CN110160116A - 一种矿井热能利用系统及供热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿井热能利用系统及供热方法。该系统包括矿井涌水系统、蓄水仓、地下水处理系统、热管、相变蓄能箱、耦合换热器、矿山排水系统、水源热泵、热用户。相变蓄能箱分别与耦合换热器、热管、地下水处理系统连接,相变蓄能箱与热管之间设有三通阀二和温控测点二,三通阀二的另一端口连接耦合换热器,相变蓄能箱与地下水处理系统之间设有水泵二、三通阀一和温控测点一,三通阀一的另一端口经过水泵一与热管连接,耦合换热器与矿山排水系统和水源热泵连接,水源热泵与热用户连接。本发明能够动态利用矿井涌水和矿井巷道围岩中的热能,通过设置多条路径达到热用户的温度要求,并将富余的热能储存起来,实现高效、环保利用矿井热能。

Description

一种矿井热能利用系统及供热方法
技术领域
本发明涉及矿井地热应用技术领域,具体涉及一种矿井热能利用系统及供热方法。
背景技术
随着我国能源结构方向的调整,有越来越多的煤矿停产,成为废弃矿井,如何有效利用井下资源成为当前能源领域关注的焦点。考虑到目前大多数矿井井下具有丰富的水热资源,充分利用矿井涌水和巷道围岩中所蕴含的热能进行供热成为实现矿井资源高效利用及节能环保的有效途径。
发明内容
本发明的目的是通过综合利用矿井涌水和巷道围岩中所蕴含的热能,提供一种矿井热能利用系统及供热方法,可以使矿井热能得到高效利用,从而实现节能环保。
为实现上述目的,一方面,本发明公开了一种矿井热能利用系统包括矿井涌水系统、蓄水仓、地下水处理系统、热管、相变蓄能箱、耦合换热器、矿山排水系统、水源热泵、热用户;地下水处理系统与蓄水仓管道连接,蓄水仓与矿井涌水系统管道连接;相变蓄能箱通过管道分别与耦合换热器、热管、地下水处理系统管道连接,相变蓄能箱与热管之间设有三通阀二和温控测点二,三通阀二的另一端口连接耦合换热器,相变蓄能箱与地下水处理系统之间设有水泵二、三通阀一和温控测点一,三通阀一的另一端口经过水泵一与热管管道连接;耦合换热器与矿山排水系统和水源热泵管道连接,水源热泵与热用户管道连接。
进一步地,相变蓄能箱包括相变蓄能材料,相变蓄能材料外部设有保温层,相变材料内部设有蓄能换热器和温控装置,温控装置用来控制矿井涌水和相变蓄能材料交换热能的多少。
进一步地,水源热泵包括膨胀阀、冷凝器、蒸发器、压缩机;蒸发器用于吸收矿井涌水的热能并发生气化;压缩机用于将低压气体工质压缩成高温高压气体;冷凝器用于释放工质的热能供给热用户使用。
另一方面,本发明还公开了一种利用矿井热能系统供热的方法,其包括以下步骤:经过地下水处理系统3处理过的矿井涌水经过温控测点一时,若测量矿井涌水的温度较高,能满足热用户的需求时,则通过调节三通阀的开向使矿井涌水进入相变蓄能箱;若温控测点一测量矿井涌水的温度较低,则调节三通阀的开向,使矿井涌水进入热管,在热管中吸收巷道围岩的热能;若温控测点二测量此时矿井涌水的温度能满足热用户的用热需求,则调节三通阀的开向,使矿井涌水进入相变蓄能箱;若温控测点二测量矿井涌水的温度仍无法满足热用户的需求,则通过调节三通阀的开向,使矿井涌水直接进入耦合换热器,在其中进行换热;换热后矿井涌水排至矿山排水系统中,水源热泵吸收矿井涌水的热能后,向热用户供热;进入相变蓄能箱的矿井涌水,将其中富余的热能储存在相变蓄能材料中,然后流经耦合换热器,经换热后排至矿山排水系统中,水源热泵吸收矿井涌水的热能,向热用户供热。
