CN111456797A - 通过表冷器换冷为矿井降温的闭式循环系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过表冷器换冷为矿井降温的闭式循环系统及其工作方法，它由地面部分和井下部分组成，地面部分由表冷器、冷却循环泵、冷却水进水管、冷却水回水管、乙二醇补水箱、乙二醇补水管、补水泵、板式换热器、高压循环泵、高压进水管、高压回水管、表冷器风机组成；井下部分由高低压换热器、井下循环进水管、井下循环回水管、井下循环水泵、空冷器及空冷器局扇风机组成。本发明利用室外自然冷源冷量实现矿井降温，根据需要调整循环泵的流量实现自主调节，具有适应能力强，调节范围广的特点，同时减少了制冷系统能耗、降低设备运行费用、彻底解决了室外设备结冰冻坏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿井下降温技术，尤其是一种通过表冷器换冷为矿井降温闭式循环系统，具体可阐述为系统冷却循环水通过表冷器吸取室外自然冷源冷量，经板式换热器换热后将冷量输送到井下进行降温。
背景技术
据统计，全国现有煤矿平均采深每年增加9m，采深大于700m的矿井有50多处，最深矿井已经超过1500m，预计煤炭资源总量的53％埋深于1000m的地下。随着开采深度的增加，机械化程度的提高，由此出现的地热、机械散热也越来越大。高温高湿等热害问题开始突出，井下作业人员的工作效率、人身安全和身体健康受到极大的影响，采取相应措施对其进行治理，保证井下有适宜的作业环境等工作势在必行。
我国北方地区存在多处采用人工制冷方式的矿井，在冬季室外气温达到零下时，制冷机组仍正常运行，为了防止冬季制冷机组冻坏，室内采用暖气采暖。在室外天然冷源存在的情况下，部分矿井降温运行费用不降反涨。
制冷设备在运行时需要用到冷却塔、蒸发冷等换热设备，在北方地区室外温度达到-5℃及以下时，设备极易出现挂冰、结冰现象，极限温度时甚至造成设备内部冷媒结冰，导致设备损坏或结构坍塌。
冬季北方地区低气温、低含湿量，是零投资、无污染的天然冷源，如何利用该天然冷源来实现矿井降温、减少设备初投资及运行费用是需解决的问题。
发明内容
为了解决矿井制冷设备易出现挂冰、结冰现象、极限温度时甚至造成设备内部冷媒结冰而导致设备损坏或结构坍塌的技术缺陷，本发明提供一种通过表冷器换冷为矿井降温的闭式循环系统，该系统通过利用表冷器来吸收室外天然冷量后，经板式换热器换热后将其输送到井下进行降温，解决矿井高温热害问题。系统可根据室外天气情况进行自动调节，减少制冷系统能耗、降低设备运行费用、不存在室外设备结冰冻坏的问题。
本发明同时提供该系统的工作方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种通过表冷器换冷为矿井降温的闭式循环系统，它由地面部分和井下部分组成，其特征在于：
地面部分由表冷器、冷却循环泵、冷却水进水管、冷却水回水管、乙二醇补水箱、乙二醇补水管、补水泵、板式换热器、高压循环泵、高压进水管、高压回水管、表冷器风机组成；井下部分由高低压换热器、井下循环进水管、井下循环回水管、井下循环水泵、空冷器及空冷器局扇风机组成；
上述地面部分各部件连接关系是：表冷器风机与表冷器壳程出风口密封连接，表冷器壳程进风口直通大气,表冷器的管程出水口通过冷却水回水管与板式换热器壳程进口相通，板式换热器壳程出口通过冷却水进水管和冷却循环泵与表冷器的管程进水口相通；板式换热器的管程出口通过高压循环泵和高压进水管与高低压换热器高压侧的进水口相通，高低压换热器高压侧的出水口通过高压回水管与板式换热器的管程进口相通；同时乙二醇补水箱通过乙二醇补水管和补水泵与冷却水进水管相通；
