CN110486960B - 一种多熔点深井换热装置及具有该装置的实验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多熔点深井换热装置，包括多熔点相变材料换热器、第一容器和第二容器；多熔点相变材料换热器包括内管、外管、环形封堵和相变材料组，内管设置在外管的内侧且内管和外管之间留有填充空间，环形封堵设置在内管和外管之间且用于将填充空间分割成多个相邻独立的密封空间，相变材料组包括多种不同熔点的相变材料，相邻的两个密封空间内的相变材料的熔点沿内管内换热流体的流动方向而降低。本发明还公开了一种具有多熔点深井换热装置的实验设备。本发明的换热装置通过填充空间内不同熔点的相变材料将充填体内的热量传递给换热流体，能提高换热流体的换热效果，在有效改善井下热环境的基础上，充分高效提取了井下热能，实现节能降温。
Description
技术领域
本发明属于煤矿深井开采热害防治和利用技术领域，特别是涉及一种多熔点深井换热装置及该装置的实验装置。
背景技术
地热资源是一种绿色可再生能源，国家计划重点推进地热能开发利用。我国地热资源储量丰富，分布范围广，矿山作为地热研究的重要阵地，同时也是人类向地下探索的重要途径。近年来，随着社会发展和资源需求日益增加，煤炭资源高强度大规模的开采，导致浅部煤层资源逐渐减少甚至枯竭，为保障资源安全、扩展经济社会发展空间，世界各国均已进入深部资源开采阶段。然而，随着矿井开采深度的增加，由深层地温所诱发的高温热害愈加严重，已成为制约深层矿床资源安全高效开采的重要因素。因此，解决深井热害问题，调节和改善深井作业热环境已成为世界矿床安全高效开采领域中极为重要，也是亟待解决的环节。
如今，利用充填体的热能储存技术的应用深度和广度都在不断拓展。高温矿井中存在的热害大多是间断不连续的，为了使得矿井中不稳定的地热能得到更加高效的开发和利用，可以应用储能材料将这些地热能储存起来，必要时将储存的能量释放出来为用户提供热能，在深井开采过程中合理利用地热，可为矿区提供清洁、廉价的热能，降低矿区运营成本，提高矿业可持续性，实现资源高效开采及绿色开采。另一方面，及时高效地提取出深井地热，可有效降低围岩或充填体温度，在一定程度上为深井降温产生积极的促进作用。在实际应用中，大多数工程利用采空区充填体与埋管换热器内的换热流体直接热交换，这种单级换热，存在充填体储热周期长，不易换热的问题，热导率很低等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种多熔点深井换热装置，该换热装置通过填充空间内不同熔点的相变材料将充填体内的热量传递给换热流体，能够提高换热流体的换热效果，在有效改善井下热环境的基础上，充分高效提取了井下热能，实现节能降温的共赢效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多熔点深井换热装置，其特征在于：包括多熔点相变材料换热器、第一容器和第二容器，所述第一容器与多熔点相变材料换热器的一端相连通且用于将第一容器内的换热流体输送到多熔点相变材料换热器内进行热交换，所述多熔点相变材料换热器的另一端与第二容器相连通且用于将多熔点相变材料换热器内的换热流体输送到第二容器内；
所述多熔点相变材料换热器包括内管、外管、环形封堵和相变材料组，所述内管和外管平行设置，所述内管设置在外管的内侧且内管和外管之间留有用于填充相变材料组的填充空间，所述环形封堵设置在内管和外管之间且用于将所述填充空间沿内管长度方向分割成多个相邻独立的密封空间，所述相变材料组包括多种不同熔点的相变材料，所述相变材料组按照种类依次装填在所述密封空间内，相邻的两个所述密封空间内的相变材料的熔点沿内管内换热流体的流动方向而降低。
上述的一种多熔点深井换热装置，其特征在于：所述内管和外管为同心套管。
上述的一种多熔点深井换热装置，其特征在于：多熔点相变材料换热器的数量为多个，多个所述多熔点相变材料换热器间隔均匀布设，多个所述多熔点相变材料换热器的一端均与第一容器相连通，多个所述多熔点相变材料换热器的另一端均与第二容器相连通。
上述的一种多熔点深井换热装置，其特征在于：所述第一容器和第二容器的外侧均覆盖有用于防止第一容器和第二容器向外传递热量的绝热材料。
本发明还公开了一种具有如上述多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：包括深井模拟实验箱和多熔点相变材料换热器，所述深井模拟实验箱包括实验模拟箱体、上隔板和下隔板，所述上隔板和下隔板均设置在实验模拟箱体内且实验模拟箱体被上隔板和下隔板分隔成由上至下依次设置的三个腔室，所述三个腔室由上至下依次为未开采岩体层模拟区域、采场模拟区域和充填体模拟区域，所述未开采岩体层模拟区域的内壁上、采场模拟区域的内壁上和充填体模拟区域的内壁上均设置有电加热板；
所述未开采岩体层模拟区域内设置有采场进风通道和采场出风通道，所述采场进风通道和采场出风通道间隔设置，所述采场进风通道的下端与采场模拟区域相连通，所述采场出风通道的下端与采场模拟区域相连通，所述未开采岩体层模拟区域内采场进风通道和采场出风通道的外侧区域填充有岩体；
所述充填体模拟区域内设置有蓄热材料、多熔点相变材料换热器、第一容器和第二容器，所述第一容器设置在充填体模拟区域内的左侧，所述第二容器设置在充填体模拟区域内的右侧，所述多熔点相变材料换热器设置在第一容器和第二容器之间，所述多熔点相变材料换热器的一端与第一容器相连通，所述多熔点相变材料换热器另一端与第二容器相连通，所述蓄热材料填充在多熔点相变材料换热器、第一容器及第二容器外侧的充填体模拟区域内且用于将储存的热量传递给多熔点相变材料换热器。
