CN110207509B - 一种煤矿井下专用低温液体换热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤矿井下专用低温液体换热装置，属于煤矿防灭火技术领域，其特征在于，包括壳体，壳体包括主体冷却段以及与主体冷却段相连的混合段，主体冷却段的一端设置有阻化剂入口Ⅰ和两个冷却介质出口，主体冷却段另一端与混合段相连接，且主体冷却段该端设置有两个冷却介质入口，混合段的外端设置有阻化剂出口，主体冷却段侧壁上设置有至少一个与壳体内部相通的阻化剂入口Ⅱ；冷却管设置在主体冷却段内部，冷却管包括在壳体内螺旋布置的第一冷却管和第二冷却管，第一冷却管和第二冷却管的一端分别与两冷却介质入口相连通，第一冷却管和第二冷却管的另一端分别与两冷却介质出口相连通；尤其适用于煤矿井下低温液氮换热。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿防灭火技术领域，具体涉及一种应用于煤矿井下高效注液氮防灭火系统中的煤矿井下专用低温液体换热装置。
背景技术
随着科技的进步，煤矿防灭火技术也在不断的发展，目前，我国大部分煤矿普遍采用的高效注氮防灭火技术就是一种新型、高效地防灭火技术。高效注氮防灭火技术，是指通过雾化装置将低温阻化剂雾化成细微液滴，混合至氮气风流中送入防灭火区域进行火灾防治。换热器作为高效注氮系统的核心设备之一，要求具有换热效率高、体积小、换热均匀等特点。
现有技术中，专利号为200610044148.0的中国发明专利“逆流螺旋形换热器”及专利号为200710016301.3的中国发明专利“二次逆流筒式换热器”，二者应用领域均为采暖供热管路中的换热，但其单从换热的角度来说，也存在一些问题，“逆流螺旋形换热器”虽然采用逆流螺旋结构，换热效率高，但问题在于二者内部结构复杂，若用于低温液体换热，会造成其内部结构易变形，失去原有功能，且换热后的液体温度混合不均匀，系热管附近的液体温度与筒体内壁的温度存在差异；另外，专利号为201110057631.3的中国发明专利“一种双层螺纹扰流换热器”中，通过设置扰流管，增大了换热面积，但此种结构若用于低温液体的换热会造成扰流管的螺纹段堵塞，从而失去原有功能。
综上，现有技术的换热设备在对低温液体的换热使用时存在巨大的应用障碍，无法满足高效注氮换热器的要求，因此无法适用于煤矿井下低温液氮的换热。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种煤矿井下专用低温液体换热装置，通过一次扰流使得换热器内的常温阻化剂与冷却管内的低温液氮通过冷却管换热，再进入到混合段通过二次扰流使得换热后的低温阻化剂进一步混合均匀，能够确保高效注氮系统的正常运行，为矿井安全开采提供保障，尤其适用于煤矿井下防灭火工作。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种煤矿井下专用低温液体换热装置，其特征在于，包括壳体及设置在壳体内的冷却管，壳体包括主体冷却段以及与主体冷却段相连的混合段，主体冷却段的一端设置有阻化剂入口Ⅰ和两个冷却介质出口，主体冷却段另一端与混合段相连接，且主体冷却段该端设置有两个冷却介质入口，混合段的外端设置有阻化剂出口，主体冷却段侧壁上设置有至少一个与壳体内部相通的阻化剂入口Ⅱ；所述冷却管设置在主体冷却段内部，冷却管包括在壳体内螺旋布置的第一冷却管和第二冷却管，第一冷却管和第二冷却管的一端分别与两冷却介质入口相连通，第一冷却管和第二冷却管的另一端分别与两冷却介质出口相连通；所述混合段内壁上设置有螺旋分布的扰流片。
