CN110986635B - 一种矿井双热源综合热回收装置及装置结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种矿井双热源综合热回收装置及装置结构优化方法，装置包括进风单元、换热单元和出风单元；进风单元包括回风井筒，回风井筒的上端连接有蝶形挡风板，回风井筒的侧面连接有金属过滤网，金属过滤网的后端设置有风机，风机后端设置填料层，填料层后端设置有回风扩散筒；出风单元包括回风收缩筒和出风井筒；换热单元包括换热箱体，换热箱体内部区域前后分为第一矿井水换热腔体、回风换热腔体和第二矿井水换热腔体。本发明的装置结构简单，设计合理，实现方便且成本低，使用操作方便，使用寿命长，能够很好地用于矿井回风和矿井水的余热回收，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种矿井双热源综合热回收装置及装置结构优化方法
技术领域
本发明属于矿井余热回收技术领域，具体涉及一种矿井双热源综合热回收装置及装置结构优化方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，在能源生产消费占据主导地位。随着煤炭开采越来越多，在矿井开发过程中伴随有巨大的余热资源，却并未得到有效利用。
矿井回风是一种优质的余热资源，具有恒温、风量大的特点，温度一般在14℃～30℃，回风量一般在50m3/s～500m3/s。矿井水每年全国外排30亿m3左右，为我国城市年用水量的40％，温度一般在18℃～20℃，可见矿井水中低温热能资源丰富，但全国矿井水利用率仅为26.2％。
目前，井下矿井回风余热回收主要为喷淋换热技术，该技术方案耗水量大，造成水资源浪费，同时由于回风中的颗粒物等的影响，喷淋时对管道造成腐蚀、回水池聚集污泥。矿井水余热利用主要是经过水处理技术加以利用，该技术方案繁琐复杂，需要不断引进新技术。针对目前井下现有的矿井回风和矿井水余热资源利用现状，现有技术中，还缺乏同时利用矿井回风和矿井水热能，实现三种介质高效换热的装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种矿井双热源综合热回收装置，其装置结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便，使用寿命长，能够很好地用于矿井回风和矿井水的余热回收，使用效果好，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井双热源综合热回收装置，包括进风单元、换热单元和出风单元；所述进风单元包括回风井筒，所述回风井筒的上端连接有用于降低风速和风力并起到抑尘作用的蝶形挡风板，所述回风井筒的侧面连接有用于拦截矿井回风中的颗粒物并避免风机叶片受损的金属过滤网，所述金属过滤网的后端设置有用于将回风井筒内的矿井回风吸入换热箱体的风机，所述风机后端设置有用于提高矿井回风湍流程度的填料层，所述填料层后端设置有喇叭形的回风扩散筒；所述出风单元包括喇叭形的回风收缩筒和与回风收缩筒的小端连接的出风井筒；所述换热单元包括设置在进风单元和出风单元之间的换热箱体，所述换热箱体内部区域前后分为三个腔体，前部为第一矿井水换热腔体，中部为回风换热腔体，后部为第二矿井水换热腔体，所述回风换热腔体的一端与回风扩散筒的大端连通，所述回风换热腔体的另一端与回风收缩筒的大端连通，所述第一矿井水换热腔体内设置有第一翅片扁管换热器和多个用于增大壳程的第一挡水板，所述第一翅片扁管换热器的一端连接有位于第一矿井水换热腔体上部的第一矿井水出口，所述第一矿井水出口的一侧设置有与第一矿井水换热腔体连通的第一自来水进水管，所述第一翅片扁管换热器的另一端连接有位于第一矿井水换热腔体下部的第一矿井水进口，所述第一矿井水进口的一侧设置有与第一矿井水换热腔体连通的第一自来水出水管，所述第二矿井水换热腔体内设置有第二翅片扁管换热器和多个用于增大壳程的第二挡水板，所述第二翅片扁管换热器的一端连接有位于第二矿井水换热腔体上部的第二矿井水出口，所述第二矿井水出口的一侧设置有与第二矿井水换热腔体连通的第二自来水进水管，所述第二翅片扁管换热器的另一端连接有位于第二矿井水换热腔体下部的第二矿井水进口，所述第二矿井水进口的一侧设置有与第二矿井水换热腔体连通的第二自来水出水管，所述回风换热腔体内设置有多个翅片管换热器，所述翅片管换热器的一端伸入第一矿井水换热腔体中，所述翅片管换热器的另一端伸入第二矿井水换热腔体中。
上述的一种矿井双热源综合热回收装置，还包括自来水温度控制单元，所述自来水温度控制单元包括第一控制器、第二控制器和第三控制器，以及设置在第一自来水出水管上的第一电辅助加热器和设置在第二自来水出水管上的第二电辅助加热器，所述第一控制器和第三控制器均与第二控制器相接，所述第一电辅助加热器和第二电辅助加热器均与第三控制器的输出端连接，所述风机与第一控制器的输出端连接。
上述的一种矿井双热源综合热回收装置，所述回风扩散筒的入口处设置有第一温度传感器和第一风速传感器，所述出风井筒的出口处设置有第二温度传感器和第二风速传感器，所述第一温度传感器、第一风速传感器、第二温度传感器和第二风速传感器均与第一控制器的输入端连接。
上述的一种矿井双热源综合热回收装置，所述第一自来水进水管上设置有用于检测自来水温度的第三温度传感器、用于检测自来水流量的第一流量传感器和用于调节自来水流量的第一流量控制阀，所述第二自来水进水管上设置有用于检测自来水温度的第四温度传感器、用于检测自来水流量的第二流量传感器和用于调节自来水流量的第二流量控制阀，所述第一矿井水进口处设置有用于检测矿井水温度的第五温度传感器、用于检测矿井水流量的第三流量传感器和用于调节矿井水流量的第三流量控制阀，所述第二矿井水进口处设置有用于检测矿井水温度的第六温度传感器、用于检测矿井水流量的第四流量传感器和用于调节矿井水流量的第四流量控制阀，所述第一自来水出水管上设置有用于检测自来水温度的第七温度传感器、用于检测自来水流量的第五流量传感器和用于调节自来水流量的第五流量控制阀，所述第二自来水出水管上设置有用于检测自来水温度的第八温度传感器、用于检测自来水流量的第六流量传感器和用于调节自来水流量的第六流量控制阀，所述第一矿井水出口处设置有用于检测矿井水温度的第九温度传感器、用于检测矿井水流量的第七流量传感器和用于调节矿井水流量的第七流量控制阀，所述第二矿井水出口处设置有用于检测矿井水温度的第十温度传感器、用于检测矿井水流量的第八流量传感器和用于调节矿井水流量的第八流量控制阀，所述第三温度传感器、第一流量传感器、第四温度传感器、第二流量传感器、第五温度传感器、第三流量传感器、第六温度传感器、第四流量传感器、第七温度传感器、第五流量传感器、第八温度传感器、第六流量传感器、第九温度传感器、第七流量传感器、第十温度传感器和第八流量传感器均与第二控制器的输入端连接，所述第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀、第四流量控制阀、第五流量控制阀、第六流量控制阀、第七流量控制阀和第八流量控制阀均与第二控制器的输出端连接。
上述的一种矿井双热源综合热回收装置，所述第一翅片扁管换热器沿第一挡水板呈蛇型布置，所述第二翅片扁管换热器沿第二挡水板呈蛇型布置。
本发明还公开了一种对矿井双热源综合热回收装置进行结构优化的方法，该方法包括以下步骤：
步骤A1、根据装置的结构参数，确定装置结构优化的因变量；
所述装置的结构参数共有8个：回风扩散筒入口处的当量直径和回风收缩筒出口处的当量直径相同且均为d1；第一翅片扁管换热器的当量直径和第二翅片扁管换热器的当量直径相同且均为d2；第一自来水进水管的圆管外径、第一自来水出水管的圆管外径、第二自来水进水管的圆管外径和第二自来水出水管的圆管外径相同且均为d3，相邻第一挡水板的间距和相邻第二挡水板的间距相同且均为B；换热箱体的边长c；风道长度L1；管程长度L2；翅片管换热器的个数N；