上述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述深井模拟实验箱还包括换热流体进口管路和换热流体出口管路，所述换热流体进口管路的一端与第一容器相连通且用于通过换热流体供应系统将换热流体输送到第一容器内，所述换热流体出口管路的一端与第二容器相连通且用于将第二容器内的换热流体输送给矿井余热利用系统，所述换热流体进口管路上安装有用于检测换热流体进口管路内换热流体温度的第一温度计、用于检测换热流体进口管路内换热流体压力的压力表、用于控制换热流体进口管路内换热流体流动状态的截止阀和用于调节换热流体进口管路内换热流体流量的流量调节阀，所述换热流体出口管路上安装有用于检测换热流体出口管路内换热流体温度的第二温度计。
上述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述深井换热装置的实验装置还包括数据采集控制系统，所述数据采集控制系统包括风速传感器、温湿度传感器、温度传感器、温度调节控制器、数据采集器、数据处理器、电源模块和污染物浓度传感器，所述风速传感器设置在采场模拟区域内且用于检测采场模拟区域内风流的风速值，所述温湿度传感器设置在采场模拟区域内且用于检测采场模拟区域内各测点的温度值和湿度值，所述污染物浓度传感器设置在采场模拟区域内且用于检测采场模拟区域内各测点的污染物浓度值，所述温度传感器为多个，多个所述温度传感器中的一部分均匀布设在岩体内且用于检测岩体的温度值，多个所述温度传感器中的另一部分均匀布设在蓄热材料内且用于检测蓄热材料的温度值，所述温度调节控制器、数据采集器、数据处理器和电源模块均设置在所述深井模拟实验箱的外侧；
所述风速传感器与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将风速传感器检查的风速值传递给数据采集器，所述温湿度传感器与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将温湿度传感器检测的温度值和湿度值传递给数据采集器，所述温度传感器与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将温度传感器检测的各个检测点的温度值传递给数据采集器，所述污染物浓度传感器与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将污染物浓度传感器检测的浓度信息传递给数据采集器，所述数据采集器的相应输出端口与温度调节控制器的相应的输入端口电连接且用于将数据采集器收集的各检测点的温度信息传递给温度调节控制器，所述温度调节控制器的相应输出端与电加热板电连接且用于控制电加热板工作，所述温度调节控制器的相应输入端口与数据采集器的相应输出端口电连接且用于接收数据采集器传输给它的控制指令和将它的控制信息传递给数据采集器，所述数据采集器与数据处理器电连接且用于将数据采集器收集的数据传递给数据处理器和接收数据处理器传递给它的控制指令，所述电源模块分别与实验设备上的用电单元电连接且用于给实验设备上的用电单元提供其工作时所需的电能。
上述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述数据采集控制系统还包括高清图形采集装置和红外热像仪，所述高清图形采集装置的数据输出端与数据处理器相应输入端电连接且用于监测相变材料的固液相界面，所述高清图形采集装置的控制输入端与数据处理器相应的输出端电连接且用于接收数据处理器传输给它的控制指令，所述红外热像仪的数据输出端与数据处理器相应输入端电连接且用于实时监控相变材料的温度分布，所述红外热像仪的控制输入端与数据处理器相应的输出端电连接且用于接收数据处理器传输给它的控制指令，所述高清图形采集装置设置在充填体模拟区域的前侧，所述红外热像仪设置在充填体模拟区域的后侧。
上述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述数据采集控制系统还包括热电偶，所述热电偶固定安装在所述密封空间内且用于检测所述密封空间内相变材料的温度值，所述热电偶与数据采集器电连接且用于将检测的温度值传递给数据采集器。
上述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述换热流体为水，高清图形采集装置为高清相机，所述数据处理器为计算机，所述第一温度计和第二温度计均为温度传感器，所述压力表为电子压力传感器，所述截止阀为电磁截止阀，所述流量调节阀为电子流量调节阀，所述第一温度计与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将第一温度计检测的温度信息传递给数据采集器，所述第二温度计与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将第二温度计检测的温度信息传递给数据采集器，所述压力表与数据采集器相应的输入端口电连接且用于将压力表检测的压力信息传递给数据采集器，所述深井换热装置的实验装置还包括电磁阀控制器，所述电磁阀控制器与数据采集器电连接且用于接收数据采集器传输给它的控制指令，所述电磁阀控制器与截止阀电连接且用于控制截止阀工作，所述电磁阀控制器与流量调节阀电连接且用于控制流量调节阀工作。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的多熔点深井换热装置以采场充填体为载体，配合同心套管多熔点相变材料换热器，不但促进了地热资源的开发利用，实现了深部绿色化开采，并且能够达到很好的采场降温效果。