进一步的，所述第一冷却管和第二冷却管呈双螺旋结构布置，第一冷却管固定设置在主体冷却段内壁上，其螺旋半径与主体冷却段内径相同，第二冷却管固定设置在靠近主体冷却段的中轴位置处，其螺旋半径为主体冷却段内径的1/3-1/2。
进一步的，所述主体冷却段和混合段均呈圆筒状且壳体内部首尾贯通，混合段内径小于主体冷却段内径。
进一步的，所述扰流片通过焊接方式固定设置在混合段内壁上。
进一步的，所述扰流片与混合段内壁呈10°-30°夹角。
进一步的，所述壳体为一体成型结构。
进一步的，壳体表面覆盖有保温层。
进一步的，两冷却介质出口分布在阻化剂入口Ⅰ的外侧，两冷却介质入口分布在阻化剂出口的外侧。
进一步的，第一冷却管对应连通的冷却介质入口和冷却介质出口在壳体上呈对角线布置，第二冷却管对应连通的冷却介质入口和冷却介质出口在壳体上呈对角线布置。
进一步的，所述冷却介质采用液氮，所述冷却管采用无缝钢管。
本发明的有益效果是：本发明通过设置的阻化剂入口Ⅰ和阻化剂入口Ⅱ，采用多入口进阻化剂进行一次扰流，使换热过程中阻化剂在壳体内形成湍流而充分与两冷却管换热，设置的双螺旋结构的两冷却管且不同的螺旋半径进行换热，能够保证换热时壳体内壁与壳体中轴附近的液体温度相差不大，逆流换热则提高了换热效率，减少了能量的损失；通过在壳体尾部的混合段内壁增加螺旋分布的扰流片，使得低温阻化剂在壳体尾部的混合段进行二次扰流换热，二次扰流换热的目的是使一次扰流换热后的阻化剂进一步混合均匀，为阻化剂下一步的使用打好了基础；如此二次扰流作用换热后的低温阻化剂温度场分布均匀，又避免了传统多通道换热器在换热时造成的“冰堵”现象，且换热效率高、体积小、连接方便，应用于封闭空间火灾预警与防治系统中，能够为灭火系统提供低温阻化剂及低温氮气。该换热装置结构简单且体积小，便于运输，制造成本低，尤其适用于煤矿井下防灭火工作。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的A-A向结构示意图；
图3是图1的B-B向结构示意图；
图4是本发明混合段的结构示意图。
图中：1.壳体，11.主体冷却段，12.混合段，21.阻化剂入口Ⅰ，22.阻化剂入口Ⅱ，3.冷却介质入口，4.冷却介质出口，5.阻化剂出口，61.第一冷却管，62.第二冷却管，7.扰流片，8.保温层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图4所示，本实施例的一种煤矿井下专用低温液体换热装置，包括一体成型结构的壳体1及设置在壳体1内的冷却管，壳体1表面覆盖有保温层8，壳体1包括主体冷却段11以及与主体冷却段11相连的混合段12，主体冷却段11和混合段12均呈圆筒状且壳体1内部首尾贯通，混合段12内径小于主体冷却段11内径；主体冷却段11的一端设置有阻化剂入口Ⅰ21和两个冷却介质出口4，主体冷却段11另一端与混合段12相连接，且主体冷却段11该端设置有两个冷却介质入口3，混合段12的外端设置有阻化剂出口5，主体冷却段11侧壁上设置有至少一个与壳体1内部相通的阻化剂入口Ⅱ22，两冷却介质出口4分布在阻化剂入口Ⅰ21的外侧，两冷却介质入口3分布在阻化剂出口5的外侧；
分别沿壳体轴向及垂直于壳体轴向的阻化剂入口Ⅰ21和阻化剂入口Ⅱ22共同使用，实现多入口进阻化剂并产生剪切力，使阻化剂在主体冷却段11内形成湍流，起到一次扰流作用；
所述冷却管设置在主体冷却段11内部，冷却管包括在壳体1内螺旋布置的第一冷却管61和第二冷却管62，第一冷却管61和第二冷却管62的一端分别与两冷却介质入口3相连通，第一冷却管61和第二冷却管62的另一端分别与两冷却介质出口4相连通；
