CN109883226A - 用于矿井回风的低温热管换热空调装置及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于矿井回风的低温热管换热空调装置及换热方法，包括热管换热管束，在热管换热管束中部横向方向设置中间隔板实现对热管换热管束中的热管蒸发段和热管冷凝段彼此隔开，其中热管蒸发段与矿井回风风道相连，热管冷凝段与室外进风道相连，在热管蒸发段和热管冷凝段处分别设置轴流风机实现快速换热，本发明装置简单在井下现场安装简便，充分利用井下回风余热，直接调节矿井下空气的温度，效率相对更高。根据大气环境温度与地层恒温带的温差使用传热系数90.91w/（㎡.k）的热管，自动调节矿井内的温度，达到冬暖夏凉的调节目的，减少了能源的消耗。

Description

用于矿井回风的低温热管换热空调装置及换热方法

技术领域

本发明涉及采矿工程井下巷道中回风热能回收利用技术领域，具体为用于矿井回风的低温热管换热空调装置及换热方法。

背景技术

我国北方地区冬季气温极低（-10℃ --30℃），为保障煤矿井下适宜的工作环境温度，《煤矿安全规程》规定矿井必须装设空气加热系统，“保证进风口以下的空气温度经常在2 ℃ 以上”。目前大多数矿井都采用加热房进行矿井空气温度调节，加热房内的加热方式多为散热器形式，这些散热器的热量来源于燃烧煤炭的锅炉房、使用电热片等方式。由于我国 北方冬季漫长，如此将产生巨大能耗，并产生环境污染等问题。为了节约能源降耗，目前还有水源、空气源热泵技术，即将井下涌水中、矿井回风风流中的热量通过热泵技术置换出来后再次进入加热系统中循环利用。以上技术均存在以下不足：1.矿井空气温度调节方式，只能提供热能解决冬季矿井环境温度低的问题，然而夏季矿井外部环境温度较高时，加热房却不能起到冷却的作用。2.水源热泵技术在矿井涌水量不大的矿井中也不能获取更多的热能。 3.空气源热泵大多是吸取矿井回风中的热能，但在夏季矿井回风井出口的温度与矿井外的 环境温度温差较小，则空气源热泵的效果就十分不明显了。4.上述两种热泵技术在矿井中使用时只能将回收的能量集中到某个地点，然后再传递到加热房或传递到地面其他用热地点，这一过程需要较为复杂的热能传递系统，且较难在井下错综复杂的巷道中进行传递利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种于矿井回风的低温热管换热空调装置及换热方法，在冬季充分吸收来自矿井回风的热量，达到帮助巷道升温的目的；在夏季吸收巷道内空气的热量，达到降温冷却的目的，可节约大量能源，以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于矿井回风的低温热管换热空调装置，包括热管换热管束，在热管换热管束中部横向方向设置中间隔板实现对热管换热管束中的热管蒸发段和热管冷凝段彼此隔开，其中热管蒸发段与矿井回风风道相连，热管冷凝段与室外进风道相连，在热管蒸发段和热管冷凝段处分别设置轴流风机实现快速换热。

优选的，所述热管换热管束并排放置，在热管换热管束之间形成清洗通道。

优选的，该热管换热管束由至少2根热管构成，该热管杆体为真空腔体吸液芯杆体且在内壁有安装有网状吸液芯，杆体内分为热管蒸发段 、热管绝热段和热管冷凝段， 热管壳包括热管且采用金属管，热管壳两端 封死，封死前先将管内抽真空，灌入适量的液态工质。

一种换热方法，其特征在于：

步骤一：该空调装置包含：热管换热空调装置，包括轴流风机，热管换热管束，中间隔板，进风风道，回风风道，清洗通道。

步骤二：该装置的工作过程：热管蒸发段与矿井回风风道相连，热管冷凝段与室外进风道相连。

步骤三：热管包括杆体真空腔体吸液芯杆体内壁有安装有网状吸液芯，吸液芯内部为真空腔体 杆体内分为蒸发段 绝热段 冷凝段 热管管壳采用金属管，热管壳两端 封死，封死前先将管内抽真空，灌入适量的液态工质。

步骤四：换热器蒸发段中液态工质通过吸收回风中低温热能资源而迅速汽化并向热管冷凝段流去，热管冷凝段的汽态工质向室外新风释放热量后冷凝成液态，再经吸液芯回流至热管蒸发段，完成低温热能的置换。此过程中，矿井回风释放热量后经回风巷道排向室外，室外新风吸收热量后供入进风井。