2、本发明的多熔点深井换热装置的相变材料组采用多熔点的复合相变蓄热材料，较大程度的增强了系统的稳定性，并增加了潜热蓄热量，有效提高了相变蓄热箱体的总蓄热量。
3、本发明的多熔点深井换热装置，设计新颖合理、实现方便、降温效果好，能对井下岩体温度场分布产生重要作用，继而影响采场热环境特性及作业人员热舒适性。
4、将本发明应用在地热开采系统中，能够为矿山带来额外的能量及经济来源，并且可以延续矿山的生命周期。
下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明多熔点深井换热装置的结构示意图。
图2为图1的H处放大图。
图3为本发明深井模拟实验箱及数据采集控制系统内部分部件的位置关系示意图。
图4为本发明多熔点深井换热装置的实验装置的结构示意图。
图5为本发明红外热像仪及高清图形采集装置在充填体模拟区域外侧位置示意图。
图6为本发明电气原理框图。
附图标记说明:
1—多熔点相变材料换热器； 1-1—内管；
1-2—外管； 1-3—环形封堵； 1-4—相变材料组；
2—第一容器； 3—第二容器； 4—热电偶；
5—红外热像仪； 6—高清图形采集装置；
7—第二温度计； 8—压力表；
9—第一温度计； 10—实验模拟箱体；
11—上隔板； 12—下隔板；
13—未开采岩体层模拟区域； 14—采场模拟区域；
15—充填体模拟区域； 16—电加热板；
17—岩体； 18—采场进风通道；
19—采场出风通道； 20—蓄热材料；
21—换热流体进口管路； 22—换热流体出口管路；
23—风速传感器； 24—温湿度传感器；
25—温度传感器； 26—温度调节控制器；
27—数据采集器； 28—数据处理器；
29—电源模块； 30—污染物浓度传感器；
31—截止阀； 32—流量调节阀；
33—电磁阀控制器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的方案，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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应该属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序和这先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的哪些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或者设备固有的其它步骤或单元。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种多熔点深井换热装置，其包括多熔点相变材料换热器1、第一容器2和第二容器3，所述第一容器2与多熔点相变材料换热器1的一端相连通且用于将第一容器2内的换热流体输送到多熔点相变材料换热器1内进行热交换，所述多熔点相变材料换热器1的另一端与第二容器3相连通且用于将多熔点相变材料换热器1内的换热流体输送到第二容器3内；
所述多熔点相变材料换热器1包括内管1-1、外管1-2、环形封堵1-3和相变材料组1-4，所述内管1-1和外管1-2平行设置，所述内管1-1设置在外管1-2的内侧且内管1-1和外管1-2之间留有用于填充相变材料组1-4的填充空间，所述环形封堵1-3设置在内管1-1和外管1-2之间且用于将所述填充空间沿内管1-1长度方向分割成多个相邻独立的密封空间，所述相变材料组1-4包括多种不同熔点的相变材料，所述相变材料组1-4按照种类依次装填在所述密封空间内，相邻的两个所述密封空间内的相变材料的熔点沿内管1-1内换热流体的流动方向而降低。
本实施例中，所述内管1-1和外管1-2之间的填充空间中充填相变材料；所述内管1-1和外管1-2之间的填充空间每间隔一定距离加装一个环形封堵1-3，将内管1-1和外管1-2之间的填充空间分割成若干个独立的密封空间，相邻的两个密封空间内填充不同熔点的相变材料，相变材料可简称为PCM；上述不同熔点的相变材料沿换热流体的流向依次布置在密封空间内；其不同熔点的相变材料沿换热流体的流向依次降低，根据傅里叶导热定律，当任意相邻两段地埋管换热器中换热流体的对数平均温差△tm相同时，热流密度q最大且方向不变，此时换热介质和多熔点相变材料PCM换热效率最高。通过上述设置可以使得多熔点相变材料实现相邻两段地埋管换热器中换热流体的对数平均温差△tm相同，进而达到了换热介质和多熔点相变材料PCM最好的换热效果。该换热装置通过填充空间内不同熔点的相变材料将充填体内的热量传递给换热流体，能够提高换热流体的换热效果，在有效改善井下热环境的基础上，充分高效提取了井下热能，实现节能降温的共赢效果。
如图1和图2所示，所述内管1-1和外管1-2为同心套管。本实施例中内管1-1和外管1-2为同心套管使得内管1-1和外管1-2之间的形成填充空间为均匀的环形结构，使得填充空间内的相变材料吸热均匀、高效。