所述装置的热工参数共有9个：矿井回风的质量流量G1；矿井水的质量流量G2；自来水的质量流量G3；回风扩散筒进口处的温度T1；出风井筒出口处的温度T2；矿井水进水温度T3；矿井水出水温度T4；自来水进水温度T5；自来水出水温度T6；
自来水出水温度T6受其余参数影响，管程长度L2与挡水板间距B、换热箱体的边长c存在函数关系，装置结构优化的因变量确定为：
X＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}＝{T6,N,B,c,d1,d2,d3,L1}
步骤A2、确定目标函数；
选择有效换热面积F、压降ΔP和热回收效率η为目标函数，构建有效换热面积F的隶属函数μFi(X)、压降ΔP的隶属函数μΔPj(X)和热回收效率η的隶属函数μη(X)：
Figure BDA0002306355210000051
Figure BDA0002306355210000052
Figure BDA0002306355210000053
其中，Fi,min为给定有效面积的最小值，Fi,max为给定有效面积的最大值，Fi为有效面积最优解；ΔPi,min为给定压降的最小值，ΔPi,max为给定压降的最大值，ΔPi为压降最优解；ηmin为效率最低值，ηmax为效率最高值，η为效率最优解；
步骤A3、采用线性加权法将步骤A2中三个模糊目标转换为单目标；
μD(X)＝α1μF(X)+α2μΔP(X)+α3η(X)
其中，α1、α2、α3分别为F、ΔP、η的加权系数，且三者之和为1；
步骤A4、计算有效换热面积F、压降ΔP和热回收效率η；
有效换热面积F的计算公式为：
Figure BDA0002306355210000054
Figure BDA0002306355210000055
Figure BDA0002306355210000056
其中，βhot为翅片管换热器的沸腾换热系数，βcold为翅片管换热器的冷凝换热系数，cp,1为矿井回风的定压比热容，cp,2为矿井水的定压比热容，thot为翅片扁管换热器蒸发端内壁温度，tcold为翅片扁管换热器冷却端内壁温度，ts为翅片扁管换热器内蒸汽饱和温度，K1为矿井回风与自来水的表面换热系数，k为污垢系数，K2为矿井水与自来水的表面换热系数；
压降ΔP的计算公式为：
Figure BDA0002306355210000061
Figure BDA0002306355210000062
Figure BDA0002306355210000063
其中，λ1为风道的摩擦阻力系数，λ2为管程的摩擦阻力系数，λ3为壳程的摩擦阻力系数，ζ1为风道的局部阻力系数，ζ2为管程的局部阻力系数，ζ3为壳程的局部阻力系数，ρ1为矿井回风的密度，ρ2为矿井水的密度，ρ3为自来水的密度，ω1为矿井回风的平均速度，ω2为矿井水的平均速度，ω3为自来水的平均速度，r为翅片扁管换热器弯头处的长度比值系数，s为翅片扁管换热器中间行程的长度比值系数，t为首/末行程的长度比值系数；
热回收效率η的计算公式为：
Figure BDA0002306355210000064
q1＝cp,1G1(T1-T2)
q2＝2cp,2G2(T3-T4)
q3＝2cp,3G3(T6-T5)
其中，q1为矿井回风的失热量，q2为矿井水的失热量，q3为自来水的得热量，cp,3为自来水的定压比热容；
步骤A5、对因变量增加约束条件；
温度限制：
g1(X)＝T2-T1≥2℃
g2(X)＝T4-T3≥3℃
g3(X)＝T6-T5≥5℃
压力降限制：
g4(X)＝Δp1≤0.01MPa
g5(X)＝Δp2≥10kPa
g6(X)＝Δp2≤100kPa
g7(X)＝Δp3≥10kPa
g8(X)＝Δp3≤80kPa
流速限制：
g9(X)＝ω1≥8m/s
g10(X)＝ω1≤30m/s
g11(X)＝ω2≥0.4m/s
g12(X)＝ω2≤1m/s
g13(X)＝ω3≥0.4m/s
g14(X)＝ω3≤1.2m/s
挡水板间距限制：
Figure BDA0002306355210000071
Figure BDA0002306355210000072
本发明还公开了一种矿井双热源综合热回收的方法，该方法包括以下步骤：
步骤B1、在所述回风扩散筒入口处预先布置第一温度传感器和第一风速传感器；在出风井筒出口处预先布置第二温度传感器和第二风速传感器；在第一自来水进水管上预先布置第三温度传感器、第一流量传感器和第一流量控制阀；在第二自来水进水管上预先布置第四温度传感器、第二流量传感器和第二流量控制阀；在第一矿井水进口处预先布置第五温度传感器、第三流量传感器和第三流量控制阀；在第二矿井水进口处预先布置第六温度传感器、第四流量传感器和第四流量控制阀；在第一自来水出水管上预先布置第七温度传感器、第五流量传感器和第五流量控制阀；在第二自来水出水管上预先布置第八温度传感器、第六流量传感器和第六流量控制阀；在第一矿井水出口处预先布置第九温度传感器、第七流量传感器和第七流量控制阀；在第二矿井水出口处预先布置第十温度传感器、第八流量传感器和第八流量控制阀；
步骤B2、将所述第一温度传感器、第二温度传感器、第一风速传感器和第二风速传感器均与第一控制器的输入端连接，将风机与第一控制器的输出端连接；将第三温度传感器、第一流量传感器、第四温度传感器、第二流量传感器、第五温度传感器、第三流量传感器、第六温度传感器、第四流量传感器、第七温度传感器、第五流量传感器、第八温度传感器、第六流量传感器、第九温度传感器、第七流量传感器、第十温度传感器和第八流量传感器均与第二控制器的输入端连接，将第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀、第四流量控制阀、第五流量控制阀、第六流量控制阀、第七流量控制阀和第八流量控制阀均与第二控制器的输出端连接；将第一电辅助加热器和第二电辅助加热器均与第三控制器的输出端连接；
步骤B3、通过所述第一自来水进水管向第一矿井水换热腔体内输送自来水，自来水沿着第一挡水板由上而下流动，第一自来水进水管上布置的第三温度传感器和第一流量传感器检测自来水流入第一矿井水换热腔体的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器中；第一自来水出水管布置的第七温度传感器和第五流量传感器检测自来水流出第一矿井水换热腔体的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器中；当自来水流入第一矿井水换热腔体的温度值、流量值与自来水流出第一矿井水换热腔体的温度值、流量值相同时，完成第一矿井水换热腔体内的自来水输送；
步骤B4、通过所述第二自来水进水管向第二矿井水换热腔体内输送自来水，自来水沿着第二挡水板由上而下流动，第二自来水进水管上布置的第四温度传感器和第二流量传感器检测自来水流入第二矿井水换热腔体的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器中；第二自来水出水管布置的第八温度传感器和第六流量传感器检测自来水流出第二矿井水换热腔体的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器中；当自来水流入第二矿井水换热腔体的温度值、流量值与自来水流出第二矿井水换热腔体的温度值、流量值相同时，完成第二矿井水换热腔体内的自来水输送；
