CN114322370A - 一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其包括与矿井乏风出风口连通的矿井乏风风道、与所述矿井乏风风道平行设置的新风风道以及设置在所述矿井乏风风道和新风风道之间的重力热管；所述重力热管包括设置在矿井乏风风道内的热管蒸发段、设置在新风风道之间的热管冷凝段以及连接所述热管蒸发段和热管冷凝段的热管绝热段；所述矿井乏风风道和新风风道之间设置间隔空间；所述热管绝热段设置在矿井乏风风道和新风风道形成的间隔空间内，本发明具有设计合理，节约投资，降低能耗，充分利用矿井乏风空气能的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，涉及到暖通空调热泵技术领域。
背景技术
煤矿生产过程中矿井涵道通风是确保安全的必要前提，通风是采矿中的重要环节，我国2016版 《煤矿安全规程》 第137条规定，进风井口以下的空气温度必须在2℃以上。因此在室外气温低于2℃时，需要对矿井进风加热处理后送入矿井；
众所周知，空气能热泵技术属于可再生能源范畴，其节能性有目共睹，其能效制热能力，受环境温度的影响较大。如果不回收利用矿井本身的乏风，直接从当地的寒风中吸热，会造成设备内的投资以及运行费用过高，压缩比大主机故障率高等技术问题。同时也会造成矿井乏风资源的浪费。
矿井乏风具有风量大、粉尘大、恒温、高湿、腐蚀性的特点。通常情况下，矿井乏风的温度处于8--20℃之间波动，湿度处于65%---90%之间波动；冬季乏风最低5℃时，相对湿度RH高达75%以上；如果直接矿井乏风和空气能热泵的蒸发器翅片换热，粉尘大会造成空气能热泵蒸发器翅片脏堵，腐蚀、高湿会造成换热器翅片频繁结冰，二者相互叠加影响，会加剧冰堵脏堵的过程，空气能热泵很难直接利用乏风的余热回收热量用于制热。
由于空气能热泵在同样55℃出水温度用于井口防冻，环境温度越低，制热量、能效下降幅度很大。在-20℃环境温度下的制热量比5℃的制热量下降约40%,能效比COP由1：2.5下降:1：1.5，下降幅度达44%。意味着如果不回收利用矿井乏风作为空气能热泵的低温“热源”，而直接利用空气能从低温环境温度中吸热用户矿井井口防冻或者其他采暖等用能需求，需要直接增加空气能热泵装机投资40%,耗电量增加44%，显然是不经济的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种设计合理，节约投资，降低能耗，充分利用矿井乏风空气能的热泵加热系统。
为达到上述技术问题的目的本发明所采取的技术方案是：
一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其包括与矿井乏风出风口连通的矿井乏风风道、与所述矿井乏风风道平行设置的新风风道以及设置在所述矿井乏风风道和新风风道之间的重力热管；
所述矿井乏风风道的乏风进风段与矿井乏风出风口连通，所述矿井乏风风道的乏风出口段与大气连通；
所述新风风道的新风进风段与大气连通，所述新风风道的新风出风段与空气能热泵阵列的蒸发器入口密封连接。
进一步的，所述重力热管包括设置在矿井乏风风道内的热管蒸发段、设置在新风风道之间的热管冷凝段以及连接所述热管蒸发段和热管冷凝段的热管绝热段；
所述矿井乏风风道和新风风道之间设置间隔空间；
所述热管绝热段设置在矿井乏风风道和新风风道形成的间隔空间内。
进一步的，所述矿井乏风风道和新风风道之间设置间隔空间高度大于0.5m。
进一步的，所述热管蒸发段和热管冷凝段上分别设置环形换热翅片。
进一步的，所述矿井乏风风道的乏风进风段后段设置有乏风除尘室，所述乏风除尘室下侧设置污水池，所述乏风除尘室内上侧设置除尘喷雾装置，所述污水池设置排污口。
进一步的，所述重力热管为一个以上，相邻的重力热管之间错位设置，所述重力热管形成阵列式重力热管区。
进一步的，所述矿区乏风风道在阵列式重力热管区的下侧设置排水孔。
进一步的，所述新风风道的新风进风段处设置风机。
进一步的，所述新风风道新风进风段、新风出风段，矿井乏风风道的乏风进风段、乏风出口段的进出口处分别设置通风格栅。