如图1所示，多熔点相变材料换热器1的数量为多个，多个所述多熔点相变材料换热器1间隔均匀布设，多个所述多熔点相变材料换热器1的一端均与第一容器2相连通，多个所述多熔点相变材料换热器1的另一端均与第二容器3相连通。
本实施例中，所述第一容器2和第二容器3的外侧均覆盖有用于放置第一容器2和第二容器3向外传递热量的绝热材料。所述绝热材料为矿渣棉，矿渣棉隔热效果良好且节能环保、易获取。
如图3和图4所示，包括深井模拟实验箱和多熔点相变材料换热器1，所述深井模拟实验箱包括实验模拟箱体10、上隔板11和下隔板12，所述上隔板11和下隔板12均设置在实验模拟箱体10内且实验模拟箱体10被上隔板11和下隔板12分隔成由上至下依次设置的三个腔室，所述三个腔室由上至下依次为未开采岩体层模拟区域13、采场模拟区域14和充填体模拟区域15，所述未开采岩体层模拟区域13的内壁上、采场模拟区域14的内壁上和充填体模拟区域15的内壁上均设置有电加热板16；
所述未开采岩体层模拟区域13内设置有采场进风通道18和采场出风通道19，所述采场进风通道18和采场出风通道19间隔设置，所述采场进风通道18的下端与采场模拟区域14相连通，所述采场出风通道19的下端与采场模拟区域14相连通，所述未开采岩体层模拟区域13内采场进风通道18和采场出风通道19的外侧区域填充有岩体17；
所述充填体模拟区域15内设置有蓄热材料20、多熔点相变材料换热器1、第一容器2和第二容器3，所述第一容器2设置在充填体模拟区域15内的左侧，所述第二容器3设置在充填体模拟区域15内的右侧，所述多熔点相变材料换热器1设置在第一容器2和第二容器3之间，所述多熔点相变材料换热器1的一端与第一容器2相连通，所述多熔点相变材料换热器1另一端与第二容器3相连通，所述蓄热材料20填充在多熔点相变材料换热器1、第一容器2及第二容器3外侧的充填体模拟区域15内且用于将储存的热量传递给多熔点相变材料换热器1。
如图3至6所示，所述深井模拟实验箱还包括换热流体进口管路21和换热流体出口管路22，所述换热流体进口管路21的一端与第一容器2相连通且用于通过换热流体供应系统将换热流体输送到第一容器2内，所述换热流体出口管路22的一端与第二容器3相连通且用于将第二容器3内的换热流体输送给矿井余热利用系统，所述换热流体进口管路21上安装有用于检测换热流体进口管路21内换热流体温度的第一温度计9、用于检测换热流体进口管路21内换热流体压力的压力表8、用于控制换热流体进口管路21内换热流体流动状态的截止阀31和用于调节换热流体进口管路21内换热流体流量的流量调节阀32，所述换热流体出口管路22上安装有用于检测换热流体出口管路22内换热流体温度的第二温度计7。
如图3至6所示，所述深井换热装置的实验装置还包括数据采集控制系统，所述数据采集控制系统包括风速传感器23、温湿度传感器24、温度传感器25、温度调节控制器26、数据采集器27、数据处理器28、电源模块29和污染物浓度传感器30，所述风速传感器23设置在采场模拟区域14内且用于检测采场模拟区域14内风流的风速值，所述温湿度传感器24设置在采场模拟区域14内且用于检测采场模拟区域14内各测点的温度值和湿度值，所述污染物浓度传感器30设置在采场模拟区域14内且用于检测采场模拟区域14内各测点的污染物浓度值，所述温度传感器25为多个，多个所述温度传感器25中的一部分均匀布设在岩体17内且用于检测岩体17的温度值，多个所述温度传感器25中的另一部分均匀布设在蓄热材料20内且用于检测蓄热材料20的温度值，所述温度调节控制器26、数据采集器27、数据处理器28和电源模块29均设置在所述深井模拟实验箱的外侧；
所述风速传感器23与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将风速传感器23检查的风速值传递给数据采集器27，所述温湿度传感器24与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将温湿度传感器24检测的温度值和湿度值传递给数据采集器27，
所述温度传感器25与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将温度传感器25检测的各个检测点的温度值传递给数据采集器27，所述污染物浓度传感器30与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将污染物浓度传感器30检测的浓度信息传递给数据采集器27，所述数据采集器27的相应输出端口与温度调节控制器26的相应的输入端口电连接且用于将数据采集器27收集的各检测点的温度信息传递给温度调节控制器26，所述温度调节控制器26的相应输出端与电加热板16电连接且用于控制电加热板16工作，所述温度调节控制器26的相应输入端口与数据采集器27的相应输出端口电连接且用于接收数据采集器27传输给它的控制指令和将它的控制信息传递给数据采集器27，所述数据采集器27与数据处理器28电连接且用于将数据采集器27收集的数据传递给数据处理器28和接收数据处理器28传递给它的控制指令，所述电源模块29分别与实验设备上的用电单元电连接且用于给实验设备上的用电单元提供其工作时所需的电能。
如图5和图6所示，所述数据采集控制系统还包括高清图形采集装置6和红外热像仪5；所述高清图形采集装置6的数据输出端与数据处理器28相应输入端电连接且用于监测相变材料的固液相界面，所述高清图形采集装置6的控制输入端与数据处理器28相应的输出端电连接且用于接收数据处理器28传输给它的控制指令，所述红外热像仪5的数据输出端与数据处理器28相应输入端电连接且用于实时监控相变材料的温度分布，所述红外热像仪5的控制输入端与数据处理器28相应的输出端电连接且用于接收数据处理器28传输给它的控制指令，所述高清图形采集装置6设置在充填体模拟区域15的前侧，所述红外热像仪5设置在充填体模拟区域15的后侧。