上述井下部分各部件的连接关系是：高低压换热器低压侧的出水口通过井下循环水泵和井下循环进水管与空冷器管程进口相通，空冷器管程出口与高低压换热器低压侧的进水口相通；空冷器局扇风机出风口与空冷器壳程的进风口密封连接，空冷器的壳程出风口直通降温地点大气。
本发明循环系统的工作方法包括地面循环流程和井下循环流程，其中地面循环流程又包括循环表冷器与板式换热器的水循环，板式换热器与高低压换热器高压侧的水循环；井下循环流程是高低压换热器低压侧与空冷器的输冷循环；具体方法为：
循环表冷器与板式换热器的水循环方法为：当室外平均气温低于井下工作面温度时，室外冷空气通过表冷器风机进入表冷器壳程，表冷器管程中的循环水吸收冷量成冷却水，冷却水从表冷器出水口通过冷却水回水管流入板式换热器壳程，与板式换热器管程中的高压水换热后通过冷却循环泵和冷却水进水管回到表冷器管程；在此过程中，为了弥补循环水的不足以及满足防冻要求，乙二醇补水箱通过乙二醇补水管和补水泵向表冷器管程补乙二醇和水混合液。
板式换热器与高低压换热器高压侧的水循环方法为：板式换热器管程中的来自于井下回液管道的高压水与来自于表冷器的冷却水换热后温度降低，通过高压循环泵进入高压进水管，通过立井进液管道进入高低压换热器高压侧进水口，在高低压换热器内与井下输冷循环水进行热交换，温度升高后再通过立井回液管道输送地面进入板式换热器，进行下一个地面制冷循环。
高低压换热器低压侧与井下空冷器的输冷循环方法为：井下循环回水管内的井下循环回水温度，流经高低压换热器低压侧，吸收高压侧的冷量温度降低后，通过井下循环水泵输送到各需冷地点的空冷器的进水管处，在空冷器内部与矿井进风流进行热交换,温度升高后从空冷器的出水管输送到井下循环回水管，再回到高低压换热器的低压侧，完成井下(低压侧)输冷循环；井下进风通过空冷器局扇风机后进入空冷器，与空冷器内部的井下循环水进行热交换，吸取井下循环水中的冷量温度降低，再被风机输送至各需冷工作地点，满足矿井降温要求。
本发明降温循环系统原则上当室外温度低于井下工作面温度都可以使用，但是在实际操作中，当室外平均气温为-5℃以下时降温效果较好。
本发明系统中所用的表冷器及风机、高压循环泵、空冷器及局扇风机、高低压换热器等均为矿井常用的市售设备。
本发明的有益效果为：
本发明利用室外自然冷源冷量实现矿井降温，根据需要调整循环泵的流量实现自主调节，具有适应能力强，调节范围广的特点，同时减少了制冷系统能耗、降低设备运行费用、彻底解决了室外设备结冰冻坏的问题。
本发明投资成本低、运行费用低、降温效果好。地面运行装置仅为冷却循环泵、高压循环水泵及表冷器风机，系统运行稳定、可靠性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图。
图例说明，1-表冷器，2-冷却循环泵，3-冷却进水管，4-乙二醇补水管路，5-补水泵，6-乙二醇补水箱，7-井下循环水泵，8-井下循环水进水管，9-空冷器，10-空冷器局扇风机，11-井下循环水回水管，12-高低压换热器，13-高压进水管，14-高压回水管，15-高压循环泵，16-板式换热器，17-冷却回水管，18-表冷器风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参照附图，图中虚线为地表线，地表线将系统分为地面部分与井下部分组成；地面部分由表冷器1、冷却循环泵2、冷却水进水管3、冷却水回水管17、乙二醇补水箱6、乙二醇补水管4、补水泵5、板式换热器16、高压循环泵15、高压进水管13、高压回水管14、表冷器风机18组成；井下部分由高低压换热器12、井下循环进水管8、井下循环回水管11、井下循环水泵7、空冷器9及空冷器局扇风机10组成；
