CN108844388A - 利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿井口防冻、回风热能利用技术领域，具体为一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统。解决了现有矿井系统中的井口防冻技术存在换热效果差、运转设备多等技术问题。一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，包括光热光伏阵列和换热装置；所述换热装置包括壳体，壳体内部包括若干根竖直设置的石墨烯换热管；所述换热装置内部自上而下被分隔板分为放热层、吸热传热层和吸热层三部分，所述分隔板与石墨烯换热管密封连接；所述换热装置的放热层外部一侧开有第一新风进风口，放热层的顶部开有新风出风口,所述换热装置的下部的吸热层一侧开有矿井回风进风口，吸热层与矿井回风进风口相对的另一侧开有矿井回风出风口。

Description

利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统

技术领域

本发明涉及煤矿井口防冻、回风热能利用技术领域，具体涉及一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统。

背景技术

节能降耗作为一项长期的战略任务，是缓解能源约束、减轻环境压力、保障经济安全与可持续发展的必然选择。目前，全国在用工业锅炉保有量50多万台，超过 200 万蒸吨/小时。燃煤锅炉约48万台，占工业锅炉总容量的90%以上，平均容量3.4蒸吨/小时，其中20蒸吨/小时以下超过80%。我国燃煤锅炉主要用于工厂动力、建筑采暖等领域，设计效率一般为72%－80%，平均运行效率约60%－65%，普遍存在单台容量小、燃用效率低、环境污染重等问题，节能潜力巨大。限于目前节能环保的紧迫形势，目前矿井系统中的井口防冻采用的燃煤锅炉普遍存在设备陈旧老化、出力严重不足等问题，急需更新替代。

现阶段许多矿井采用热泵技术回收矿井回风低温余热的方式对进风井进行加热。通过水（风）源热泵技术回收矿井回风低温余热的应用方式，目前主要分为循环喷淋式和直接蒸发式。循环喷淋式是在回风口布置喷淋塔，通过矿井回风和水直接接触换热，再通过热泵技术对低温热能进行提升后加以应用；而直接蒸发式需对回风口进行改造，设置屋顶式彩钢结构、将蒸发器（类似家用空调室外机）直接布置在钢结构两侧，强制矿井回风经由蒸发器翅片间隙通过。

水（风）源热泵系统作为节能领域的一项应用技术，尽管近几年得到了一定的推广。但该技术在节能环保的同时存在以下问题：一是系统（设备）的造价高，除核心设备热泵主机外还必须配置各类循环水泵、各种水处理设备、配套管路等阀部件、电气及控制设备、大型机房及水池等土建工程；二是运行费用大，热泵系统耗电设备多，除热泵主机外还包括各种循环水泵、井口防冻用风机等；三是管理难度比较大，系统中运转类设备多、故障率相对高，如一旦停电发现不及时就易冻坏表冷器等换热元件，不仅影响安全生产，而且维护费用较高。

发明内容

本发明为解决现有矿井系统中的井口防冻技术存在换热效果差、运转设备多、费用高，管理难度大等技术问题，提供一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，包括光热光伏阵列和换热装置；所述换热装置包括壳体，壳体内部包括若干根竖直设置的石墨烯换热管；所述换热装置内部自上而下被分隔板分为放热层、吸热传热层和吸热层三部分，所述分隔板与石墨烯换热管密封连接；所述换热装置的放热层外部一侧开有第一新风进风口，放热层的顶部开有新风出风口, 所述换热装置的下部的吸热层一侧开有矿井回风进风口，吸热层与矿井回风进风口相对的另一侧开有矿井回风出风口；

所述光热光伏阵列包括平板集热器阵列和太阳能电池；吸热传热层内部还嵌套有内部充有换热介质的换热管，所述平板集热器阵列通过相应管路与换热管相连接构成换热循环管路；换热循环管路上串接有水泵，所述水泵由太阳能电池供电。