步骤B5、通过所述第一矿井水进口向第一翅片扁管换热器内输送矿井水，矿井水在第一翅片扁管换热器中由下而上呈蛇形流动，同时，通过第一翅片扁管换热器与第一矿井水换热腔体内的自来水发生热交换，第一矿井水进口处布置的第三流量传感器检测矿井水流入第一翅片扁管换热器的流量值，并将检测值传输到第二控制器中；第一矿井水出口处布置的第七流量传感器检测矿井水流出第一翅片扁管换热器的流量值，并将检测值传输到第二控制器中，当矿井水流入第一翅片扁管换热器的流量值与矿井水流出第一翅片扁管换热器的流量值相同时，完成第一翅片扁管换热器内的矿井水输送；
步骤B6、通过所述第二矿井水进口向第二翅片扁管换热器内输送矿井水，矿井水在第二翅片扁管换热器中由下而上呈蛇形流动，同时，通过第二翅片扁管换热器与第二矿井水换热腔体内的自来水发生热交换，第二矿井水进口处布置的第四流量传感器检测矿井水流入第二翅片扁管换热器的流量值，并将检测值传输到第二控制器中；第二矿井水出口处布置的第八流量传感器检测矿井水流出第二翅片扁管换热器的流量值，并将检测值传输到第二控制器中，当矿井水流入第二翅片扁管换热器的流量值与矿井水流出第二翅片扁管换热器的流量值相同时，完成第二翅片扁管换热器内的矿井水输送；
步骤B7、通过所述第一控制器启动风机，矿井回风从回风井筒内由风机吸入，依次经过金属过滤网和填料层进入回风换热腔体中，通过翅片管换热器提高与自来水的换热效率；
步骤B8、所述回风扩散筒入口处布置的第一温度传感器和第一风速传感器检测矿井回风进入回风换热腔体的温度和风速，并将检测值传输到第一控制器中；所述出风井筒出口处布置的第二温度传感器和第二风速传感器检测矿井回风出回风换热腔体的温度和风速，并将检测值传输到第一控制器中，当第一温度传感器检测的温度值与第二温度传感器检测的温度值的温差高于2℃时，通过第一控制器降低风机的输出频率，减小风速，延长矿井回风与自来水换热时间；
所述第一矿井水进口处布置的第五温度传感器检测矿井水流入第一翅片扁管换热器的温度值，并将检测值传输到第二控制器中；第一矿井水出口处布置的第九温度传感器检测矿井水流出第一翅片扁管换热器的温度值，并将检测值传输到第二控制器中，当矿井水流入第一翅片扁管换热器的温度值与矿井水流出第一翅片扁管换热器的温度值的温差高于3℃时，通过第二控制器调节第三流量控制阀和第七流量控制阀的开启程度，减小矿井水流量，延长矿井水与自来水的换热时间；
所述第二矿井水进口处布置的第六温度传感器检测矿井水流入第二翅片扁管换热器的温度值，并将检测值传输到第二控制器中；第二矿井水出口处布置的第十温度传感器检测矿井水流出第二翅片扁管换热器的温度值，并将检测值传输到第二控制器中，当矿井水流入第二翅片扁管换热器的温度值与矿井水流出第二翅片扁管换热器的温度值的温差高于3℃时，通过第二控制器调节第四流量控制阀和第八流量控制阀的开启程度，减小矿井水流量，延长矿井水与自来水的换热时间；
当第一自来水出水管的自来水温度低于用户所需温度时，通过第三控制器启动第一电辅助加热器，对热交换后的自来水进一步加热；当第二自来水出水管的自来水温度低于用户所需温度时，通过第三控制器启动第二电辅助加热器，对热交换后的自来水进一步加热；在满足用户用水量的前提下，也能够通过第二控制器调节第一流量控制阀、第二流量控制阀、第五流量控制阀和第六流量控制阀，减小自来水流量，延长矿井水与自来水的换热时间。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明的矿井双热源综合热回收装置结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低。
2.本发明的矿井双热源综合热回收装置，实现了矿井回风、自来水、矿井水三种介质同时换热，提高了矿井余热资源利用率。
3.本发明的矿井双热源综合热回收装置，采用了翅片管换热器，其冷凝段在矿井水换热腔体内与自来水换热，蒸发段在回风换热腔体中与回风进行热量交换，且翅片管换热器交错排列，有效提高余热回收率。
4.本发明的矿井双热源综合热回收装置，采用了挡水板增大壳程，以增强换热效果。
5.本发明的矿井双热源综合热回收装置，采用了翅片扁管换热器，增大矿井水与自来水的接触面积，以提高换热效率。
6.本发明能够很好地用于矿井回风和矿井水的余热回收，使用寿命长，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明的装置结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，使用操作方便，使用寿命长，能够很好地用于矿井回风和矿井水的余热回收，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图2为图1的正视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本发明自来水温度控制单元的连接关系示意图。
附图标记说明:
1—回风井筒； 2—蝶形挡风板； 3—金属过滤网；
4—风机； 5—填料层； 6—回风扩散筒；
7—换热箱体； 7-1—第一矿井水换热腔体； 7-2—回风换热腔体；
7-3—第二矿井水换热腔体； 8—回风收缩筒； 9—出风井筒；
10-1—第一挡水板； 10-2—第二挡水板； 11-1—第一翅片扁管换热器；
11-2—第二翅片扁管换热器； 12—翅片管换热器； 13—第一自来水进水管；
14—第一矿井水出口； 15—第一自来水出水管； 16—第一矿井水进口；
17—第二自来水进水管； 18—第二矿井水出口； 19—第二自来水出水管；
20—第二矿井水进口； 21—第一电辅助加热器； 23—第二电辅助加热器；
25-1—第一控制器； 25-2—第二控制器； 25-3—第三控制器；
26—第一流量控制阀； 27—第二流量控制阀； 28—第三流量控制阀；
29—第四流量控制阀； 30—第五流量控制阀； 31—第六流量控制阀；
32—第七流量控制阀； 33—第八流量控制阀； 34—第一温度传感器；
35—第二温度传感器； 36—第三温度传感器； 37—第四温度传感器；
38—第五温度传感器； 39—第六温度传感器； 40—第七温度传感器；
41—第八温度传感器； 42—第九温度传感器； 43—第十温度传感器；
44—第一风速传感器； 45—第二风速传感器； 46—第一流量传感器；
47—第二流量传感器； 48—第三流量传感器； 49—第四流量传感器；
50—第五流量传感器； 51—第六流量传感器； 52—第七流量传感器；
53—第八流量传感器。
具体实施方式
如图1～图3所示，本发明的矿井双热源综合热回收装置，包括进风单元、换热单元和出风单元；所述进风单元包括回风井筒1，所述回风井筒1的上端连接有用于降低风速和风力并起到抑尘作用的蝶形挡风板2，所述回风井筒1的侧面连接有用于拦截矿井回风中的颗粒物并避免风机叶片受损的金属过滤网3，所述金属过滤网3的后端设置有用于将回风井筒1内的矿井回风吸入换热箱体的风机4，所述风机4后端设置有用于提高矿井回风湍流程度的填料层5，所述填料层5后端设置有喇叭形的回风扩散筒6；所述出风单元包括喇叭形的回风收缩筒8和与回风收缩筒8的小端连接的出风井筒9；所述换热单元包括设置在进风单元和出风单元之间的换热箱体7，所述换热箱体7内部区域前后分为三个腔体，前部为第一矿井水换热腔体7-1，中部为回风换热腔体7-2，后部为第二矿井水换热腔体7-3，所述回风换热腔体7-2的一端与回风扩散筒6的大端连通，所述回风换热腔体7-2的另一端与回风收缩筒8的大端连通，所述第一矿井水换热腔体7-1内设置有第一翅片扁管换热器11-1和多个用于增大壳程的第一挡水板10-1，所述第一翅片扁管换热器11-1的一端连接有位于第一矿井水换热腔体7-1上部的第一矿井水出口14，所述第一矿井水出口14的一侧设置有与第一矿井水换热腔体7-1连通的第一自来水进水管13，所述第一翅片扁管换热器11-1的另一端连接有位于第一矿井水换热腔体7-1下部的第一矿井水进口16，所述第一矿井水进口16的一侧设置有与第一矿井水换热腔体7-1连通的第一自来水出水管15，所述第二矿井水换热腔体7-3内设置有第二翅片扁管换热器11-2和多个用于增大壳程的第二挡水板10-2，所述第二翅片扁管换热器11-2的一端连接有位于第二矿井水换热腔体7-3上部的第二矿井水出口18，所述第二矿井水出口18的一侧设置有与第二矿井水换热腔体7-3连通的第二自来水进水管17，所述第二翅片扁管换热器11-2的另一端连接有位于第二矿井水换热腔体7-3下部的第二矿井水进口20，所述第二矿井水进口20的一侧设置有与第二矿井水换热腔体7-3连通的第二自来水出水管19，所述回风换热腔体7-2内设置有多个翅片管换热器12，所述翅片管换热器12的一端伸入第一矿井水换热腔体7-1中，所述翅片管换热器12的另一端伸入第二矿井水换热腔体7-3中。
