示意图。

图中标号：1-回风井，2-第一风机，3-空气压缩机，4-冷凝器，5-节流阀，6-流体截止阀，7-蒸发器，8-热平衡式膨胀阀，9-空气净化器，10-管道，11-双向阀门，12-扩散塔，13-第二风机，14-循环管，21-通风天井，22-阶段运输巷道。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统为本发明的优选方案，具体包括第一风机2、空气压缩机3、冷凝器4、节流阀5、流体截止阀6、蒸发器7、热平衡式膨胀阀8、空气净化器9、管道10、双向阀门11、扩散塔12、第二风机13和循环管14等构件。

具体的，扩散塔12布置在回风井1的回风源出口处，将矿井内的低品位热风由扩散塔12送出，本实施例的空气源热泵系统整体集成设置在扩散塔12顶部的井壁内，不影响回风井1的整体送风。

第一风机2设置在扩散塔12的顶部，采用带喷淋单元的无叶片局扇，将扩散塔12送出的部分低品位热风抽送到空气源热泵系统中，并且实现矿井空气的喷淋降尘净化处理。

空气压缩机3、冷凝器4、节流阀5、流体截止阀6、蒸发器7、热平衡式膨胀阀8构成一热泵机组，利用空气压缩机3压缩后的高品位空气进行热交换，输出冷空气。第一风机2的出风口与空气压缩机3连接，将吸入的低品位空气进行压缩，压缩后的空气温度升高，提高进入后续热泵机组的空气热能品位。本实施例中的热泵机组采用两个热交换器，分别是冷凝器4和蒸发器7，冷凝器4实现空气中水蒸气的气-液转换，蒸发器7在空气中的液态水的液-气转换。冷凝器4和蒸发器7依次串联连接在空气压缩机3的出口，节流阀5和流体截止阀6串联设置在冷凝器4和蒸发器7之间的管路上，节流阀5和流体截止阀6通过调整控制进入蒸发器7内的水流大小，实现制冷降温幅度的调节。热平衡式膨胀阀8设置在蒸发器7的出口，用以实现其输出的冷空气膨胀流动。

热泵机组的冷凝器7的出口通过热平衡式膨胀阀8与空气净化器9连接，将输出的冷空气进行净化处理后排放，空气净化器9中可根据矿山的实际需要进行填充物质，一般情况只需填充活性炭进行吸附作用即可实现矿井空气的净化。空气净化器9与第二风机13连接，将净化后的冷空气通过管道10输出。第二风机13同样采用带有喷淋单元的无叶片局扇，实现冷空气排放前的净化及分流。

考虑到矿井内的空气温度不宜太低，本实施例将第二风机13通过循环管14与空气压缩机3的进风端连接，循环管14上设有双向阀门11，在热泵机组正常工作的情况下，打开双向阀门11，可将多余的低温空气重新送回到压缩机进行压缩升温，构成一个调控矿井内部空气温度的回路系统。

在实际应用中，本实施例的第一风机和第二风机均采用防爆电机驱动，压缩机可采用气动空气压缩机，减少电气设备的设置，通过防爆设备降低电气设备对矿井安全的影响。

如图2和图3所示，本实施例利用矿山井下低品位空气热能进行分布式降温，应结合国家规定的井下温度标准和空气质量标准，同时根据矿山各阶段、各工区不同的空气热量来进行统筹规划布局，实现矿山井下的分布式降温，并保证能量的充分利用。本实施例产生的冷空气一般服务于本阶段及以下阶段，一般布置在各阶段的出风井口和其他热量较为集中分布的位置，如图2中的通风天井21靠近阶段运输巷道22处，输送冷空气的管道10可分别沿通风天井21和阶段运输巷道22布置，既可以实现多个阶段的整体降温，也可以实现局部降温。

本实施例的管道10布置在矿井各个阶段巷道内，在管道10上均匀设置若干出风孔，实现巷道内部均匀制冷，避免矿井各工作面冷热不一。

本实施例实现矿井降温的具体步骤如下：

首先，矿井低品位空气热能(40°～50°的热风)经由扩散塔12通过第一风机2进入空气压缩机3进行空气压缩，提高矿井空气的品位(压缩升温)；

然后，高品位空气热能进入热泵机组通过相变进行制冷，具体过程为：压缩后的高品位热能空气进入冷凝器4，与冷凝器热交换后实现空气内的水蒸气气-液相变，产生的液体水通过节流阀5和流体截止阀6进入蒸发器7，与蒸发器换热后，液体水蒸发，通过液-气相变带走空气中的热量进行制冷，然后将低温空气通过热平衡式膨胀阀8进行气体膨胀；

再将冷空气通过空气净化器9进行净化处理，并经过第二风机13进一步处理以达到矿井排放的空气质量标准，并通过其连接的管道分流；

最后，冷空气通过分布有小孔的管道10输送到矿井各阶段的工作面进行排放制冷；第二风机13处输出的多余的净化后低温空气可经双向阀门11经循环管14回到空气压缩机3，从而构成一个完整的温控回路系统。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，其特征在于：包括扩散塔、第一风机、热泵机组、空气净化器以及第二风机；

所述扩散塔设置在矿井回风源出口处，所述第一风机设置在扩散塔的顶部，所述第一风机的出风口与热泵机组的热空气进风端连接，所述热泵机组的冷空气出风端与空气净化器连接，所述空气净化器与第二风机连接，所述第二风机与布置在矿井各个阶段巷道内的管道连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述热泵机组包括空气压缩机、冷凝器以及蒸发器，所述空气压缩机与第一风扇对接，所述冷凝器和蒸发器依次串联连接在空气压缩机的出风端，所述蒸发器与空气净化器连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述冷凝器和蒸发器之间设有节流阀和流体截止阀。

4.根据权利要求3所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述蒸发器和空气净化器之间设有热平衡式膨胀阀。

5.根据权利要求2所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述第二风机通过循环管与压缩机的进风端连接，所述循环管上设有双向阀门。

6.根据权利要求1所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述空气净化器内部充填活性炭作为空气净化工质。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述第一风机和第二风机均采用带喷淋单元的无叶片局扇。

8.根据权利要求7所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，矿井各个阶段巷道内的管道上均匀布置若干出风孔。

9.根据权利要求7所述的一种利用矿井低品位热能的分布式降温空气源热泵系统，所述第一风机、热泵机组、空气净化器以及第二风机集成嵌装在回风井的井壁上。