上述地面部分各部件连接关系是:表冷器风机18与表冷器1壳程出风口密封连接，表冷器1壳程进风口直通大气,表冷器1的管程出水口通过冷却水回水管17与板式换热器16壳程进口相通，板式换热器16壳程出口通过冷却水进水管3和冷却循环泵2与表冷器1的管程进水口相通；板式换热器16的管程出口通过高压循环泵15和高压进水管13与高低压换热器12高压侧的进水口相通，高低压换热器12高压侧的出水口通过高压回水管14与板式换热器16的管程进口相通；同时乙二醇补水箱6通过乙二醇补水管4和补水泵5与冷却水进水管3相通；
上述井下部分各部件的连接关系是：高低压换热器12低压侧的出水口通过井下循环水泵7和井下循环进水管8与空冷器9管程进口相通，空冷器9管程出口与高低压换热器12低压侧的进水口相通；空冷器局扇风机10出风口与空冷器9壳程的进风口密封连接，空冷器9的壳程出风口直通降温地点大气。
下面以本发明申请人所在的矿井为例说明本发明系统的工作方法，具体包括地面循环流程和井下循环流程，其中地面循环流程又包括循环表冷器18与板式换热器16的水循环，板式换热器16与高低压换热器12高压侧的水循环；井下循环流程是高低压换热器12低压侧与空冷器9的输冷循环；具体方法为：
循环表冷器18与板式换热器16的水循环方法为：当室外平均气温为-5℃以下时，室外冷空气通过表冷器风机18进入表冷器1壳程，表冷器1管程中的循环水吸收冷量成冷却水，冷却水从表冷器1出水口通过冷却水回水管17流入板式换热器16壳程，与板式换热器16管程中的高压水换热后通过冷却循环泵2和冷却水进水管3回到表冷器1管程；在此过程中，为了弥补循环水的不足以及防冻要求，乙二醇补水箱6通过乙二醇补水管4和补水泵5向表冷器1管程补水和乙醇混合液。
板式换热器16与高低压换热器12高压侧的水循环方法为：板式换热器16管程中的14～15℃的高压水与来自于表冷器1的冷却水换热后温度降到2～4℃，通过高压循环泵15进入高压进水管13，通过立井进液管道进入高低压换热器12高压侧进水口，在高低压换热器12内与井下输冷循环水进行热交换，温度升至约为14～15℃，再通过立井回液管道输送地面进入板式换热器16，进行下一个地面制冷循环。
高低压换热器12低压侧与井下空冷器9的输冷循环方法为：井下循环回水管11内的井下循环回水温度约为15～18℃，流经高低压换热器12低压侧，吸收高压侧的冷量温度降低为5～8℃后，通过井下循环水泵7输送到各需冷地点的空冷器9的进水管处，5～8℃的冷水在空冷器9内部与矿井进风流进行热交换，温度升高到15～18℃后，从空冷器9的出水管输送到井下循环回水管11，再回到高低压换热器12的低压侧，完成井下(低压侧)输冷循环；井下进风通过空冷器局扇风机10后进入空冷器9，与空冷器9内部的井下循环水进行热交换，吸取井下循环水中的冷量，温度由30℃及以上降低至22℃左右，再被风机10输送至各需冷工作地点，满足矿井降温要求。
上述实施例中的高压循环泵15型号选用KQSN150-M7/318；
上述实施例中的高低压换热器12型号选用矿用管壳式LSS600型号高低压换热器；
上述实施例中的空冷器9型号选用矿用MK300型号空冷器；空冷器风机10型号选用FBD№7.1/2×45-660/1140；
上述实施例中的井下循环水泵7型号选用MD450-60×4；
上述实施例中的冷却循环泵2型号选用KQW350/480-110/6Z；
上述实施例中的表冷器1型号选用ZYS-300，表冷器风机18型号选用TM(b)-1240；
上述实施例中的板式换热器16型号选用M81-3.6TMTL-PN10。