具体实施时，所述换热箱体7为正方体框架结构，所述换热箱体7的顶板、底板、前侧壁、后侧壁、左侧壁除回风换热腔体7-2所占面积外、右侧壁除回风换热腔体7-2所占面积外，均由保温钢板制成，其中保温钢板采用聚氨酯现场发泡材料，将保温材料与钢板合二为一，所述第一矿井水换热腔体7-1后侧壁，即第一矿井水换热腔体7-1与回风换热腔体7-2之间为导热性能良好且承重的钢板，所述第二矿井水换热腔体7-3前侧壁，即第二矿井水换热腔体7-3与回风换热腔体7-2之间为导热性能良好且承重的钢板。
具体实施时，所述翅片管换热器12的冷凝段在第一矿井水换热腔体7-1和第二矿井水换热腔体7-3内与自来水换热，蒸发段在回风换热腔体7-2中与矿井回风进行热量交换，翅片管换热器12交错排列，用于强化自来水和矿井回风与自来水的换热。
如图4所示，本发明的矿井双热源综合热回收装置，还包括自来水温度控制单元，所述自来水温度控制单元包括第一控制器25-1、第二控制器25-2和第三控制器25-3，以及设置在第一自来水出水管15上的第一电辅助加热器21和设置在第二自来水出水管19上的第二电辅助加热器23，所述第一控制器25-1和第三控制器25-3均与第二控制器25-2相接，所述第一电辅助加热器21和第二电辅助加热器23均与第三控制器25-3的输出端连接，所述风机4与第一控制器25-1的输出端连接。
本实施例中，所述回风扩散筒6的入口处设置有第一温度传感器34和第一风速传感器44，所述出风井筒9的出口处设置有第二温度传感器35和第二风速传感器45，所述第一温度传感器34、第一风速传感器44、第二温度传感器35和第二风速传感器45均与第一控制器25-1的输入端连接。
本实施例中，所述第一自来水进水管13上设置有用于检测自来水温度的第三温度传感器36、用于检测自来水流量的第一流量传感器46和用于调节自来水流量的第一流量控制阀26，所述第二自来水进水管17上设置有用于检测自来水温度的第四温度传感器37、用于检测自来水流量的第二流量传感器47和用于调节自来水流量的第二流量控制阀27，所述第一矿井水进口16处设置有用于检测矿井水温度的第五温度传感器38、用于检测矿井水流量的第三流量传感器48和用于调节矿井水流量的第三流量控制阀28，所述第二矿井水进口20处设置有用于检测矿井水温度的第六温度传感器39、用于检测矿井水流量的第四流量传感器49和用于调节矿井水流量的第四流量控制阀29，所述第一自来水出水管15上设置有用于检测自来水温度的第七温度传感器40、用于检测自来水流量的第五流量传感器50和用于调节自来水流量的第五流量控制阀30，所述第二自来水出水管19上设置有用于检测自来水温度的第八温度传感器41、用于检测自来水流量的第六流量传感器51和用于调节自来水流量的第六流量控制阀31，所述第一矿井水出口14处设置有用于检测矿井水温度的第九温度传感器42、用于检测矿井水流量的第七流量传感器52和用于调节矿井水流量的第七流量控制阀32，所述第二矿井水出口18处设置有用于检测矿井水温度的第十温度传感器43、用于检测矿井水流量的第八流量传感器53和用于调节矿井水流量的第八流量控制阀33，所述第三温度传感器36、第一流量传感器46、第四温度传感器37、第二流量传感器47、第五温度传感器38、第三流量传感器48、第六温度传感器39、第四流量传感器49、第七温度传感器40、第五流量传感器50、第八温度传感器41、第六流量传感器51、第九温度传感器42、第七流量传感器52、第十温度传感器43和第八流量传感器53均与第二控制器25-2的输入端连接，所述第一流量控制阀26、第二流量控制阀27、第三流量控制阀28、第四流量控制阀29、第五流量控制阀30、第六流量控制阀31、第七流量控制阀32和第八流量控制阀33均与第二控制器25-2的输出端连接。
本实施例中，所述第一翅片扁管换热器11-1沿第一挡水板10-1呈蛇型布置，所述第二翅片扁管换热器11-2沿第二挡水板10-2呈蛇型布置。
本发明的对矿井双热源综合热回收装置进行结构优化的方法，包括以下步骤：
步骤A1、根据装置的结构参数，确定装置结构优化的因变量；
所述装置的结构参数共有8个：回风扩散筒6入口处的当量直径和回风收缩筒8出口处的当量直径相同且均为d1；第一翅片扁管换热器11-1的当量直径和第二翅片扁管换热器11-2的当量直径相同且均为d2；第一自来水进水管13的圆管外径、第一自来水出水管15的圆管外径、第二自来水进水管17的圆管外径和第二自来水出水管19的圆管外径相同且均为d3，相邻第一挡水板10-1的间距和相邻第二挡水板10-2的间距相同且均为B；换热箱体7的边长c；风道长度L1；管程长度L2；翅片管换热器12的个数N；
所述装置的热工参数共有9个：矿井回风的质量流量G1；矿井水的质量流量G2；自来水的质量流量G3；回风扩散筒6进口处的温度T1；出风井筒9出口处的温度T2；矿井水进水温度T3；矿井水出水温度T4；自来水进水温度T5；自来水出水温度T6；
自来水出水温度T6受其余参数影响，管程长度L2与挡水板间距B、换热箱体7的边长c存在函数关系，装置结构优化的因变量确定为：
X＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}＝{T6,N,B,c,d1,d2,d3,L1}
步骤A2、确定目标函数；
选择有效换热面积F、压降ΔP和热回收效率η为目标函数，构建有效换热面积F的隶属函数μFi(X)、压降ΔP的隶属函数μΔPj(X)和热回收效率η的隶属函数μη(X)：
Figure BDA0002306355210000161
Figure BDA0002306355210000162
Figure BDA0002306355210000163
其中，Fi,min为给定有效面积的最小值，Fi,max为给定有效面积的最大值，Fi为有效面积最优解；ΔPi,min为给定压降的最小值，ΔPi,max为给定压降的最大值，ΔPi为压降最优解；ηmin为效率最低值，ηmax为效率最高值，η为效率最优解；
具体实施时，风道内压降不得超过0.01MPa，管程内压降为10kPa～100kPa，壳程内压降为10kPa～80kPa；
步骤A3、采用线性加权法将步骤A2中三个模糊目标转换为单目标；
μD(X)＝α1μF(X)+α2μΔP(X)+α3η(X)
其中，α1、α2、α3分别为F、ΔP、η的加权系数，且三者之和为1；
步骤A4、计算有效换热面积F、压降ΔP和热回收效率η；
有效换热面积F的计算公式为：
Figure BDA0002306355210000171
Figure BDA0002306355210000172
Figure BDA0002306355210000173
其中，βhot为翅片管换热器12的沸腾换热系数，βcold为翅片管换热器12的冷凝换热系数，cp,1为矿井回风的定压比热容，cp,2为矿井水的定压比热容，thot为翅片扁管换热器蒸发端内壁温度，tcold为翅片扁管换热器冷却端内壁温度，ts为翅片扁管换热器内蒸汽饱和温度，K1为矿井回风与自来水的表面换热系数，k为污垢系数，K2为矿井水与自来水的表面换热系数；