本发明的有益效果:本系统通过设置热管、相变蓄能箱、耦合换热器等,能够动态利用矿井涌水和矿井巷道围岩中的热能,通过设置多路径实现不同温度的矿井涌水达到用户的使用要求;并且将富余的热能储存起来,防止浪费。本系统利用热管技术,最大限度地将巷道围岩中的热能提取到矿井涌水中;基于热泵原理,将矿井涌水中的低品质热能提升品质后供给热用户使用,整个过程不需要烧煤或电加热,具有巨大的经济价值和环保价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图中,1-矿井涌水系统,2-蓄水仓,3-地下水处理系统,4-温控测点一,5-温控测点二,6-三通阀一,7-三通阀二,8-水泵一,9-水泵二,10-热管,11-巷道围岩,12-矿山排水系统,13-耦合换热器,14-水源热泵,14-1-膨胀阀,14-2-凝器,14-3-蒸发器,14-4-压缩机,15-热用户,16-相变蓄能箱,16-1-相变蓄能材料,16-2-保温层,16-3-蓄能箱换热器,16-4-温控装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,矿井热能利用系统包括矿井涌水系统1、蓄水仓2、地下水处理系统3、热管10、相变蓄能箱16、耦合换热器13、矿山排水系统12、水源热泵14、热用户15;地下水处理系统3与蓄水仓2通过管道连接,蓄水仓2与矿井涌水系统1通过管道连接;相变蓄能箱16通过管道分别与耦合换热器13、热管10、地下水处理系统3通过管道连接,相变蓄能箱16与热管10之间依次设有三通阀二7和温控测点二5,三通阀二7的另一端口连接耦合换热器13,相变蓄能箱16与地下水处理系统3之间设有水泵二9、三通阀一6和温控测点一4,三通阀一6的另一端口经过水泵一8与热管10连接;耦合换热器13与矿山排水系统12和水源热泵14通过管道连接,水源热泵14与热用户15通过管道连接。
本系统通过设置相变蓄能箱(16)和耦合换热器(13)及多条送热管道,能够动态利用矿井水热能和矿井巷道围岩中的热能,从而实现对矿井涌水和岩石中热能的高效利用。
本系统中的矿山排水系统12、蓄水仓2、地下水处理系统3、热管10均设置在井下,相变蓄能箱16、耦合换热器13、水源热泵14、热用户15均设置在井上。其中,地下水处理系统3能够除去矿井涌水中大量的岩石和煤炭残渣,对矿井涌水进行初步的过滤净化,防止对管路造成损坏。温控测点一4和温控测点二5通过设置温度控制器测量矿井涌水的温度决定三通阀一6和三通阀二7的开向,两个三通阀控制矿井涌水在系统中的流向。
多根热管10分布安装在巷道围岩11上,可以最大限度地将巷道围岩11中的热能提取到矿井涌水中。热管10包括蒸发段和冷凝段两部分,在加热热管10的蒸发段管芯内的工质受热蒸发,带走巷道围岩的热能,工质蒸汽从中间通道流向冷凝段,工质冷凝放热,变为液体,在毛细力的作用下回到蒸发段,工质放出的热能被矿井涌水吸收。热管10安装时只需在岩壁上钻孔,将热管插入孔中即可,施工方便。
相变蓄能箱16包括相变蓄能材料16-1,相变蓄能材料外部设有保温层16-2,相变材料16-1内部设有蓄能换热器16-3和温控装置16-4,保温层16-2用于对相变蓄能材料16-1保温;蓄能箱换热器16-3用于将矿井涌水的热能传递给相变蓄能材料;温控装置16-4用来控制矿井涌水和相变蓄能材料交换热能的多少。矿井涌水通过相变蓄能箱16时,相变蓄能材料16-1发生相变,吸收并储存矿井涌水中富余的热能,避免多余热能的浪费。
水源热泵14包括膨胀阀14-1、冷凝器14-2、蒸发器14-3、压缩机14-4。蒸发器14-3内的工质吸收矿井涌水的热能发生气化并且被吸入压缩机14-4,压缩机14-4将低压气体工质压缩成高温高压气体送入冷凝器14-2,冷凝器14-2外的洁净水吸收工质的热能供给热用户15使用,被吸热的工质变成液体,经膨胀阀14-1节流降压后再次流入蒸发器14-3。
本发明还公开了一种利用矿井热能利用系统供热的方法,包括以下步骤:
a、经过地下水处理系统3处理过的矿井涌水经过温控测点一4时,若测量矿井涌水的温度较高,能满足热用户15的需求时,则通过调节三通阀6的开向使矿井涌水进入相变蓄能箱16;
b、若温控测点一4测量矿井涌水的温度较低,则调节三通阀6的开向,使矿井涌水进入热管10,在热管10中吸收巷道围岩的热能;