光热光伏阵列可以吸收太阳能并通过换热循环管路将热能输送到换热装置的吸热传热层中；吸热传热层可储存足够的热量（连续阴天满足十天使用），热量通过石墨烯超导换热管散发到放热层中；回风进风口连接矿井的回风排风口，将矿井回风引入通道，在回风通道中石墨烯超导换热管吸收回风中的热量并传递到放热层中，回风从回风出风口排出；新风进风口一端吸入大气中的新风，新风通过进风通道从新风出风口进入井下，新风通过放热层时把石墨烯超导换热管散发出的热量一同带入井下。

进一步的，还包括控制器组件；所述控制器组件包括PLC控制器、与PLC控制器相连接的显示屏以及分别用于探测平板集热器阵列温度、换热装置温度、外界温度、回风排风温度、回风进风温度、新风换热前温度、新风换热后温度、新风温度的温度传感器；各温度传感器的信号输出端均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器控制抽风送风机、水泵以及加热器的启闭。

所述控制器组件还包括用于探测回风和新风风速的风速传感器，所述风速传感器的信号输出端与PLC控制器相连接。

控制器收集各种实时信息（进风温度、回风温度、储热器温度、风量等）并对系统进行相应的调节。具体工作过程如下：控制器组件利用各个温度传感器检测各测温点温度，包括平板集热器阵列面板温度、储热模块温度、外界温度、乏（回）风排风温度、乏（回）风进风温度、新风换热前温度、新风换热后温度、新风温度，并显示在显示屏上，利用风速传感器检测风速（包括乏风风速与新风风速）并显示在显示屏上。

本系统的主要目的是加热矿井进风到2℃以上，以检测新风入井温度为主，当新风温度低于2℃时，控制系统控制风门将新风引入储热换热模块通道中，新风可通过超导换热装置将水中的热量吸收并提高至2℃以上。系统运行过程中，当集热器温度高于储热装置5℃以上后，控制循环水泵开启，将太阳能集热器温度传递到储热装置中；遇到连续阴天时，当储热模块中的温度低于15℃时，PLC控制电加热器自动开启，保证储热模块中的热量足以供应新风。本系统通过风速传感器检测风速，根据风速计算实际通风量，与矿井原有通风量进行比较，自动调整系统内部变频风机的转速，保证系统自有阻力为0，确保不会影响矿井通风同时又具有节能降耗的功能。本系统还具有自动上水、水位保护、漏电保护、接地保护等安全保护功能。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

换热装置具有传热速度快、适用范围广、工作压力低、使用寿命长等优点。换热装置工作的过程中，利用热管快速导热的特点，可以将乏风中的热量迅速吸收并传递到进风井之中，同时利用储热装置中储存的热量进行补热，保证进风温度≥2℃。

系统工作过程中仅需要循环泵将太阳能集热器中的热量传递到储热器中，其余工作不再消耗外部的能量，既节能环保，又可以实现“无人值守”的目标。

本发明的技术特点：

①启动迅速、传热速度快；自组件一端加热，数秒钟就可将热量传递到另一端。

②热阻小、均温性好

石墨烯换热管主要是通过管内部喷涂石墨烯与液态低沸点介质来实现传热过程，传热能力远高于金属材料，沿石墨烯换热管轴向热阻趋于零，从而使石墨烯换热管的表面温度趋于一致。