本实施例中，所述数据采集控制系统还包括热电偶4，所述热电偶4固定安装在所述密封空间内且用于检测所述密封空间内相变材料的温度值，所述热电偶4与数据采集器27电连接且用于检测的温度值传递给数据采集器27。
本实施例中，所述换热流体为水，高清图形采集装置6为高清相机，所述数据处理器28为计算机，所述第一温度计9和第二温度计7均为温度传感器，所述压力表8为电子压力传感器，所述截止阀31为电磁截止阀，所述流量调节阀32为电子流量调节阀，所述第一温度计9与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将第一温度计9检测的温度信息传递给数据采集器27，所述第二温度计7与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将第二温度计7检测的温度信息传递给数据采集器27，所述压力表8与数据采集器27相应的输入端口电连接且用于将压力表8检测的压力信息传递给数据采集器27，所述深井换热装置的实验装置还包括电磁阀控制器33，所述电磁阀控制器33与数据采集器27电连接且用于接收数据采集器27传输给它的控制指令，所述电磁阀控制器33与截止阀31电连接且用于控制截止阀31工作，所述电磁阀控制器33与流量调节阀32电连接且用于控制流量调节阀32工作。
下面结合实施例对本发明的工作原理进行说明：
对于超大超深矿床开采，热害现象尤为显著。据不完全统计，目前全世界在世界主要采煤国家中，德国、英国、波兰、俄罗斯、日本等都有深部开采矿井。英国煤矿的平均采深为700m，平均地温35℃，最深的达1000m，最高地温达50℃；德国煤矿矿井的平均采深为947m，平均地温41℃，最深的达1713m，最高地温达60℃；波兰煤矿的平均采深为690m，平均地温35℃，最深的达1300m，最高地温达47℃；俄罗斯已经有许多矿井采深达到1200～1400m。对于我国而言，目前国有重点煤矿生产矿井中，采深大于700m的有50处，占总数的8.35％，采深已超过800m的矿井有25处，分布在开滦、北京、鸡西、沈阳、抚顺、新汶和徐州等开采历史较长的老矿区，特别是东部矿区。在采深超过1000m的矿井中,有沈阳彩屯矿(1199m)、开滦赵各庄矿(1160m)、新汶孙村矿(1055m)、北票冠山矿(1059m)和北京门头沟矿(1008m)。开滦唐山矿、马家沟矿和林西矿、北票台吉矿、新汶华丰矿和阜新王家营矿等矿井的开采深度接近1000m。其中，已有140多对矿井出现不同程度的热害问题，其中有45％的矿井采掘工作面风温超过30℃，是世界上热害矿井最多的国家。
深井高温围岩是诱发井下热害的根本原因，但其内部所蕴含的地热能却具有显著的经济及社会效益。深层地热资源作为一种清洁的可再生能源，存储量丰富，可开发潜力巨大。合力开发利用这些深井地热能，对缓解能源短缺、环境及生态问题具有重要意义。基于上述问题，在矿山功能性充填的研究基础上，利用充填体的蓄热/蓄冷作用为防治深井热害提供了一种新思路。利用充填材料的热能储存技术是协调能源供求矛盾、提高能源利用效率和保护环境的重要技术，也是储存和回收利用短期或长期需求能源的一种有效途径。
在实际应用中，大多数工程利用采空区充填体与埋管换热器单级换热，存在充填体储热周期长，不易换热的问题，其热导率很低，往往需要通过传热强化措施改进蓄热性能。
其基本理念为利用充填在采空区的充填体将热能储存起来，并在充填体内敷设同心套管，在同心套管夹层充填多熔点相变蓄热材料，使得套管夹层的相变材料与管内的介质进行间接换热，从而高效的提取矿井地热能。其在内管1-1和外管1-2之间的填充空间中充填相变材料，内管1-1和外管1-2之间的填充空间每间隔一定距离加装一个环形封堵1-3，将内管1-1和外管1-2之间的填充空间分割成若干个独立的密封空间，相邻的两个密封空间内填充不同熔点的相变材料；上述不同熔点的相变材料沿换热流体的流向依次布置在密封空间内；其不同熔点的相变材料沿换热流体的流向依次降低，根据傅里叶导热定律，当任意相邻两段地埋管换热器中换热流体的对数平均温差△tm相同时，热流密度q最大且方向不变，此时换热介质和多熔点相变材料PCM换热效率最高。通过上述设置可以使得多熔点相变材料实现相邻两段地埋管换热器中换热流体的对数平均温差△tm相同，进而达到了换热介质和多熔点相变材料PCM最好的换热效果。该换热装置通过填充空间内不同熔点的相变材料将充填体内的热量传递给换热流体，能够提高换热流体的换热效果，在有效改善井下热环境的基础上，充分高效提取了井下热能，实现节能降温的共赢效果。
本实施例中，所述数据采集器27用于连接热电偶4测量两种不同熔点相变材料相界面的温度；在所述密封空间内根据实际情况安装有微型热电偶4，用于验证红外测温的可靠性。
本实施例中，所述深井模拟实验箱的箱体结构为由绝热材料制成的立方体保温箱体，可以有效防止室外气流与保温箱体进行热量传递。
本发明的一种多熔点深井换热装置及其实验装置设计新颖、实现方便、同时兼顾了深部采场降温与地热开采利用。其具体实施过程包括以下步骤：
步骤一、多熔点相变材料换热器1的加工。
步骤101：在内管1-1和外管1-2之间的填充空间中填充相变材料PCM1；