c、若温控测点二5测量此时矿井涌水的温度能满足热用户15的用热需求,则调节三通阀7的开向,使矿井涌水进入相变蓄能箱16;
d、若温控测点二5测量矿井涌水的温度仍无法满足热用户15的需求,则通过调节三通阀7的开向,使矿井涌水直接进入耦合换热器13,在其中进行换热;换热后矿井涌水排至矿山排水系统12中,水源热泵14吸收矿井涌水的热能后,向热用户15供热;
e、进入相变蓄能箱(16)的矿井涌水,将其中富余的热能储存在相变蓄能材料(16-1)中,然后流经耦合换热器(13),经换热后排至矿山排水系统(12)中,水源热泵(14)吸收矿井涌水的热能,向热用户(15)供热。
本发明公开的这种供热方法,可以通过多种路径保证将矿井涌水达到热用户要求的温度,并且在热能富余的情况下可以方便地储存,防止浪费。

Claims (4)

1.一种矿井热能利用系统,其特征在于:包括矿井涌水系统(1)、蓄水仓(2)、地下水处理系统(3)、热管(10)、相变蓄能箱(16)、耦合换热器(13)、矿山排水系统(12)、水源热泵(14)、热用户(15);所述地下水处理系统(3)与蓄水仓(2)管道连接,所述蓄水仓(2)与矿井涌水系统(1)管道连接;所述相变蓄能箱(16)通过管道分别与耦合换热器(13)、热管(10)、地下水处理系统(3)管道连接,所述相变蓄能箱(16)与热管(10)之间设有三通阀二(7)和温控测点二(5),三通阀二(7)的另一端口连接耦合换热器(13),所述相变蓄能箱(16)与地下水处理系统(3)之间依次设有水泵二(9)、三通阀一(6)和温控测点一(4),三通阀一(6)的另一端口经过水泵一(8)与热管(10)管道连接;所述耦合换热器(13)与矿山排水系统(12)和水源热泵(14)管道连接,所述水源热泵(14)与热用户(15)管道连接。
2.根据权利要求1所述的一种矿井热能利用系统,其特征在于:所述相变蓄能箱(16)包括相变蓄能材料(16-1),所述相变蓄能材料外部设有保温层(16-2),相变材料(16-1)内部设有蓄能换热器(16-3)和温控装置(16-4),所述温控装置(16-4)用来控制矿井涌水和相变蓄能材料交换热能的多少。
3.根据权利要求1所述的一种矿井热能利用系统,其特征在于:所述水源热泵(14)包括膨胀阀(14-1)、冷凝器(14-2)、蒸发器(14-3)、压缩机(14-4);
所述蒸发器(14-3)用于吸收矿井涌水的热能并发生气化;所述压缩机(14-4)用于将低压气体工质压缩成高温高压气体;所述冷凝器(14-2)用于释放工质的热能供给热用户(15)使用。
4.一种利用如权利要求1所述的矿井热能利用系统提供热能的方法,包括以下步骤:
a、经过地下水处理系统3处理过的矿井涌水经过温控测点一(4)时,若测量矿井涌水的温度较高,能满足热用户(15)的需求时,则通过调节三通阀(6)的开向使矿井涌水进入相变蓄能箱(16);
b、若温控测点一(4)测量矿井涌水的温度较低,则调节三通阀(6)的开向,使矿井涌水进入热管(10),在热管(10)中吸收巷道围岩的热能;
c、若温控测点二(5)测量此时矿井涌水的温度能满足热用户(15)的用热需求,则调节三通阀(7)的开向,使矿井涌水进入相变蓄能箱(16);
d、若温控测点二(5)测量矿井涌水的温度仍无法满足热用户(15)的需求,则通过调节三通阀(7)的开向,使矿井涌水直接进入耦合换热器(13),在其中进行换热;换热后矿井涌水排至矿山排水系统(12)中,水源热泵(14)吸收矿井涌水的热能后,向热用户(15)供热;
e、进入相变蓄能箱(16)的矿井涌水,将其中富余的热能储存在相变蓄能材料(16-1)中,然后流经耦合换热器(13),经换热后排至矿山排水系统(12)中,水源热泵(14)吸收矿井涌水的热能,向热用户(15)供热。
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