③导热系数高

热超导管热阻趋于零，当量导热系数为12.78MW/m.℃是纯银的万倍，热流量密度为27.2MW/m²。

④适用温度范围广

适用温度范围-150℃～1000℃，具备批量生产的组件壁温范围-60～350℃。

⑤工作压力低

工作时石墨烯换热管内腔压力低，不会发生高温爆管。

⑥使用寿命长

热管换热设备较常规设备更安全、可靠，可长期连续运行。这一特点对连续性生产的工程，如化工、冶金、动力等部门具有特别重要的意义。

⑦应用安全可靠

石墨烯换热管介质由无机元素构成，介质本身无毒、无污染、无腐蚀性。

⑧石墨烯换热管，无有害人体放射性物质

在受热激发状态或静止状态，均不会产生任何有害人体的放射性物质。

附图说明

图1为本发明所述系统的工作原理图。

图2为本发明所述系统布置示意图。

图3为本发明所述换热装置结构示意图之一。

图4为本发明所述换热装置结构示意图之二。

图5本发明所述系统的总体结构示意图之一。

图6本发明所述系统的总体结构示意图之二。

图7换热单元结构示意图之一。

图8换热单元结构示意图之二。

图9控制器组件结构示意图。

图中标记如下：

1-放热层，2-吸热传热层，3-吸热层，4-第一新风进风口，5-新风出风口，6-矿井回风进风口，7-矿井回风出风口，8-石墨烯换热管，9-平板集热器阵列，10-太阳能电池，11-换热管，12-水泵，13-第二新风进风口，14-流量计，15-单向阀，16-压差传感器，17-第一换热单元，18-第二换热单元，19-第三换热单元，20-换热介质，21-高温高温纸湿帘抽风送风机。

具体实施方式

一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，包括光热光伏阵列和换热装置；所述换热装置包括壳体，壳体内部包括若干根竖直设置的石墨烯换热管8；所述换热装置内部自上而下被分隔板分为放热层1、吸热传热层2和吸热层3三部分，所述分隔板与石墨烯换热管8密封连接；所述换热装置的放热层1外部一侧开有第一新风进风口4，放热层1的顶部开有新风出风口5, 所述换热装置的下部的吸热层3一侧开有矿井回风进风口6，吸热层3与矿井回风进风口6相对的另一侧开有矿井回风出风口7；

所述光热光伏阵列包括平板集热器阵列9和太阳能电池10；吸热传热层2内部还嵌套有内部充有换热介质的换热管11，所述平板集热器阵列9通过相应管路与换热管11相连接构成换热循环管路；换热循环管路上串接有水泵12，所述水泵12由太阳能电池10供电。水泵采用无刷直流水泵。

所述新风出风口5处设置有抽风送风机，所述回风出风口7处也设置有抽风送风机；

所述换热装置内部设有加热器；

所述抽风送风机和加热器均由太阳能电池10供电。

还包括控制器组件；所述控制器组件包括PLC控制器、与PLC控制器相连接的显示屏以及分别用于探测平板集热器阵列温度、换热装置温度、外界温度、回风排风温度、回风进风温度、新风换热前温度、新风换热后温度、新风温度的温度传感器；各温度传感器的信号输出端均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器控制抽风送风机、水泵12以及加热器的启闭。

所述控制器组件还包括用于探测回风和新风风速的风速传感器，所述风速传感器的信号输出端与PLC控制器相连接。

换热装置由多个换热单元拼接而成；多个换热单元顺次连接构成储热装置，如图5所示。

所述石墨烯换热管8为三段双腔换热管，所述石墨烯换热管8包括内管和外管，外管同轴套装在内管外的中间位置，所述内管和外管的外侧均设置有螺旋异形翅片。

所述新风出风口5处设置的抽风送风机采用高温纸湿帘抽风送风机21。

所述换热装置的放热层1外部在与开有第一新风进风口4相反的另一侧还开有第二新风进风口13。

吸热传热层2内各个石墨烯换热管8之间的间隙填充有换热介质20。

本发明所采用的矿井热超导技术加热进风的技术是一种运行费用低，设备隐患小，无环境污染，而且能够实现“无人值守”的新型方式。该装置不仅运行费用低，而且安装简单、基本免于维护，可解决热风炉及水源热泵技术面临的诸多问题，简言之，“矿井热管换热技术”是解决井口防冻的一项非常好的应用途径。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如果进风井与回风井距离太远时，可以就近引入地下水、自来水等作为热源。

本系统原理图如图1所示。

系统整体布置示意图如图2所示，系统由多个换热单元如图3组成换热装置，新风进口与回风排放出口的间距大于30m。进风与回风通道有足够大的断面保证风的流通，在满足散热条件的同时不会影响矿井原有风压，矿井反风试验也可以正常进行，保证通风系统正常运行。

图4、图5为换热装置的结构示意图，由图4中可以看出，冷进风（即新风）被加热后的热风在抽风机作用下向井下输送，乏风（回风）进入换热装置后将热量交换给换热装置；图5可以看出，换热装置下方两侧分别为矿井回风进风口和矿井回风出风口；位于上方两侧的分别为第一新风进风口和第二新风进风口。