步骤102：在步骤101中所述填充空间内的相变材料PCM1的末端加装环形封堵；
步骤103：重复步骤101和步骤102，直至完成多熔点相变材料PCM2、PCM3、PCM4、PCM5、PCM6等的填充，多熔点相变材料种类的多少根据实际需求确定，多熔点相变材料换热器1的加工加工完成。
上述步骤中的多熔点相变蓄热材料是不同熔点温度的多种充填相变材料复合配置，按照相变温度高的相变材料靠近埋管流体温度高的一侧布置，以实现熔化-凝固的循环运行；
步骤二、第一容器2和第二容器3的安装。
这里的第一容器2和第二容器3的外侧均覆盖有用于放置第一容器2和第二容器3向外传递热量的绝热材料。
步骤三、在充填体模拟区域15内充填蓄热材料。
步骤301、在充填体模拟区域15内灌注合适配比的充填蓄热材料，当蓄热材料充填至需要设置多熔点相变材料换热器1的高度时，将多熔点相变材料换热器1两端分别与第一容器2和第二容器3是预留的多熔点相变材料换热器1连接孔连接。在蓄热材料上铺设作业平板，在作业平板上侧敷设多熔点相变材料换热器1，多熔点相变材料换热器1敷设完成后撤掉作业平板，继续输入蓄热材料进行充填，直至充填完成，再输入硬化材料进行充填，形成硬化顶，最终形成充填体；所述多熔点相变材料换热器1采用同心套管，外部同轴圆筒由具有不同熔点的不同相变材料的若干段组成能够有效减少系统的有效能损失。所述充填体模拟区域15充填材料为蓄冷/热材料，所述同心套管外部同轴圆筒内充填有多熔点相变材料，管内流体与深井地热进行了二次换热，使得换热效率显著提高。
步骤301、在充填材料中设置充填体模拟区域安装管，并在充填体模拟区域内布设多个充填体温度传感器，再将所述多个充填体温度传感器的信号线经由充填体模拟区域安装管引出至保温箱体外部，与数据采集仪连接，数据采集仪通过数据总线与计算机连接。
步骤四、在所述采场模拟区域14布置多个温湿度传感器24、多个风速传感器23、多个污染物浓度传感器30，用以对采场模拟区域的温湿度、风速和有害物浓度进行测定，可监测采场模拟区域温湿度、风速和有害物浓度变化，将温湿度传感器24、风速传感器23和污染物浓度传感器30等监控装置经探头电缆与数据采集器27连接，数据采集器27在与计算机连接，将将温湿度传感器24、风速传感器23和污染物浓度传感器30等的监测信息显示在显示器上，用以反馈并控制采场模拟区域的参数。
步骤五、由采场进风通道18向采场模拟区域14送风，用以模拟采场区域的进风流状态，再由采场出风通道19进行回风；利用安装在采场模拟区域14出风口和回风口的温湿度传感器24和风速传感器23对采场出风口处的温度、湿度和风速进行周期性采样，将采样得到的采场出风口处的温度、湿度和风速分别进行记录并传输给计算机，显示充填体蓄热过程中采场模拟区域进出口的风流状态。
步骤六、打开截止阀31，向多熔点相变材料换热器1通入换热流体，与蓄热材料进行热交换，当多熔点相变材料换热器1内流量稳定时，构成地下埋管的闭路循环。
步骤七、接通电加热板16的供电回路，分别对开采岩体层模拟区域13、采场模拟区域14和充填体模拟区域15进行加热，温度传感器25对电加热板16的温度进行实时检测并将检测到的信号传输给温度调节控制器26，温度调节控制器26将其接收到的电加热板16检测温度与加热腔预设温度进行比较，当电加热板16检测温度大于电加热板16预设温度时，温度调节控制器26通过控制电源模块29，断开电加热板的供电回路，碳纤维电加热板16停止加热；当温度传感器25检测温度小于电加热板16预设温度时，温度调节控制器26通过控制电源模块29，接通电加热板16的供电回路，碳纤维电加热板16开始加热；进而模拟高温矿井下的真实矿体及围岩发热。所述电加热板16为功率可调节的碳纤维电加热板，用于确保加热热流保持恒定。多熔点相变材料换热器1中的换热流体可以为经过处理过的用户二次用水。
步骤八、电加热板16加热一段时间以后，步骤三中的蓄热材料开始吸收围岩及采场风流的热量，温度逐渐升高，同时相变材料吸收充填体蓄热材料的热量，温度也逐渐升高。当相变材料的温度升高至其熔点温度时，固相相变材料逐渐熔化成液相。当整个采场模拟区域14和充填体模拟区域15各项测量参数保持不变，即系统达到稳态时，向充填体模拟区域15注入冷水，冷水经第一容器2流进多熔点相变材料换热器1内，经多熔点相变材料换热器1从第二容器3流出。冷水沿流动方向依次经过PCM1、PCM2、PCM3、PCM4、PCM5、PCM6。冷水先流经熔点较高的相变材料PCM1，液相相变材料PCM1逐渐向其中心凝固，存储在液相相变材料PCM1中的冷凝热量被冷水带走，冷水被一次加热，温度升高，冷水在依次流经PCM2、PCM3、PCM4、PCM5、PCM6，通过各相变材料的相态变化，冷水被逐级加热，最终流出地埋管换热器。
步骤十、数据采集器27记录整个过程系统各处测点参数值，所测参数包括：充填体温度、进水温度和回水温度，以及采场模拟区域进出口风流的温度、湿度和风速。并通过数据总线传输给计算机，计算机将所采集的数据通过数据转换装置显示到中心监控系统供工作人员开展高温矿井充填体同心套管多熔点相变材料的换热过程及采场地热开采协同矿井降温研究。在多熔点相变材料换热器1前、后侧分别安装高清相机、红外热像仪。所述高清相机用于追踪相变材料的固液相界面；红外热像仪用于实时监控相变材料的温度分布。
其中步骤二和步骤三中的温湿度测量元件、风速测量元件和有害物浓度测量元件，通过计算机实现了实时、远程、自动测量矿井工作面空气温湿度，气流速度及有害物浓度，能够有效的监控并改善矿井空气品质。