步骤五：在夏季，只需将热管换热装置的冷凝段与蒸发段位置调换，即可达到矿井降温的目的。

优选的，为保证换热时风流的均匀性，轴流风机的配置按照和换热模块一一对应的原则：即回风道和进风道对应处轴流风机相同且并联设置。

优选的，该方法适用于进风和回风大巷，安装之前，需将进风口和出风口并排设置，中间用隔板隔开热管的蒸发段和冷凝段，根据所处的环境温度调整蒸发段和冷凝段段位置；夏天时，将冷凝段安装置回风口，蒸发段安装置进风口，则可以达到夏季井下降温的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置简单在井下现场安装简便，充分利用井下回风余热，直接调节矿井下空气的温度，效率相对更高。根据大气环境温度与地层恒温带的温差使用传热系数90.91w/（㎡.k）的热管，自动调节矿井内的温度，达到冬暖夏凉的调 节目的，减少了能源的消耗。

附图说明

图1 是本发明中热管的内部结构示意图；

图2 是本发明低温热管换热空调装置的装配图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种用于矿井回风的低温热管 换热空调装置，如图所示，包括热管换热管束8，在热管换热管束8中部横向 方向设置中间隔板9实现对热管换热管束8中的热管蒸发段1和热管冷凝段3 彼此隔开，其中热管蒸发段1与矿井回风风道7相连，热管冷凝段3与室外 进风道6相连，在热管蒸发段1和热管冷凝段3处分别设置轴流风机10实现 快速换热。

其中该热管换热管束8并排放置，在热管换热管束8之间形成清洗通道11，该热管换热管束8由至少2根热管构成，该热管杆体为真空腔体吸液芯杆体且在内壁有安装有网状吸液芯5，杆体内分为热管蒸发段1 、热管绝热段2和热管冷凝段3， 热管壳12包括热管且采用金属管，热管壳12两端 封死，封死前先将管内抽真空，灌入适量的液态工质4。

一种采用用于矿井回风的低温热管换热空调装置的换热方法；

步骤一：该空调装置包含：热管换热空调装置，包括轴流风机，热管换热管束，中间隔板，进风风道，回风风道，清洗通道。

步骤二：该装置的工作过程：热管蒸发段与矿井回风风道相连，热管冷凝段与室外进风道相连。

步骤三：热管包括杆体真空腔体吸液芯杆体内壁有安装有网状吸液芯，吸液芯内部为真空腔体 杆体内分为蒸发段 绝热段 冷凝段 热管管壳采用金属管，热管壳两端 封死，封死前先将管内抽真空，灌入适量的液态工质。

步骤四：换热器蒸发段中液态工质通过吸收回风中低温热能资源而迅速汽化并向热管冷凝段流去，热管冷凝段的汽态工质向室外新风释放热量后冷凝成液态，再经吸液芯回流至热管蒸发段，完成低温热能的置换。此过程中，矿井回风释放热量后经回风巷道排向室外，室外新风吸收热量后供入进风井。

步骤五：在夏季，只需将热管换热装置的冷凝段与蒸发段位置调换，即可达到矿井降温的目的。

其中为保证换热时风流的均匀性，轴流风机的配置按照和换热模块一一对应的原则：即回风道和进风道对应处轴流风机相同且并联设置。

该方法适用于进风和回风大巷，安装之前，需将进风口和出风口并排设置，中间用隔板隔开热管的蒸发段和冷凝段，根据所处的环境温度调整蒸发段和冷凝段段位置；夏天时，将冷凝段安装置回风口，蒸发段安装置进风口，则可以达到夏季井下降温的效果。