第一冷却管61和第二冷却管62在壳体1内呈双螺旋结构布置，第一冷却管61通过焊接固定设置在主体冷却段11内壁上，且两端分别固定连接在主体冷却段11两端并分别与其对应的冷却介质出、入口相连通，其螺旋半径与主体冷却段11内径相同，第二冷却管62设置在靠近主体冷却段11的中轴位置处，且两端分别固定连接在主体冷却段11两端并分别与其对应的冷却介质出、入口相连通，其螺旋半径为主体冷却段11内径的1/3-1/2；两冷却管如此双螺旋结构且设置不同螺旋半径，可使冷却介质液氮在流动过程中扩大与常温阻化剂流体的换热接触面积，保证换热时壳体内壁与壳体中轴附近的液体温度相差不大，提高壳体内换热物质温度的均匀性，提高换热效率，减少能量的损失，同时借助从阻化剂入口Ⅰ21和阻化剂入口Ⅱ22进入的阻化剂的剪切力的作用，实现常温阻化剂完全转化成低温阻化剂微细雾化颗粒；
第一冷却管61对应连通的冷却介质入口3和冷却介质出口4在壳体1上呈对角线布置，第二冷却管62对应连通的冷却介质入口3和冷却介质出口4在壳体1上呈对角线布置，旨在最大程度地扩大接触换热面积。
本实施例中两冷却管内填充有冷却介质液氮，冷却管采用特种无缝钢管制成，防止冷却管断裂。液氮分别经冷却介质入口3流入冷却管并由冷却介质出口4流出，即所述的冷却介质入口3即为液氮管路入口，冷却介质出口4即为液氮管路出口。
所述混合段12内壁上设置有螺旋分布的扰流片7，扰流片7焊接固定在混合段12内壁上，且扰流片7与混合段12内壁呈10°-30°夹角。如此设置有螺旋分布且呈特定角度设计的扰流片7，目的是为了使阻化剂在遇到扰流片时产生垂直于混合段轴向的径向力，对通过混合段12轴向方向上的阻化剂产生干扰，使阻化剂的温度相互混合均匀，部分阻化剂通过扰流片7之间的缝隙后产生湍流，使之与周围阻化剂充分接触、搅拌，即使得换热后的低温阻化剂在混合段12进行充分地二次扰流换热。
本实施例的工作过程如下：
将壳体1上的阻化剂入口Ⅰ21和阻化剂入口Ⅱ22分别与矿井下的阻化剂罐车的阻化剂管道相连，阻化剂出口5与高效注氮管路相连；两冷却介质入口3分别与矿井下的供液氮管路相连，两冷却介质出口4分别与高效注氮的低温氮气管路相连。
当液氮分别进入第一冷却管61和第二冷却管62后，由阻化剂入口Ⅰ21和阻化剂入口Ⅱ22通入阻化剂，而由阻化剂入口Ⅰ21进入的阻化剂由于受到由阻化剂入口Ⅱ22进入的阻化剂的剪切力的作用产生了扰流，使得进入壳体1内的阻化剂在壳体1中充分地与两冷却管接触换热，并且使阻化剂的温度在主体冷却段11初步混合均匀后进入到混合段12；换热后的阻化剂进入到混合段12之后，由于受到扰流片7的干扰，阻化剂能够产生一个径向的力，对通过混合段12轴向方向上的阻化剂产生干扰，使阻化剂的温度相互混合均匀，部分阻化剂通过扰流片7之间的缝隙后产生湍流，使之与周围阻化剂充分接触、搅拌，最终使得阻化剂出口5处的阻化剂温度场分布均匀，实现常温阻化剂完全转化成低温阻化剂微细雾化颗粒，为之后阻化剂的使用打好基础。
本发明采用多入口进阻化剂进行一次扰流，使换热过程中阻化剂在壳体内形成湍流而充分与两冷却管换热，设置的双螺旋结构的冷却管且不同的螺旋半径进行换热，能够保证换热时壳体内壁与壳体中轴附近的液体温度相差不大，逆流换热则提高了换热效率，减少了能量的损失；通过在壳体尾部的混合段内壁增加螺旋分布的扰流片，使得低温阻化剂在壳体尾部的混合段进行二次扰流换热，二次扰流换热的目的是使一次扰流换热后的阻化剂进一步混合均匀，为阻化剂下一步的使用打好了基础；如此二次扰流作用换热后的低温阻化剂温度场分布均匀，又避免了传统多通道换热器在换热时造成的“冰堵”现象，且换热效率超高、体积小、连接方便，应用于封闭空间火灾预警与防治系统中，能够为灭火系统提供低温阻化剂及低温氮气。