其中多熔点相变材料换热器1水平布置，采用从一侧进，再从另一侧出的方式布置，所述第一容器2相当于分水器，第二容器3相当于集水器；从地面换热站来的低温换热流体自换热流体进口管路21进入第一容器2，再经第一容器2流入不同多熔点相变材料换热器1内，经过换热过程后，高温换热流体再从多熔点相变材料换热器1的另一侧流经第二容器3，使得各个多熔点相变材料换热器1流出的高温流体在第二容器3中均匀混合，再经换热流体出口管路22流出，供用户侧使用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多熔点深井换热装置，其特征在于：包括多熔点相变材料换热器(1)、第一容器(2)和第二容器(3)，所述第一容器(2)与多熔点相变材料换热器(1)的一端相连通且用于将第一容器(2)内的换热流体输送到多熔点相变材料换热器(1)内进行热交换，所述多熔点相变材料换热器(1)的另一端与第二容器(3)相连通且用于将多熔点相变材料换热器(1)内的换热流体输送到第二容器(3)内；
所述多熔点相变材料换热器(1)包括内管(1-1)、外管(1-2)、环形封堵(1-3)和相变材料组(1-4)，所述内管(1-1)和外管(1-2)平行设置，所述内管(1-1)设置在外管(1-2)的内侧且内管(1-1)和外管(1-2)之间留有用于填充相变材料组(1-4)的填充空间，所述环形封堵(1-3)设置在内管(1-1)和外管(1-2)之间且用于将所述填充空间沿内管(1-1)长度方向分割成多个相邻独立的密封空间，所述相变材料组(1-4)包括多种不同熔点的相变材料，所述相变材料组(1-4)按照种类依次装填在所述密封空间内，相邻的两个所述密封空间内的相变材料的熔点沿内管(1-1)内换热流体的流动方向而降低。
2.按照权利要求1所述的一种多熔点深井换热装置，其特征在于：所述内管(1-1)和外管(1-2)为同心套管。
3.按照权利要求1所述的一种多熔点深井换热装置，其特征在于：多熔点相变材料换热器(1)的数量为多个，多个所述多熔点相变材料换热器(1)间隔均匀布设，多个所述多熔点相变材料换热器(1)的一端均与第一容器(2)相连通，多个所述多熔点相变材料换热器(1)的另一端均与第二容器(3)相连通。
4.按照权利要求1-3中任一权利要求所述的一种多熔点深井换热装置，其特征在于：所述第一容器(2)和第二容器(3)的外侧均覆盖有用于防止第一容器(2)、第二容器(3)向外传递热量的绝热材料。
5.一种具有如权利要求1所述多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：包括深井模拟实验箱和多熔点相变材料换热器(1)，所述深井模拟实验箱包括实验模拟箱体(10)、上隔板(11)和下隔板(12)，所述上隔板(11)和下隔板(12)均设置在实验模拟箱体(10)内且实验模拟箱体(10)被上隔板(11)和下隔板(12)分隔成由上至下依次设置的三个腔室，所述三个腔室由上至下依次为未开采岩体层模拟区域(13)、采场模拟区域(14)和充填体模拟区域(15)，所述未开采岩体层模拟区域(13)的内壁上、采场模拟区域(14)的内壁上和充填体模拟区域(15)的内壁上均设置有电加热板(16)；
所述未开采岩体层模拟区域(13)内设置有采场进风通道(18)和采场出风通道(19)，所述采场进风通道(18)和采场出风通道(19)间隔设置，所述采场进风通道(18)的下端与采场模拟区域(14)相连通，所述采场出风通道(19)的下端与采场模拟区域(14)相连通，所述未开采岩体层模拟区域(13)内采场进风通道(18)和采场出风通道(19)的外侧区域填充有岩体(17)；
所述充填体模拟区域(15)内设置有蓄热材料(20)、多熔点相变材料换热器(1)、第一容器(2)和第二容器(3)，所述第一容器(2)设置在充填体模拟区域(15)内的左侧，所述第二容器(3)设置在充填体模拟区域(15)内的右侧，所述多熔点相变材料换热器(1)设置在第一容器(2)和第二容器(3)之间，所述多熔点相变材料换热器(1)的一端与第一容器(2)相连通，所述多熔点相变材料换热器(1)另一端与第二容器(3)相连通，所述蓄热材料(20)填充在多熔点相变材料换热器(1)、第一容器(2)及第二容器(3)外侧的充填体模拟区域(15)内且用于将储存的热量传递给多熔点相变材料换热器(1)。
6.按照权利要求5所述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述深井模拟实验箱还包括换热流体进口管路(21)和换热流体出口管路(22)，所述换热流体进口管路(21)的一端与第一容器(2)相连通且用于通过换热流体供应系统将换热流体输送到第一容器(2)内，所述换热流体出口管路(22)的一端与第二容器(3)相连通且用于将第二容器(3)内的换热流体输送给矿井余热利用系统，所述换热流体进口管路(21)上安装有用于检测换热流体进口管路(21)内换热流体温度的第一温度计(9)、用于检测换热流体进口管路(21)内换热流体压力的压力表(8)、用于控制换热流体进口管路(21)内换热流体流动状态的截止阀(31)和用于调节换热流体进口管路(21)内换热流体流量的流量调节阀(32)，所述换热流体出口管路(22)上安装有用于检测换热流体出口管路(22)内换热流体温度的第二温度计(7)。