具体实施时，污垢系数k的取值为0.8～0.9；
压降ΔP的计算公式为：
Figure BDA0002306355210000174
Figure BDA0002306355210000175
Figure BDA0002306355210000176
其中，λ1为风道的摩擦阻力系数，λ2为管程的摩擦阻力系数，λ3为壳程的摩擦阻力系数，ζ1为风道的局部阻力系数，ζ2为管程的局部阻力系数，ζ3为壳程的局部阻力系数，ρ1为矿井回风的密度，ρ2为矿井水的密度，ρ3为自来水的密度，ω1为矿井回风的平均速度，ω2为矿井水的平均速度，ω3为自来水的平均速度，r为翅片扁管换热器弯头处的长度比值系数，s为翅片扁管换热器中间行程的长度比值系数，t为首/末行程的长度比值系数；
热回收效率η的计算公式为：
Figure BDA0002306355210000181
q1＝cp,1G1(T1-T2)
q2＝2cp,2G2(T3-T4)
q3＝2cp,3G3(T6-T5)
其中，q1为矿井回风的失热量，q2为矿井水的失热量，q3为自来水的得热量，cp,3为自来水的定压比热容；
步骤A5、对因变量增加约束条件；
温度限制：
g1(X)＝T2-T1≥2℃
g2(X)＝T4-T3≥3℃
g3(X)＝T6-T5≥5℃
压力降限制：
g4(X)＝Δp1≤0.01MPa
g5(X)＝Δp2≥10kPa
g6(X)＝Δp2≤100kPa
g7(X)＝Δp3≥10kPa
g8(X)＝Δp3≤80kPa
流速限制：
g9(X)＝ω1≥8m/s
g10(X)＝ω1≤30m/s
g11(X)＝ω2≥0.4m/s
g12(X)＝ω2≤1m/s
g13(X)＝ω3≥0.4m/s
g14(X)＝ω3≤1.2m/s
挡水板间距限制：
Figure BDA0002306355210000191
Figure BDA0002306355210000192
本发明的矿井双热源综合热回收的方法，包括以下步骤：
步骤B1、在所述回风扩散筒6入口处预先布置第一温度传感器34和第一风速传感器44；在出风井筒9出口处预先布置第二温度传感器35和第二风速传感器45；在第一自来水进水管13上预先布置第三温度传感器36、第一流量传感器46和第一流量控制阀26；在第二自来水进水管17上预先布置第四温度传感器37、第二流量传感器47和第二流量控制阀27；在第一矿井水进口16处预先布置第五温度传感器38、第三流量传感器48和第三流量控制阀28；在第二矿井水进口20处预先布置第六温度传感器39、第四流量传感器49和第四流量控制阀29；在第一自来水出水管15上预先布置第七温度传感器40、第五流量传感器50和第五流量控制阀30；在第二自来水出水管19上预先布置第八温度传感器41、第六流量传感器51和第六流量控制阀31；在第一矿井水出口14处预先布置第九温度传感器42、第七流量传感器52和第七流量控制阀32；在第二矿井水出口18处预先布置第十温度传感器43、第八流量传感器53和第八流量控制阀33；
步骤B2、将所述第一温度传感器34、第二温度传感器35、第一风速传感器44和第二风速传感器45均与第一控制器25-1的输入端连接，将风机4与第一控制器25-1的输出端连接；将第三温度传感器36、第一流量传感器46、第四温度传感器37、第二流量传感器47、第五温度传感器38、第三流量传感器48、第六温度传感器39、第四流量传感器49、第七温度传感器40、第五流量传感器50、第八温度传感器41、第六流量传感器51、第九温度传感器42、第七流量传感器52、第十温度传感器43和第八流量传感器53均与第二控制器25-2的输入端连接，将第一流量控制阀26、第二流量控制阀27、第三流量控制阀28、第四流量控制阀29、第五流量控制阀30、第六流量控制阀31、第七流量控制阀32和第八流量控制阀33均与第二控制器25-2的输出端连接；将第一电辅助加热器21和第二电辅助加热器23均与第三控制器25-3的输出端连接；
步骤B3、通过所述第一自来水进水管13向第一矿井水换热腔体7-1内输送自来水，自来水沿着第一挡水板10-1由上而下流动，第一自来水进水管13上布置的第三温度传感器36和第一流量传感器46检测自来水流入第一矿井水换热腔体7-1的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；第一自来水出水管15布置的第七温度传感器40和第五流量传感器50检测自来水流出第一矿井水换热腔体7-1的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；当自来水流入第一矿井水换热腔体7-1的温度值、流量值与自来水流出第一矿井水换热腔体7-1的温度值、流量值相同时，完成第一矿井水换热腔体7-1内的自来水输送；
步骤B4、通过所述第二自来水进水管17向第二矿井水换热腔体7-3内输送自来水，自来水沿着第二挡水板10-2由上而下流动，第二自来水进水管17上布置的第四温度传感器37和第二流量传感器47检测自来水流入第二矿井水换热腔体7-3的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；第二自来水出水管19布置的第八温度传感器41和第六流量传感器51检测自来水流出第二矿井水换热腔体7-3的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；当自来水流入第二矿井水换热腔体7-3的温度值、流量值与自来水流出第二矿井水换热腔体7-3的温度值、流量值相同时，完成第二矿井水换热腔体7-3内的自来水输送；
步骤B5、通过所述第一矿井水进口16向第一翅片扁管换热器11-1内输送矿井水，矿井水在第一翅片扁管换热器11-1中由下而上呈蛇形流动，同时，通过第一翅片扁管换热器11-1与第一矿井水换热腔体7-1内的自来水发生热交换，第一矿井水进口16处布置的第三流量传感器48检测矿井水流入第一翅片扁管换热器11-1的流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；第一矿井水出口14处布置的第七流量传感器52检测矿井水流出第一翅片扁管换热器11-1的流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中，当矿井水流入第一翅片扁管换热器11-1的流量值与矿井水流出第一翅片扁管换热器11-1的流量值相同时，完成第一翅片扁管换热器11-1内的矿井水输送；
步骤B6、通过所述第二矿井水进口20向第二翅片扁管换热器11-2内输送矿井水，矿井水在第二翅片扁管换热器11-2中由下而上呈蛇形流动，同时，通过第二翅片扁管换热器11-2与第二矿井水换热腔体7-3内的自来水发生热交换，第二矿井水进口20处布置的第四流量传感器49检测矿井水流入第二翅片扁管换热器11-2的流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；第二矿井水出口18处布置的第八流量传感器53检测矿井水流出第二翅片扁管换热器11-2的流量值，并将检测值传输到第二控制器25-2中，当矿井水流入第二翅片扁管换热器11-2的流量值与矿井水流出第二翅片扁管换热器11-2的流量值相同时，完成第二翅片扁管换热器11-2内的矿井水输送；
步骤B7、通过所述第一控制器25-1启动风机4，矿井回风从回风井筒1内由风机4吸入，依次经过金属过滤网3和填料层5进入回风换热腔体7-2中，通过翅片管换热器12提高与自来水的换热效率；
