CN113847112A - 一种充分利用乏风余留动能的新型装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿通风技术领域，提供了一种充分利用乏风余留动能的新型装置及其使用方法。输送管道、风力发电机和多个单向压力传感阀门，乏风经输送管道调整驱动风力发电机发电；输送管道由前部稳流加速管道和后部蓄能管道组成；其中，前部稳流加速管道中依次设置有第一稳流管、第一扩散器、第二稳流管和集流器；后部蓄能管道中依次设置有第二扩散器、第三扩散器和第四扩散器，第二扩散器、第三扩散器和第四扩散器中均设置有一压力传感器、一智能仪表和一单向压力传感阀门，多个单向压力传感阀门逐级打开完成蓄能。本发明的有益效果在于：装置可以连续地、源源不断的将乏风能量转化为电能，供其他矿井机械设备使用，可减缓当前电力能源紧张的现状。

Description

一种充分利用乏风余留动能的新型装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种充分利用乏风余留动能的新型装置及其使用方法。

背景技术

目前，采矿方法包括露天采矿、井工开采和原位改性开采三种，我国煤矿生产主要以井工开采为主。在我国，井工开采法占据煤炭开采中的主导地位，而井工开采需要排出井下的有害气体包括：瓦斯、一氧化碳、粉尘及不利于人类呼吸的各种有害气体，并为井下工作人员所在采掘工作面提供足够充足的新鲜空气以满足人员呼吸、稀释瓦斯和各个设备的散热的需要。要达到以上要求则需要煤矿用主通风机的不断工作来实现。

主通风机通过抽出式通风的方式向井下不断提供新鲜空气，查询资料得井下每采1t煤炭就要向井下输送4-6t新鲜空气，而矿区机械日常耗电极大(如主通风机平均耗电量约占煤矿总耗电量的8％-15％)。我国煤矿数量众多，产生的乏风量也相当大，而乏风中蕴含的能源十分丰富，如瓦斯、余热、乏风所含动能等都可被回收再利用。

目前，国内外对乏风中瓦斯和余热两种资源的回收与利用技术已经发展较为成熟，但充分利用矿井乏风动能的技术还在探索中，尤其对乏风动能的一次利用后余留能量目前没有成熟的技术方案。部分学者发表了关于矿井乏风中动能的利用，旨在将矿井乏风动能在通风机出口处通过风力发电机转化为电能供矿山部分的日常用电，但乏风属于流动性强的气体，在转化时不能被完全利用，必然会有一定的损耗及浪费，导致余留乏风排出后不仅会造成能源的浪费，而且会乏风中污浊空气的排出会影响环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种充分利用乏风余留动能的新型装置及其使用方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种充分利用乏风余留动能的新型装置，包括：输送管道、风力发电机和多个单向压力传感阀门，乏风经所述输送管道调整驱动所述风力发电机发电；所述输送管道由前部稳流加速管道和后部蓄能管道组成；其中，所述前部稳流加速管道中依次设置有第一稳流管、第一扩散器、第二稳流管和集流器；所述后部蓄能管道中依次设置有第二扩散器、第三扩散器和第四扩散器，所述第二扩散器、第三扩散器和第四扩散器中均设置有一压力传感器、一智能仪表和一单向压力传感阀门，多个所述单向压力传感阀门逐级打开完成蓄能，所述第三、第四扩散器主要作用在于蓄积风能，设置多级扩散器较仅设置第一、第二扩散器有更好的增大风速效果，由于余留乏风自身能量较小，若乏风仅通过一、第二扩散器会出现风能风速过小不足以驱动风力发电机正常运转，故设置第三、第四扩散器，随着第三、第四扩散器外径的逐级增大，所对应可储存的风能亦会增大，从而达到在经过第三、第四扩散器后原余留乏风风能将逐级增大的效果；在各扩散器中分别设置三个压力传感器旨在更好的监控风能的大小，以防止有压力传感器损坏的情况出现，且蓄积在扩散器中的乏风并不是完全的均匀分布，设置三个能更好的、全方位的监测风能，防止扩散器单侧挤压破损，较设置一个更加安全。

可选实施例中，所述风力发电机包括风扇、转化器以及蓄电池，乏风驱动所述风扇转动，经所述转化器将风能转化为电能存储在所述蓄电池中，所述蓄电池为矿区机械供电。

可选实施例中，所述第一扩散器、集流器中分别设置有一用于增大风速的涡轮增压器，所述涡轮增压器是利用乏风作为动力来推动涡轮室内的涡轮(位于排气道内)，涡轮又带动同轴的叶轮(位于进气道内)，通过同轴的两个叶轮组成的结构驱动的一种空气压缩机，通过该装置可增大乏风风速，于第一扩散器中设置可使通过稳流器的初始乏风获得更大的风速及动能，于集流器中设置可增大即将进行蓄能的乏风能量，双重增速增能将达到更好的蓄能效果。