7.按照权利要求6所述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述深井换热装置的实验装置还包括数据采集控制系统，所述数据采集控制系统包括风速传感器(23)、温湿度传感器(24)、温度传感器(25)、温度调节控制器(26)、数据采集器(27)、数据处理器(28)、电源模块(29)和污染物浓度传感器(30)，所述风速传感器(23)设置在采场模拟区域(14)内且用于检测采场模拟区域(14)内风流的风速值，所述温湿度传感器(24)设置在采场模拟区域(14)内且用于检测采场模拟区域(14)内各测点的温度值和湿度值，所述污染物浓度传感器(30)设置在采场模拟区域(14)内且用于检测采场模拟区域(14)内各测点的污染物浓度值，所述温度传感器(25)为多个，多个所述温度传感器(25)中的一部分均匀布设在岩体(17)内且用于检测岩体(17)的温度值，多个所述温度传感器(25)中的另一部分均匀布设在蓄热材料(20)内且用于检测蓄热材料(20)的温度值，所述温度调节控制器(26)、数据采集器(27)、数据处理器(28)和电源模块(29)均设置在所述深井模拟实验箱的外侧；
所述风速传感器(23)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将风速传感器(23)检查的风速值传递给数据采集器(27)，所述温湿度传感器(24)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将温湿度传感器(24)检测的温度值和湿度值传递给数据采集器(27)，
所述温度传感器(25)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将温度传感器(25)检测的各个检测点的温度值传递给数据采集器(27)，所述污染物浓度传感器(30)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将污染物浓度传感器(30)检测的浓度信息传递给数据采集器(27)，所述数据采集器(27)的相应输出端口与温度调节控制器(26)的相应的输入端口电连接且用于将数据采集器(27)收集的各检测点的温度信息传递给温度调节控制器(26)，所述温度调节控制器(26)的相应输出端与电加热板(16)电连接且用于控制电加热板(16)工作，所述温度调节控制器(26)的相应输入端口与数据采集器(27)的相应输出端口电连接且用于接收数据采集器(27)传输给它的控制指令和将它的控制信息传递给数据采集器(27)，所述数据采集器(27)与数据处理器(28)电连接且用于将数据采集器(27)收集的数据传递给数据处理器(28)和接收数据处理器(28)传递给它的控制指令，所述电源模块(29)分别与实验设备上的用电单元电连接且用于给实验设备上的用电单元提供其工作时所需的电能。
8.按照权利要求7所述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述数据采集控制系统还包括高清图形采集装置(6)和红外热像仪(5)，所述高清图形采集装置(6)的数据输出端与数据处理器(28)相应输入端电连接且用于监测相变材料的固液相界面，所述高清图形采集装置(6)的控制输入端与数据处理器(28)相应的输出端电连接且用于接收数据处理器(28)传输给它的控制指令，所述红外热像仪(5)的数据输出端与数据处理器(28)相应输入端电连接且用于实时监控相变材料的温度分布，所述红外热像仪(5)的控制输入端与数据处理器(28)相应的输出端电连接且用于接收数据处理器(28)传输给它的控制指令，所述高清图形采集装置(6)设置在充填体模拟区域(15)的前侧，所述红外热像仪(5)设置在充填体模拟区域(15)的后侧。
9.按照权利要求7所述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述数据采集控制系统还包括热电偶(4)，所述热电偶(4)固定安装在所述密封空间内且用于检测所述密封空间内相变材料的温度值，所述热电偶(4)与数据采集器(27)电连接且用于将检测的温度值传递给数据采集器(27)。
10.按照权利要求9所述的一种具有多熔点深井换热装置的实验设备，其特征在于：所述换热流体为水，高清图形采集装置(6)为高清相机，所述数据处理器(28)为计算机，所述第一温度计(9)和第二温度计(7)均为温度传感器，所述压力表(8)为电子压力传感器，所述截止阀(31)为电磁截止阀，所述流量调节阀(32)为电子流量调节阀，所述第一温度计(9)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将第一温度计(9)检测的温度信息传递给数据采集器(27)，所述第二温度计(7)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将第二温度计(7)检测的温度信息传递给数据采集器(27)，所述压力表(8)与数据采集器(27)相应的输入端口电连接且用于将压力表(8)检测的压力信息传递给数据采集器(27)，所述深井换热装置的实验装置还包括电磁阀控制器(33)，所述电磁阀控制器(33)与数据采集器(27)电连接且用于接收数据采集器(27)传输给它的控制指令，所述电磁阀控制器(33)与截止阀(31)电连接且用于控制截止阀(31)工作，所述电磁阀控制器(33)与流量调节阀(32)电连接且用于控制流量调节阀(32)工作。
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