具体的，所述热管管杆的传导系数为90.91w/（㎡.k）；回风侧和进风侧工作时候的迎风速度最大取值分别为：Uh=4.8m/s，Uc=3.2m/s，回风侧迎风面积，进风侧迎风面积分别为；Ah=3.09m2，Ac=3.7m2。热管换热器两恻迎风面积设计成正方形或接近正方形的形状，这是为了保证气流的均匀性；进风侧和回风侧的迎面质量流速为G1=6.14㎏/（m2.s），G2=3.98㎏/（m2.s），流通长度比，经济长度比，安全长度比分别为别为：L流=0.812,L经=0.88，L安=5.61。因为，择长度比的原则是首先计算经济长度比值和流通长度比值，然后再求出安全长度比值。如果经济长度比值和流通长度比值均小于安全长度比值，那么热管换热器的设计是安全的；否则，需要逐一校核并修改设计参数，重新计算校核安全性。由计算得出的数据可知，该热管换热器的设计符合要求，是安全的；迎风面管束宽度为Eh=Ec=1.7m，蒸发段长为Ih=1.8m，冷凝段长为Ic=2.0m热管总长度为I=4m。每排管子根数为23根；管束最小流通截面积NFA，进风侧与回风侧分别为；NFAh=2.42m2，NFAC=1.98m2，流体最大质量流速Ghmax=92.70㎏/（m2.s），Gcmax=95.32㎏/（m2.s），管外流体换热系数为：hh=337w(m2.k），hc=338w(m2.k）；加热侧总传热面积为5587m2，管子数目为2591根，换热器排数为10排。考虑5％的设计余量及管束排列的实际情况，按叉排排列，每排管的数目分别为23根和22根排列，则实际管数为：（23×5＋22×5）×12=2700根。根热管平均传递的热负荷是1.90kw；为保证换热时风流的均匀性，风机的配置按照和换热模块一一对应的原则：即回风侧和进风侧风机均为12台、并联设置。回风侧风机功率参数为：功率11kw，外形尺寸900*1210*1270mm，重量400㎏，风量60000m3/h，风压350Pa。新风侧的风机功率参数为：功率11kw，外形尺寸900*1210*1270mm，重量380㎏，风量51000m3/h，风压350Pa；结构参数：迎风面管间距76mm，热管排列方式为三角形叉排，管束排束10排，蒸发段长度1800mm，冷凝段长度2000mm。设计参数：回风侧进口温度13℃，出口温度2℃，流量641760m3/h。新风侧进口温度-19℃，出口温度5.52℃，流量512400m3/h。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于矿井回风的低温热管换热空调装置，其特征在于：包括热管换热管束(8)，在热管换热管束(8)中部横向方向设置中间隔板(9)实现对热管换热管束(8)中的热管蒸发段(1)和热管冷凝段(3)彼此隔开，其中热管蒸发段(1)与矿井回风风道(7)相连，热管冷凝段(3)与室外进风道(6)相连，在热管蒸发段(1)和热管冷凝段(3)处分别设置轴流风机(10)实现快速换热。

2.根据权利要求1所述的一种用于矿井回风的低温热管换热空调装置，其特征在于：所述热管换热管束(8)并排放置，在热管换热管束(8)之间形成清洗通道(11)。

3.根据权利要求2所述的一种用于矿井回风的低温热管换热空调装置，其特征在于：该热管换热管束(8)由至少2根热管构成，该热管杆体为真空腔体吸液芯杆体且在内壁有安装有网状吸液芯(5)，杆体内分为热管蒸发段(1)、热管绝热段(2)和热管冷凝段(3)，热管壳(12)包括热管且采用金属管，热管壳(12)两端封死，封死前先将管内抽真空，灌入适量的液态工质(4)。

4.一种采用如权利要求1-3所述空调装置的换热方法，其特征在于：

步骤一：该空调装置包含：热管换热空调装置，包括轴流风机，热管换热管束，中间隔板，进风风道，回风风道，清洗通道。

步骤二：该装置的工作过程：热管蒸发段与矿井回风风道相连，热管冷凝段与室外进风道相连。

步骤三：热管包括杆体真空腔体吸液芯杆体内壁有安装有网状吸液芯，吸液芯内部为真空腔体杆体内分为蒸发段绝热段冷凝段热管管壳采用金属管，热管壳两端封死，封死前先将管内抽真空，灌入适量的液态工质。

步骤四：换热器蒸发段中液态工质通过吸收回风中低温热能资源而迅速汽化并向热管冷凝段流去，热管冷凝段的汽态工质向室外新风释放热量后冷凝成液态，再经吸液芯回流至热管蒸发段，完成低温热能的置换。此过程中，矿井回风释放热量后经回风巷道排向室外，室外新风吸收热量后供入进风井。

步骤五：在夏季，只需将热管换热装置的冷凝段与蒸发段位置调换，即可达到矿井降温的目的。

5.如权利4所述的换热方法，其特征在于：为保证换热时风流的均匀性，轴流风机的配置按照和换热模块一一对应的原则：即回风道和进风道对应处轴流风机相同且并联设置。

6.如权利4所述的换热方法，其特征在于：该方法适用于进风和回风大巷，安装之前，需将进风口和出风口并排设置，中间用隔板隔开热管的蒸发段和冷凝段，根据所处的环境温度调整蒸发段和冷凝段段位置；夏天时，将冷凝段安装置回风口，蒸发段安装置进风口，则可以达到夏季井下降温的效果。