图6为系统的整体结构示意图，平板集热器阵列通过管路以及换热管构成换热循环管路；太阳能电池向水泵、抽风机以及加热器供电。

如图7、8所示，换热装置由多个换热单元组合而成，图7中是位于一侧的换热单元，其一侧开有第一新风进风口和矿井回风进风口；图8中的换热单元为位于中部的换热单元，其顶部开有新风出风口。

图9为控制器组件的连接示意图，平板集热器阵列、换热装置上均设有温度传感器，矿井回风进风口和矿井回风出风口处也设有温度传感器，新风进风口和新风出风口处也设有温度传感器，另外还通过外界的温度传感器分别测量外界温度和新风温度。新风进风口、新风出风口、矿井回风进风口和矿井回风出风口处均设有风速传感器。

本发明运转部件少，本装置运转过程中只有克服本身风阻的风机和循环水泵进行运转，耗能低、维护量小。该装置主要用于井口防冻，为方便运输及安装，该装置能以模块形式进行组合。各传感器组成的监测监控单元能够正常运行，并能如实反映实际运行状况；同时也能适时在线监测系统运行参数及能耗状况。

Claims (9)

1.一种利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：包括光热光伏阵列和换热装置；所述换热装置包括壳体，壳体内部包括若干根竖直设置的石墨烯换热管（8）；所述换热装置内部自上而下被分隔板分为放热层（1）、吸热传热层（2）和吸热层（3）三部分，所述分隔板与石墨烯换热管（8）密封连接；所述换热装置的放热层（1）外部一侧开有第一新风进风口（4），放热层（1）的顶部开有新风出风口（5）, 所述换热装置的下部的吸热层（3）一侧开有矿井回风进风口（6），吸热层（3）与矿井回风进风口（6）相对的另一侧开有矿井回风出风口（7）；

所述光热光伏阵列包括平板集热器阵列（9）和太阳能电池（10）；吸热传热层（2）内部还嵌套有内部充有换热介质的换热管（11），所述平板集热器阵列（9）通过相应管路与换热管（11）相连接构成换热循环管路；换热循环管路上串接有水泵（12），所述水泵（12）由太阳能电池（10）供电。

2.根据权利要求1所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：所述新风出风口（5）处设置有抽风送风机，所述回风出风口（7）处也设置有抽风送风机；

所述换热装置内部设有加热器；

所述抽风送风机和加热器均由太阳能电池（10）供电。

3.根据权利要求2所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：还包括控制器组件；所述控制器组件包括PLC控制器、与PLC控制器相连接的显示屏以及分别用于探测平板集热器阵列温度、换热装置温度、外界温度、回风排风温度、回风进风温度、新风换热前温度、新风换热后温度、新风温度的温度传感器；各温度传感器的信号输出端均与PLC控制器相连接；所述PLC控制器控制抽风送风机、水泵（12）以及加热器的启闭。

4.据权利要求3所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：所述控制器组件还包括用于探测回风和新风风速的风速传感器，所述风速传感器的信号输出端与PLC控制器相连接。

5.据权利要求1~4任一项所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：换热装置由多个换热单元拼接而成；多个换热单元顺次连接构成换热装置。

6.据权利要求1~4任一项所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：所述石墨烯换热管（8）为三段双腔换热管，所述石墨烯换热管（8） 包括内管和外管，外管同轴套装在内管外的中间位置，所述内管和外管的外侧均设置有螺旋异形翅片。

7.根据权利要求1~4任一项所述的一种换热装置，其特征在于：所述新风出风口（5）处设置的抽风送风机采用高温纸湿帘抽风送风机。

8.据权利要求1~4任一项所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：所述换热装置的放热层（1）外部在与开有第一新风进风口（4）相反的另一侧还开有第二新风进风口（13）。

9.据权利要求1~4任一项所述的利用热超导技术回收矿井乏风余热加热进风系统，其特征在于：吸热传热层（2）内各个石墨烯换热管（8）之间的间隙填充有换热介质（20）。