步骤B8、所述回风扩散筒6入口处布置的第一温度传感器34和第一风速传感器44检测矿井回风进入回风换热腔体7-2的温度和风速，并将检测值传输到第一控制器25-1中；所述出风井筒9出口处布置的第二温度传感器35和第二风速传感器45检测矿井回风出回风换热腔体7-2的温度和风速，并将检测值传输到第一控制器25-1中，当第一温度传感器34检测的温度值与第二温度传感器35检测的温度值的温差高于2℃时，通过第一控制器25-1降低风机4的输出频率，减小风速，延长矿井回风与自来水换热时间；
所述第一矿井水进口16处布置的第五温度传感器38检测矿井水流入第一翅片扁管换热器11-1的温度值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；第一矿井水出口14处布置的第九温度传感器42检测矿井水流出第一翅片扁管换热器11-1的温度值，并将检测值传输到第二控制器25-2中，当矿井水流入第一翅片扁管换热器11-1的温度值与矿井水流出第一翅片扁管换热器11-1的温度值的温差高于3℃时，通过第二控制器25-2调节第三流量控制阀28和第七流量控制阀32的开启程度，减小矿井水流量，延长矿井水与自来水的换热时间；
所述第二矿井水进口20处布置的第六温度传感器39检测矿井水流入第二翅片扁管换热器11-2的温度值，并将检测值传输到第二控制器25-2中；第二矿井水出口18处布置的第十温度传感器43检测矿井水流出第二翅片扁管换热器11-2的温度值，并将检测值传输到第二控制器25-2中，当矿井水流入第二翅片扁管换热器11-2的温度值与矿井水流出第二翅片扁管换热器11-2的温度值的温差高于3℃时，通过第二控制器25-2调节第四流量控制阀29和第八流量控制阀33的开启程度，减小矿井水流量，延长矿井水与自来水的换热时间；
当第一自来水出水管15的自来水温度低于用户所需温度时，通过第三控制器25-3启动第一电辅助加热器21，对热交换后的自来水进一步加热；当第二自来水出水管19的自来水温度低于用户所需温度时，通过第三控制器25-3启动第二电辅助加热器23，对热交换后的自来水进一步加热；在满足用户用水量的前提下，也能够通过第二控制器25-2调节第一流量控制阀26、第二流量控制阀27、第五流量控制阀30和第六流量控制阀31，减小自来水流量，延长矿井水与自来水的换热时间。
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化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种矿井双热源综合热回收装置，其特征在于：包括进风单元、换热单元和出风单元；
所述进风单元包括回风井筒(1)，所述回风井筒(1)的上端连接有用于降低风速和风力并起到抑尘作用的蝶形挡风板(2)，所述回风井筒(1)的侧面连接有用于拦截矿井回风中的颗粒物并避免风机叶片受损的金属过滤网(3)，所述金属过滤网(3)的后端设置有用于将回风井筒(1)内的矿井回风吸入换热箱体的风机(4)，所述风机(4)后端设置有用于提高矿井回风湍流程度的填料层(5)，所述填料层(5)后端设置有喇叭形的回风扩散筒(6)；
所述出风单元包括喇叭形的回风收缩筒(8)和与回风收缩筒(8)的小端连接的出风井筒(9)；
所述换热单元包括设置在进风单元和出风单元之间的换热箱体(7)，所述换热箱体(7)内部区域前后分为三个腔体，前部为第一矿井水换热腔体(7-1)，中部为回风换热腔体(7-2)，后部为第二矿井水换热腔体(7-3)，所述回风换热腔体(7-2)的一端与回风扩散筒(6)的大端连通，所述回风换热腔体(7-2)的另一端与回风收缩筒(8)的大端连通，所述第一矿井水换热腔体(7-1)内设置有第一翅片扁管换热器(11-1)和多个用于增大壳程的第一挡水板(10-1)，所述第一翅片扁管换热器(11-1)的一端连接有位于第一矿井水换热腔体(7-1)上部的第一矿井水出口(14)，所述第一矿井水出口(14)的一侧设置有与第一矿井水换热腔体(7-1)连通的第一自来水进水管(13)，所述第一翅片扁管换热器(11-1)的另一端连接有位于第一矿井水换热腔体(7-1)下部的第一矿井水进口(16)，所述第一矿井水进口(16)的一侧设置有与第一矿井水换热腔体(7-1)连通的第一自来水出水管(15)，所述第二矿井水换热腔体(7-3)内设置有第二翅片扁管换热器(11-2)和多个用于增大壳程的第二挡水板(10-2)，所述第二翅片扁管换热器(11-2)的一端连接有位于第二矿井水换热腔体(7-3)上部的第二矿井水出口(18)，所述第二矿井水出口(18)的一侧设置有与第二矿井水换热腔体(7-3)连通的第二自来水进水管(17)，所述第二翅片扁管换热器(11-2)的另一端连接有位于第二矿井水换热腔体(7-3)下部的第二矿井水进口(20)，所述第二矿井水进口(20)的一侧设置有与第二矿井水换热腔体(7-3)连通的第二自来水出水管(19)，所述回风换热腔体(7-2)内设置有多个翅片管换热器(12)，所述翅片管换热器(12)的一端伸入第一矿井水换热腔体(7-1)中，所述翅片管换热器(12)的另一端伸入第二矿井水换热腔体(7-3)中，所述翅片管换热器(12)的冷凝段在第一矿井水换热腔体(7-1)和第二矿井水换热腔体(7-3)内与自来水换热，所述翅片管换热器(12)的蒸发段在回风换热腔体(7-2)中与矿井回风换热。
2.按照权利要求1所述的一种矿井双热源综合热回收装置，其特征在于：还包括自来水温度控制单元，所述自来水温度控制单元包括第一控制器(25-1)、第二控制器(25-2)和第三控制器(25-3)，以及设置在第一自来水出水管(15)上的第一电辅助加热器(21)和设置在第二自来水出水管(19)上的第二电辅助加热器(23)，所述第一控制器(25-1)和第三控制器(25-3)均与第二控制器(25-2)相接，所述第一电辅助加热器(21)和第二电辅助加热器(23)均与第三控制器(25-3)的输出端连接，所述风机(4)与第一控制器(25-1)的输出端连接。
3.按照权利要求2所述的一种矿井双热源综合热回收装置，其特征在于：所述回风扩散筒(6)的入口处设置有第一温度传感器(34)和第一风速传感器(44)，所述出风井筒(9)的出口处设置有第二温度传感器(35)和第二风速传感器(45)，所述第一温度传感器(34)、第一风速传感器(44)、第二温度传感器(35)和第二风速传感器(45)均与第一控制器(25-1)的输入端连接。
4.按照权利要求2所述的一种矿井双热源综合热回收装置，其特征在于：所述第一自来水进水管(13)上设置有用于检测自来水温度的第三温度传感器(36)、用于检测自来水流量的第一流量传感器(46)和用于调节自来水流量的第一流量控制阀(26)，所述第二自来水进水管(17)上设置有用于检测自来水温度的第四温度传感器(37)、用于检测自来水流量的第二流量传感器(47)和用于调节自来水流量的第二流量控制阀(27)，所述第一矿井水进口(16)处设置有用于检测矿井水温度的第五温度传感器(38)、用于检测矿井水流量的第三流量传感器(48)和用于调节矿井水流量的第三流量控制阀(28)，所述第二矿井水进口(20)处设置有用于检测矿井水温度的第六温度传感器(39)、用于检测矿井水流量的第四流量传感器(49)和用于调节矿井水流量的第四流量控制阀(29)，所述第一自来水出水管(15)上设置有用于检测自来水温度的第七温度传感器(40)、用于检测自来水流量的第五流量传感器(50)和用于调节自来水流量的第五流量控制阀(30)，所述第二自来水出水管(19)上设置有用于检测自来水温度的第八温度传感器(41)、用于检测自来水流量的第六流量传感器(51)和用于调节自来水流量的第六流量控制阀(31)，所述第一矿井水出口(14)处设置有用于检测矿井水温度的第九温度传感器(42)、用于检测矿井水流量的第七流量传感器(52)和用于调节矿井水流量的第七流量控制阀(32)，所述第二矿井水出口(18)处设置有用于检测矿井水温度的第十温度传感器(43)、用于检测矿井水流量的第八流量传感器(53)和用于调节矿井水流量的第八流量控制阀(33)，所述第三温度传感器(36)、第一流量传感器(46)、第四温度传感器(37)、第二流量传感器(47)、第五温度传感器(38)、第三流量传感器(48)、第六温度传感器(39)、第四流量传感器(49)、第七温度传感器(40)、第五流量传感器(50)、第八温度传感器(41)、第六流量传感器(51)、第九温度传感器(42)、第七流量传感器(52)、第十温度传感器(43)和第八流量传感器(53)均与第二控制器(25-2)的输入端连接，所述第一流量控制阀(26)、第二流量控制阀(27)、第三流量控制阀(28)、第四流量控制阀(29)、第五流量控制阀(30)、第六流量控制阀(31)、第七流量控制阀(32)和第八流量控制阀(33)均与第二控制器(25-2)的输出端连接。