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种煤矿井下专用低温液体换热装置，其特征在于，其设置为卧式结构，包括壳体(1)及设置在壳体(1)内的冷却管，所述冷却管采用无缝钢管，壳体(1)包括主体冷却段(11)以及与主体冷却段(11)相连的混合段(12)，所述主体冷却段(11)和混合段(12)均呈圆筒状且壳体(1)内部首尾贯通，混合段(12)内径小于主体冷却段(11)内径；主体冷却段(11)的一端设置有两个冷却介质出口(4)和沿壳体轴向的阻化剂入口Ⅰ(21)，主体冷却段(11)另一端与混合段(12)相连接，且主体冷却段(11)该端设置有两个冷却介质入口(3)，混合段(12)的外端设置有阻化剂出口(5)，主体冷却段(11)侧壁上设置有至少一个与壳体(1)内部相通的垂直于壳体轴向的阻化剂入口Ⅱ(22)，所述冷却介质采用液氮；所述冷却管设置在主体冷却段(11)内部，冷却管包括在壳体(1)内螺旋布置的第一冷却管(61)和第二冷却管(62)，第一冷却管(61)和第二冷却管(62)的一端分别与两冷却介质入口(3)相连通，第一冷却管(61)和第二冷却管(62)的另一端分别与两冷却介质出口(4)相连通，所述第一冷却管(61)和第二冷却管(62)呈双螺旋结构布置，第一冷却管(61)固定设置在主体冷却段(11)内壁上，其螺旋半径与主体冷却段(11)内径相同，第二冷却管(62)固定设置在靠近主体冷却段(11)的中轴位置处，其螺旋半径为主体冷却段(11)内径的1/3-1/2，第一冷却管(61)对应连通的冷却介质入口(3)和冷却介质出口(4)在壳体(1)上呈对角线布置，第二冷却管(62)对应连通的冷却介质入口(3)和冷却介质出口(4)在壳体(1)上呈对角线布置；所述混合段(12)内壁上设置有若干相互独立的螺旋分布的扰流片(7)，扰流片(7)与混合段(12)内壁呈10°-30°夹角。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下专用低温液体换热装置，其特征在于，所述扰流片(7)通过焊接方式固定设置在混合段(12)内壁上。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下专用低温液体换热装置，其特征在于，所述壳体(1)为一体成型结构。
4.根据权利要求1或3所述的煤矿井下专用低温液体换热装置，其特征在于，壳体(1)表面覆盖有保温层(8)。
5.根据权利要求1所述的煤矿井下专用低温液体换热装置，其特征在于，两冷却介质出口(4)分布在阻化剂入口Ⅰ(21)的外侧，两冷却介质入口(3)分布在阻化剂出口(5)的外侧。
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Address after: 221116 college student entrepreneurship Park, No. 99, University Road, Xuzhou high tech Industrial Development Zone, Xuzhou City, Jiangsu Province B416 Patentee after: XUZHOU SAFE-ZIKE POLYMER MATERIALS Co.,Ltd. Address before: 221116 B416, university entrepreneurship Park, No. 99, University Road, Xuzhou City, Jiangsu Province Patentee before: XUZHOU SAFE-ZIKE POLYMER MATERIALS Co.,Ltd. |
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