可选实施例中，所述后部蓄能管道通过每个所述压力传感器来监控风能大小，并传递给相应的所述智能仪表，提前设置每个所述智能仪表的控制参数，从而控制相应的所述单向压力传感阀门的开关。

可选实施例中，所有所述扩散器、集流器及稳流管之间均采用过盈配合的方式连接。

可选实施例中，所述前部稳流加速管道的前端依次还设置有主通风机出口和首次利用发电装置。

可选实施例中，乏风经所述主通风机出口驱动所述首次利用发电装置产生的电能提供至每个所述涡轮增压器。

另一方面，本发明还提供了一种如上所述的充分利用乏风余留动能的新型装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：将矿井乏风中能量通过首次转换装置发电，利用第一稳流管将余留乏风接收使乏风达到较为稳定的速度，传送到第一扩散器中，利用所述第一扩散器内部的涡轮增压器对乏风进行加速，使乏风具有一定的速度，之后通过第二稳流管稳定风速，再利用集流器及其中的涡轮增压器使风速变大、风能集中；

步骤2：通过所述集流器对乏风进行加速后，继续进行蓄能，将乏风传输到第二扩散器，此时所有单向压力传感阀门全部关闭；当乏风压力达到所述输送管道材料的极限抗压承载能力时，相应的智能仪表控制所述第二扩散器中的单向压力传感阀门开启，使得乏风顺利进入第二扩散器，当所述第一扩散器内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，所述第二扩散器中的单向压力传感阀门关闭，第一次蓄能完毕；当第三扩散器内乏风压力达到其极限抗压承载能力时，所述第三扩散器中的单向压力传感阀门打开，当所述第三扩散器内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，所述第三扩散器中的单向压力传感阀门关闭，第二次蓄能完毕；当第四扩散器内乏风压力达到其极限抗压承载能力时，所述第四扩散器中的单向压力传感阀门打开，当所述第四扩散器内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，所述第四扩散器中的单向压力传感阀门关闭，第三次蓄能完毕。

步骤3：通过所述步骤2的蓄能，乏风进入所述风力发电机时的能量足以使所述风力发电机正常工作，风的流动带动风扇旋转，将风能转化为所述风扇的动能，通过转化器使得所述风扇的动能转化为电能储存在蓄电池中，供矿区机械使用。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明中的充分利用乏风余留动能的新型装置可以连续地、源源不断的将乏风能量转化为电能，供其他矿井机械设备使用，可以减缓当前电力能源紧张的现状，尤其是利用第一稳流管、第一扩散器、第二稳流管和集流器，及第一扩散器、集流器中的涡轮增压器使乏风进入其余扩散器时具有稳定的、强度足够的速度。

(2)本发明中的充分利用乏风余留动能的新型装置设有多个单向压力传感阀门在输送管道的支撑下可以将矿井乏风能源更有效充分的进行二次利用，减少能源的损耗，经过多级扩散逐步提高风速，使发电装置能够更好地实现发电功能。

(3)本发明中的充分利用乏风余留动能的新型装置中的后三级扩散器半径逐级增大，进一步保证了乏风输出时的风速，配合前部输送管道改良下的乏风的流动稳定，对风力发电机的供电更加稳定，保证了矿井工作效率，提升了经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图。

图1为本发明一实施例提供的充分利用乏风余留动能的新型装置的正视图。

图2为本发明一实施例提供的充分利用乏风余留动能的新型装置的使用流程图。

其中，图中附图标记为：1——主通风机出口；2——矿井乏风；3——首次利用发电装置；4——电能；5——余留乏风；6——第一稳流管；7——涡轮增压器；8——第一扩散器；9——第二稳流管；10——集流器；11——压力传感器；12——智能仪表；13——第二扩散器；14——第三扩散器；15——单向压力传感阀门；16——第四扩散器；17——风扇；18——风力发电机；19——转化器；20——蓄电池；21——矿区机械。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

请参阅附图1，本实施例的目的在于提供了一种充分利用乏风余留动能的新型装置，包括：输送管道、风力发电机18和多个单向压力传感阀门，乏风经输送管道调整驱动风力发电机18发电。

其中，输送管道由前部稳流加速管道和后部蓄能管道组成；其中，前部稳流加速管道中依次设置有第一稳流管6、第一扩散器8、第二稳流管9和集流器10；后部蓄能管道中依次设置有第二扩散器13、第三扩散器14和第四扩散器16，第二扩散器13、第三扩散器14和第四扩散器16中均设置有一压力传感器11、一智能仪表12和一单向压力传感阀门15，多个单向压力传感阀门15逐级打开完成蓄能。需要指出的是，所有扩散器、集流器及稳流管之间均采用过盈配合的方式连接，以减少乏风能量的损耗；每个扩散器均为圆锥扩散器，断面均为直径不同的圆形，设计有一定的倾斜角度以提高通风效率。