5.按照权利要求1所述的一种矿井双热源综合热回收装置，其特征在于：所述第一翅片扁管换热器(11-1)沿第一挡水板(10-1)呈蛇型布置，所述第二翅片扁管换热器(11-2)沿第二挡水板(10-2)呈蛇型布置。
6.一种对权利要求1所述装置进行结构优化的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤A1、根据装置的结构参数，确定装置结构优化的因变量；
所述装置的结构参数共有8个：回风扩散筒(6)入口处的当量直径和回风收缩筒(8)出口处的当量直径相同且均为d1；第一翅片扁管换热器(11-1)的当量直径和第二翅片扁管换热器(11-2)的当量直径相同且均为d2；第一自来水进水管(13)的圆管外径、第一自来水出水管(15)的圆管外径、第二自来水进水管(17)的圆管外径和第二自来水出水管(19)的圆管外径相同且均为d3，相邻第一挡水板(10-1)的间距和相邻第二挡水板(10-2)的间距相同且均为B；换热箱体(7)的边长c；风道长度L1；管程长度L2；翅片管换热器(12)的个数N；
所述装置的热工参数共有9个：矿井回风的质量流量G1；矿井水的质量流量G2；自来水的质量流量G3；回风扩散筒(6)进口处的温度T1；出风井筒(9)出口处的温度T2；矿井水进水温度T3；矿井水出水温度T4；自来水进水温度T5；自来水出水温度T6；
自来水出水温度T6受其余参数影响，管程长度L2与挡水板间距B、换热箱体(7)的边长c存在函数关系，装置结构优化的因变量确定为：
X＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}＝{T6,N,B,c,d1,d2,d3,L1}
步骤A2、确定目标函数；
选择有效换热面积F、压降ΔP和热回收效率η为目标函数，构建有效换热面积F的隶属函数μFi(X)、压降ΔP的隶属函数μΔPj(X)和热回收效率η的隶属函数μη(X)：
Figure FDA0002571789360000051
Figure FDA0002571789360000052
Figure FDA0002571789360000053
其中，Fi,min为给定有效面积的最小值，Fi,max为给定有效面积的最大值，Fi为有效面积最优解；ΔPi,min为给定压降的最小值，ΔPi,max为给定压降的最大值，ΔPi为压降最优解；ηmin为效率最低值，ηmax为效率最高值，η为效率最优解；
步骤A3、采用线性加权法将步骤A2中三个模糊目标转换为单目标；
μD(X)＝α1μF(X)+α2μΔP(X)+α3η(X)
其中，α1、α2、α3分别为F、ΔP、η的加权系数，且三者之和为1；
步骤A4、计算有效换热面积F、压降ΔP和热回收效率η；
有效换热面积F的计算公式为：
Figure FDA0002571789360000054
Figure FDA0002571789360000055
Figure FDA0002571789360000056
其中，βhot为翅片管换热器(12)的沸腾换热系数，βcold为翅片管换热器(12)的冷凝换热系数，cp,1为矿井回风的定压比热容，cp,2为矿井水的定压比热容，thot为翅片扁管换热器蒸发端内壁温度，tcold为翅片扁管换热器冷却端内壁温度，ts为翅片扁管换热器内蒸汽饱和温度，K1为矿井回风与自来水的表面换热系数，k为污垢系数，K2为矿井水与自来水的表面换热系数；
压降ΔP的计算公式为：
Figure FDA0002571789360000061
Figure FDA0002571789360000062
Figure FDA0002571789360000063
其中，λ1为风道的摩擦阻力系数，λ2为管程的摩擦阻力系数，λ3为壳程的摩擦阻力系数，
Figure FDA0002571789360000064
为风道的局部阻力系数，
Figure FDA0002571789360000065
为管程的局部阻力系数，
Figure FDA0002571789360000066
为壳程的局部阻力系数，ρ1为矿井回风的密度，ρ2为矿井水的密度，ρ3为自来水的密度，ω1为矿井回风的平均速度，ω2为矿井水的平均速度，ω3为自来水的平均速度，r为翅片扁管换热器弯头处的长度比值系数，s为翅片扁管换热器中间行程的长度比值系数，t为首/末行程的长度比值系数；
热回收效率η的计算公式为：
Figure FDA0002571789360000067
q1＝cp,1G1(T1-T2)
q2＝2cp,2G2(T3-T4)
q3＝2cp,3G3(T6-T5)
其中，q1为矿井回风的失热量，q2为矿井水的失热量，q3为自来水的得热量，cp,3为自来水的定压比热容；
步骤A5、对因变量增加约束条件；
温度限制：
g1(X)＝T2-T1≥2℃
g2(X)＝T4-T3≥3℃
g3(X)＝T6-T5≥5℃
压力降限制：
g4(X)＝Δp1≤0.01MPa
g5(X)＝Δp2≥10kPa
g6(X)＝Δp2≤100kPa
g7(X)＝Δp3≥10kPa
g8(X)＝Δp3≤80kPa
流速限制：
g9(X)＝ω1≥8m/s
g10(X)＝ω1≤30m/s
g11(X)＝ω2≥0.4m/s
g12(X)＝ω2≤1m/s
g13(X)＝ω3≥0.4m/s
g14(X)＝ω3≤1.2m/s
挡水板间距限制：
Figure FDA0002571789360000071
Figure FDA0002571789360000072
7.一种采用如权利要求1所述装置进行矿井双热源综合热回收的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤B1、在所述回风扩散筒(6)入口处预先布置第一温度传感器(34)和第一风速传感器(44)；在出风井筒(9)出口处预先布置第二温度传感器(35)和第二风速传感器(45)；在第一自来水进水管(13)上预先布置第三温度传感器(36)、第一流量传感器(46)和第一流量控制阀(26)；在第二自来水进水管(17)上预先布置第四温度传感器(37)、第二流量传感器(47)和第二流量控制阀(27)；在第一矿井水进口(16)处预先布置第五温度传感器(38)、第三流量传感器(48)和第三流量控制阀(28)；在第二矿井水进口(20)处预先布置第六温度传感器(39)、第四流量传感器(49)和第四流量控制阀(29)；在第一自来水出水管(15)上预先布置第七温度传感器(40)、第五流量传感器(50)和第五流量控制阀(30)；在第二自来水出水管(19)上预先布置第八温度传感器(41)、第六流量传感器(51)和第六流量控制阀(31)；在第一矿井水出口(14)处预先布置第九温度传感器(42)、第七流量传感器(52)和第七流量控制阀(32)；在第二矿井水出口(18)处预先布置第十温度传感器(43)、第八流量传感器(53)和第八流量控制阀(33)；