本发明保护的是设备布置关系，不是设备本身，实施例中工作方法的温度以及各部件的型号只是根据申请人自己所在的矿井为例，并不作为对技术方案的限制，在实际中，针对不同的煤矿，各自煤矿的井深、开采条件、温度等方面情况存在差异，具体的设备选型、管网直径和长度等等，本领域技术人员依据专业知识进行合理设计最终达到设计要求是显而易见的事情。另外，整个网管的运行参数设计也是本领域常规的手段，不是本发明保护的范畴。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种通过表冷器换冷为矿井降温的闭式循环系统，它由地面部分和井下部分组成，其特征在于：
地面部分由表冷器、冷却循环泵、冷却水进水管、冷却水回水管、乙二醇补水箱、乙二醇补水管、补水泵、板式换热器、高压循环泵、高压进水管、高压回水管、表冷器风机组成；井下部分由高低压换热器、井下循环进水管、井下循环回水管、井下循环水泵、空冷器及空冷器局扇风机组成；
上述地面部分各部件连接关系是：表冷器风机与表冷器壳程出风口密封连接，表冷器壳程进风口直通大气,表冷器的管程出水口通过冷却水回水管与板式换热器壳程进口相通，板式换热器壳程出口通过冷却水进水管和冷却循环泵与表冷器的管程进水口相通；板式换热器的管程出口通过高压循环泵和高压进水管与高低压换热器高压侧的进水口相通，高低压换热器高压侧的出水口通过高压回水管与板式换热器的管程进口相通；同时乙二醇补水箱通过乙二醇补水管和补水泵与冷却水进水管相通；
上述井下部分各部件的连接关系是：高低压换热器低压侧的出水口通过井下循环水泵和井下循环进水管与空冷器管程进口相通，空冷器管程出口与高低压换热器低压侧的进水口相通；空冷器局扇风机出风口与空冷器壳程的进风口密封连接，空冷器的壳程出风口直通降温地点大气。
2.一种如权利要求1所述的通过表冷器换冷为矿井降温的闭式循环系统的工作方法，其特征在于，它包括地面循环流程和井下循环流程，其中地面循环流程又包括循环表冷器与板式换热器的水循环，以及板式换热器与高低压换热器高压侧的水循环；井下循环流程是高低压换热器低压侧与空冷器的输冷循环；具体方法为：
循环表冷器与板式换热器的水循环流程为：当室外平均气温低于井下工作面温度时，室外冷空气通过表冷器风机进入表冷器壳程，表冷器管程中的循环水吸收冷量成冷却水，冷却水从表冷器出水口通过冷却水回水管流入板式换热器壳程，与板式换热器管程中的高压水换热后通过冷却循环泵和冷却水进水管回到表冷器管程；在此过程中，为了弥补循环水的不足以及满足防冻要求，乙二醇补水箱通过乙二醇补水管和补水泵向表冷器管程补乙二醇和水混合液；
板式换热器与高低压换热器高压侧的水循环流程为：板式换热器管程中的来自于井下回液管道的高压水与来自于表冷器的冷却水换热后温度降低，通过高压循环泵进入高压进水管，通过立井进液管道进入高低压换热器高压侧进水口，在高低压换热器内与井下输冷循环水进行热交换，温度升高后再通过立井回液管道输送地面进入板式换热器，进行下一个地面制冷循环；
高低压换热器低压侧与井下空冷器的输冷循环流程为：井下循环回水管内的井下循环回水温度，流经高低压换热器低压侧，吸收高压侧的冷量温度降低后，通过井下循环水泵输送到各需冷地点的空冷器的进水管处，在空冷器内部与矿井进风流进行热交换,温度升高后从空冷器的出水管输送到井下循环回水管，再回到高低压换热器的低压侧，完成井下低压侧输冷循环；井下进风通过空冷器局扇风机后进入空冷器，与空冷器内部的井下循环水进行热交换，吸取井下循环水中的冷量温度降低，再被风机输送至各需冷工作地点，满足矿井降温要求。
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