具体地，第一扩散器8、集流器10中分别设置有一用于增大风速的涡轮增压器7，两涡轮增压器7可增大风速，让乏风在到达后部蓄能管道中的扩散器时具有足够的速度及能量。在第一扩散器8内部配备涡轮增压器7来提升乏风速度并增大风能，在该涡轮增压器7后设置第二稳流管8使得速度再次达到稳定状态，集流器10可以在很大程度上将第一扩散器8出口处的乏风动能聚集，在集流器10内部配备涡轮增压器7再次提升乏风速度并增大风能。

前部稳流加速管道的前端依次还设置有主通风机出口1和首次利用发电装置3。优选地，输送管道设置于一次回收利用乏风动能后的出口处，在主通风机出口1处一次利用乏风动能转化为电能后会有部分余留乏风动能，在乏风一次利用结束后的出口处设置第一稳流管6、第一扩散器8、第二稳流管9和集流器10，第一稳流管6为余留乏风出口处安装的一段弯头圆筒形管道，以此来达到乏风进入输送管道入口处的速度尽可能稳定，并减少在传送过程中引发的流动损失及泄露损失。乏风经主通风机出口1驱动首次利用发电装置3产生的电能4提供至每个涡轮增压器7，充分利用乏风的能量。

进一步地，后部蓄能管道通过每个压力传感器11来监控风能大小，并传递给相应的智能仪表12，提前设置每个智能仪表12的控制参数，从而控制相应的单向压力传感阀门15的开关，所有仪器设定参数均应根据实际矿井风量大小、仪器制作材料等进行设定。单向压力传感阀门15设置于后部蓄能管道内部各扩散器相接处，其原理为借助乏风压强驱动阀门，通过智能仪表对阀门进行控制。单向压力传感阀门15为气动控制阀，具有结构简单、成本低、维护方便的优势，乏风在该输送管道内风速与风向较为稳定，单向压力传感阀门15的主要配件为智能阀门，智能阀门较普通阀门耗气量少，压力稳定。

此外，单向压力传感阀门15的工作原理为在阀门接收端处配置压力传感器。当乏风压力达到乏风所在输送管道所能承受的极限抗压承载能力时，控制第二扩散器13中的单向压力传感阀门15打开，使得乏风进入下一大空间的输送管道区域，以此类推，乏风二次利用时乏风量较小，不设置阀门直接通过则无法达到能产生有效功率的规定风速3m/s，故设置单向压力传感阀门15。且本装置的预期效果为在扩散器内部进行蓄能，当第三(四)扩散器中压力达到第二(三)扩散器的极限抗压承载能力时，不可控制二者中间的压力传感阀门开启，故压力传感阀门均设置为单向，其优点为能够将乏风定向、定速、定量的输送到集流器10中，为矿井机械持续供电，以达到二次利用矿井乏风动能的目的

最后，风力发电机18包括风扇17、转化器19以及蓄电池20，风力发电机18为3叶片式水平轴风力发电机，乏风驱动风扇17转动，经转化器19将风能转化为电能存储在蓄电池20中，将乏风余留动能转化为动能，源源不断的给矿井机械21供电。值得一提的是，通过一定结构装置的改良，在对矿井乏风中动能转化过后设置由输送管道、风力发电机18、单向压力传感阀门15等构件组成的输送系统进行二次转化利用，达到高效利用矿井乏风动能的目的，从而减少乏风一次利用后的余留损失，提高乏风动能转换的效率。

实施例二

请参阅附图2，本实施例的目的在于提供了一种充分利用乏风余留动能的新型装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：将矿井乏风中能量通过首次转换装置3发电，利用第一稳流管6将余留乏风5接收使乏风达到较为稳定的速度，传送到第一扩散器8中，利用第一扩散器8内部的涡轮增压器7对乏风进行加速，使乏风具有一定的速度，之后通过第二稳流管9稳定风速，再利用集流器10及其中的涡轮增压器7使风速变大、风能集中；

步骤2：通过集流器10对乏风进行加速后，继续进行蓄能，将乏风传输到第二扩散器13，此时所有单向压力传感阀门15全部关闭；当乏风压力达到输送管道材料的极限抗压承载能力时，相应的智能仪表12控制第二扩散器13中的单向压力传感阀门15开启，使得乏风顺利进入第二扩散器14，当第一扩散器8内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，第二扩散器13中的单向压力传感阀门15关闭，第一次蓄能完毕；

当第三扩散器14内乏风压力达到其极限抗压承载能力时，第三扩散器14中的单向压力传感阀门15打开，当第三扩散器8内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，第三扩散器15中的单向压力传感阀门15关闭，第二次蓄能完毕；当第四扩散器16内乏风压力达到其极限抗压承载能力时，第四扩散器16中的单向压力传感阀门15打开，当第四扩散器16内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，第四扩散器16中的单向压力传感阀门15关闭，第三次蓄能完毕。