步骤B2、将所述第一温度传感器(34)、第二温度传感器(35)、第一风速传感器(44)和第二风速传感器(45)均与第一控制器(25-1)的输入端连接，将风机(4)与第一控制器(25-1)的输出端连接；将第三温度传感器(36)、第一流量传感器(46)、第四温度传感器(37)、第二流量传感器(47)、第五温度传感器(38)、第三流量传感器(48)、第六温度传感器(39)、第四流量传感器(49)、第七温度传感器(40)、第五流量传感器(50)、第八温度传感器(41)、第六流量传感器(51)、第九温度传感器(42)、第七流量传感器(52)、第十温度传感器(43)和第八流量传感器(53)均与第二控制器(25-2)的输入端连接，将第一流量控制阀(26)、第二流量控制阀(27)、第三流量控制阀(28)、第四流量控制阀(29)、第五流量控制阀(30)、第六流量控制阀(31)、第七流量控制阀(32)和第八流量控制阀(33)均与第二控制器(25-2)的输出端连接；将第一电辅助加热器(21)和第二电辅助加热器(23)均与第三控制器(25-3)的输出端连接；
步骤B3、通过所述第一自来水进水管(13)向第一矿井水换热腔体(7-1)内输送自来水，自来水沿着第一挡水板(10-1)由上而下流动，第一自来水进水管(13)上布置的第三温度传感器(36)和第一流量传感器(46)检测自来水流入第一矿井水换热腔体(7-1)的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；第一自来水出水管(15)布置的第七温度传感器(40)和第五流量传感器(50)检测自来水流出第一矿井水换热腔体(7-1)的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；当自来水流入第一矿井水换热腔体(7-1)的温度值、流量值与自来水流出第一矿井水换热腔体(7-1)的温度值、流量值相同时，完成第一矿井水换热腔体(7-1)内的自来水输送；
步骤B4、通过所述第二自来水进水管(17)向第二矿井水换热腔体(7-3)内输送自来水，自来水沿着第二挡水板(10-2)由上而下流动，第二自来水进水管(17)上布置的第四温度传感器(37)和第二流量传感器(47)检测自来水流入第二矿井水换热腔体(7-3)的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；第二自来水出水管(19)布置的第八温度传感器(41)和第六流量传感器(51)检测自来水流出第二矿井水换热腔体(7-3)的温度值和流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；当自来水流入第二矿井水换热腔体(7-3)的温度值、流量值与自来水流出第二矿井水换热腔体(7-3)的温度值、流量值相同时，完成第二矿井水换热腔体(7-3)内的自来水输送；
步骤B5、通过所述第一矿井水进口(16)向第一翅片扁管换热器(11-1)内输送矿井水，矿井水在第一翅片扁管换热器(11-1)中由下而上呈蛇形流动，同时，通过第一翅片扁管换热器(11-1)与第一矿井水换热腔体(7-1)内的自来水发生热交换，第一矿井水进口(16)处布置的第三流量传感器(48)检测矿井水流入第一翅片扁管换热器(11-1)的流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；第一矿井水出口(14)处布置的第七流量传感器(52)检测矿井水流出第一翅片扁管换热器(11-1)的流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中，当矿井水流入第一翅片扁管换热器(11-1)的流量值与矿井水流出第一翅片扁管换热器(11-1)的流量值相同时，完成第一翅片扁管换热器(11-1)内的矿井水输送；
步骤B6、通过所述第二矿井水进口(20)向第二翅片扁管换热器(11-2)内输送矿井水，矿井水在第二翅片扁管换热器(11-2)中由下而上呈蛇形流动，同时，通过第二翅片扁管换热器(11-2)与第二矿井水换热腔体(7-3)内的自来水发生热交换，第二矿井水进口(20)处布置的第四流量传感器(49)检测矿井水流入第二翅片扁管换热器(11-2)的流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；第二矿井水出口(18)处布置的第八流量传感器(53)检测矿井水流出第二翅片扁管换热器(11-2)的流量值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中，当矿井水流入第二翅片扁管换热器(11-2)的流量值与矿井水流出第二翅片扁管换热器(11-2)的流量值相同时，完成第二翅片扁管换热器(11-2)内的矿井水输送；
步骤B7、通过所述第一控制器(25-1)启动风机(4)，矿井回风从回风井筒(1)内由风机(4)吸入，依次经过金属过滤网(3)和填料层(5)进入回风换热腔体(7-2)中，通过翅片管换热器(12)提高与自来水的换热效率；
步骤B8、所述回风扩散筒(6)入口处布置的第一温度传感器(34)和第一风速传感器(44)检测矿井回风进入回风换热腔体(7-2)的温度和风速，并将检测值传输到第一控制器(25-1)中；所述出风井筒(9)出口处布置的第二温度传感器(35)和第二风速传感器(45)检测矿井回风出回风换热腔体(7-2)的温度和风速，并将检测值传输到第一控制器(25-1)中，当第一温度传感器(34)检测的温度值与第二温度传感器(35)检测的温度值的温差高于2℃时，通过第一控制器(25-1)降低风机(4)的输出频率，减小风速，延长矿井回风与自来水换热时间；
所述第一矿井水进口(16)处布置的第五温度传感器(38)检测矿井水流入第一翅片扁管换热器(11-1)的温度值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；第一矿井水出口(14)处布置的第九温度传感器(42)检测矿井水流出第一翅片扁管换热器(11-1)的温度值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中，当矿井水流入第一翅片扁管换热器(11-1)的温度值与矿井水流出第一翅片扁管换热器(11-1)的温度值的温差高于3℃时，通过第二控制器(25-2)调节第三流量控制阀(28)和第七流量控制阀(32)的开启程度，减小矿井水流量，延长矿井水与自来水的换热时间；
所述第二矿井水进口(20)处布置的第六温度传感器(39)检测矿井水流入第二翅片扁管换热器(11-2)的温度值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中；第二矿井水出口(18)处布置的第十温度传感器(43)检测矿井水流出第二翅片扁管换热器(11-2)的温度值，并将检测值传输到第二控制器(25-2)中，当矿井水流入第二翅片扁管换热器(11-2)的温度值与矿井水流出第二翅片扁管换热器(11-2)的温度值的温差高于3℃时，通过第二控制器(25-2)调节第四流量控制阀(29)和第八流量控制阀(33)的开启程度，减小矿井水流量，延长矿井水与自来水的换热时间；
当第一自来水出水管(15)的自来水温度低于用户所需温度时，通过第三控制器(25-3)启动第一电辅助加热器(21)，对热交换后的自来水进一步加热；当第二自来水出水管(19)的自来水温度低于用户所需温度时，通过第三控制器(25-3)启动第二电辅助加热器(23)，对热交换后的自来水进一步加热；在满足用户用水量的前提下，也能够通过第二控制器(25-2)调节第一流量控制阀(26)、第二流量控制阀(27)、第五流量控制阀(30)和第六流量控制阀(31)，减小自来水流量，延长矿井水与自来水的换热时间。
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