步骤3：通过步骤2的蓄能，乏风进入风力发电机18时的能量足以使风力发电机18正常工作，风的流动带动风扇17旋转，将风能转化为风扇17的动能，通过转化器19使得风扇17的动能转化为电能储存在蓄电池20中，供矿区机械21使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种充分利用乏风余留动能的新型装置，包括：输送管道、风力发电机(18)和多个单向压力传感阀门，乏风经所述输送管道调整驱动所述风力发电机(18)发电；

其特征在于：所述输送管道由前部稳流加速管道和后部蓄能管道组成；其中，所述前部稳流加速管道中依次设置有第一稳流管(6)、第一扩散器(8)、第二稳流管(9)和集流器(10)；

所述后部蓄能管道中依次设置有第二扩散器(13)、第三扩散器(14)和第四扩散器(16)，所述第二扩散器(13)、第三扩散器(14)和第四扩散器(16)中均设置有一压力传感器(11)、一智能仪表(12)和一单向压力传感阀门(15)，多个所述单向压力传感阀门(15)逐级打开完成蓄能。

2.根据权利要求1所述的充分利用乏风余留动能的新型装置，其特征在于，所述风力发电机(18)包括风扇(17)、转化器(19)以及蓄电池(20)，乏风驱动所述风扇(17)转动，经所述转化器(19)将风能转化为电能存储在所述蓄电池(20)中，所述蓄电池(20)为矿区机械(21)供电。

3.根据权利要求1所述的一种充分利用乏风余留动能的新型装置，其特征在于：所述第一扩散器(8)、集流器(10)中分别设置有一用于增大风速的涡轮增压器(7)。

4.根据权利要求1所述的一种充分利用乏风余留动能的新型装置，其特征在于：所述后部蓄能管道通过每个所述压力传感器(11)来监控风能大小，并传递给相应的所述智能仪表(12)，提前设置每个所述智能仪表(12)的控制参数，从而控制相应的所述单向压力传感阀门(15)的开关。

5.根据权利要求1所述的一种充分利用乏风余留动能的新型装置，其特征在于：所有所述扩散器、集流器及稳流管之间均采用过盈配合的方式连接。

6.根据权利要求3所述的一种充分利用乏风余留动能的新型装置，其特征在于：所述前部稳流加速管道的前端依次还设置有主通风机出口(1)和首次利用发电装置(3)。

7.根据权利要求6所述的一种充分利用乏风余留动能的新型装置，其特征在于：乏风经所述主通风机出口(1)驱动所述首次利用发电装置(3)产生的电能(4)提供至每个所述涡轮增压器(7)。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的充分利用乏风余留动能的新型装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：将矿井乏风中能量通过首次转换装置(3)发电，利用第一稳流管(6)将余留乏风(5)接收使乏风达到较为稳定的速度，传送到第一扩散器(8)中，利用所述第一扩散器(8)内部的涡轮增压器(7)对乏风进行加速，使乏风具有一定的速度，之后通过第二稳流管(9)稳定风速，再利用集流器(10)及其中的涡轮增压器(7)使风速变大、风能集中；

步骤2：通过所述集流器(10)对乏风进行加速后，继续进行蓄能，将乏风传输到第二扩散器(13)，此时所有单向压力传感阀门(15)全部关闭；当乏风压力达到所述输送管道材料的极限抗压承载能力时，相应的智能仪表(12)控制所述第二扩散器(13)中的单向压力传感阀门(15)开启，使得乏风顺利进入第二扩散器(14)，当所述第一扩散器(8)内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，所述第二扩散器(13)中的单向压力传感阀门(15)关闭，第一次蓄能完毕；

当第三扩散器(14)内乏风压力达到其极限抗压承载能力时，所述第三扩散器(14)中的单向压力传感阀门(15)打开，当所述第三扩散器(8)内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，所述第三扩散器(15)中的单向压力传感阀门(15)关闭，第二次蓄能完毕；当第四扩散器(16)内乏风压力达到其极限抗压承载能力时，所述第四扩散器(16)中的单向压力传感阀门(15)打开，当所述第四扩散器(16)内部的乏风压力小于起初设定的最小压力时，所述第四扩散器(16)中的单向压力传感阀门(15)关闭，第三次蓄能完毕。；

步骤3：通过所述步骤2的蓄能，乏风进入所述风力发电机(18)时的能量足以使所述风力发电机(18)正常工作，风的流动带动风扇(17)旋转，将风能转化为所述风扇(17)的动能，通过转化器(19)使得所述风扇(17)的动能转化为电能储存在蓄电池(20)中，供矿区机械(21)使用。

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