进一步的，所述新风风道的新风进风段进口处设置初效过滤器，所述初效过滤器设置在通风格栅的内侧。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明针对矿井乏风湿度大、粉尘多、温度相对高且稳定、有一定腐蚀性的特点，蕴含的大量低品位热能不能被空气能热泵直接回收利用；在矿井乏风出口设置水平风道，在水平风道入口设置喷雾除尘装置，喷雾除尘的污水汇集到下部风道集水池经过沉淀、过滤净化后循环利用；上部的新风风道与乏风风道水平且处于乏风风道垂直上方，上下风道同宽，上下风道有一定间距，在新风风道入口安装有送风风机。所述风道外部均有保温层，乏风的流动依靠矿井的负压风机驱动在下风道内流动。采用若干整体式重力热管垂直安装在上下风道内，热管蒸发段处于下部乏风风道内吸收乏风的余热，热管冷凝段处于上部新风风道内加热新风。处于上下风道之间的热管部分为绝热段；通过热管将矿井乏风风道的乏风热量高效传导给上部新风风道；新风风道的出风口和空气能热泵（或阵列）蒸发器入口相通，吸收热量温度升高的新风经过空气能热泵蒸发器转移热量后排放到大气中。依靠整体式重力热管0能耗将乏风的余热转移加热新风作为空气能热泵的低温热源，经过空气能热泵转移到水中，以水工质形式输送到用于矿区井口防冻或者其它用热需要的场所。矿井乏风具有恒温、腐蚀性、含尘量大的特点，虽然温度较高，但不能被空气能热泵直接利用（会腐蚀堵塞空气能热泵换热翅片），通过热管将乏风的热量提取出来加热新风，提高温度的新风作为空气能热泵的热源用于井口防冻等用能，大幅度减少空气能热泵主机设备的投入、配电等基础投入和节约大量的采暖防冻等运行能耗，具有良好的经济社会效益。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明重力热管俯视分布结构示意图；
其中，1、矿井乏风风道，101、乏风进风段，102、乏风出口段，2、新风风道，201、新风进风段，202、新风出风段，3、乏风除尘室，301、污水池，302、除尘喷雾装置，303、排污口，4、重力热管，401、热管蒸发段，402、热管冷凝段，403、热管绝热段，404、液态工质，405、气态工质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如附图1-2所示，本实施例提供一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其包括与矿井乏风出风口连通的矿井乏风风道1、与所述矿井乏风风道1平行设置的新风风道2以及设置在所述矿井乏风风道1和新风风道2之间的重力热管4；所述矿井乏风风道1和新风风道2的截面均为长方形截面，所述矿井乏风风道1的底部风道内表面喷涂有防腐涂层和疏水层，所述重力热管4的热管工质为氨等低沸点工质；所述热管换热段403为环形翅片整体式重力热管；所述矿井乏风风道1的乏风进风段101与矿井乏风出风口连通，所述矿井乏风风道1的乏风出口段102与大气连通，乏风从进风道段101的C方向进风到矿井乏风风道1内，乏风驱动依靠矿井内的风机驱动；所述新风风道2的新风进风段201与大气连通，所述新风风道2的新风出风段202与空气能热泵阵列的蒸发器入口密封连接；新风风道进风段201处安装有新风风机203，所述新风风机203驱动低温空气从新风风道进风段201入口进入，从新风风道出风段202排出到空气能热泵蒸发器入口段，新风由新风风道出风段202以B方向和空气能热泵阵列的蒸发器入口密封连接。
所述重力热管4包括设置在矿井乏风风道1内的热管蒸发段401、设置在新风风道2之间的热管冷凝段402以及连接所述热管蒸发段401和热管冷凝段402的热管绝热段403；所述矿井乏风风道1和新风风道2之间设置间隔空间；所述热管绝热段403设置在矿井乏风风道1和新风风道2形成的间隔空间内，整体式重力热管4垂直插在矿井乏风风道1和新风风道2的内部空间，所述热管蒸发段401和热管冷凝段402和风道之间密封，所述整体式重力热管4为DN25或DN32 的碳钢（或不锈钢）圆柱承压的整体式重力热管，外侧均涂有防腐涂层，内部被抽成真空状态，热管内部的工质为低沸点工质且和热管本身材料化学相融性好，所述矿井乏风风道1和新风风道2之间设置间隔空间高度大于0.5m，风道内重力热管4之间预留有检修通道；所述热管蒸发段401和热管冷凝段402上分别设置环形换热翅片，以增加蒸发或者冷凝的换热面积强化换热过程。
所述矿井乏风风道1的乏风进风段101后段设置有乏风除尘室3，所述乏风除尘室3下侧设置污水池301，所述乏风除尘室3内上侧设置除尘喷雾装置302，所述污水池301设置排污口303，向乏风除尘室3内部空间以一定角度向含尘的矿井乏风喷雾除尘，含尘水滴受重力影响落入污水池301中，沉淀较大的污泥通过排污口303排出，污水经过沉淀过滤净化后被水泵通过管道重新抽入到除尘喷雾装置302重复循环除尘过程，在不浪费大量水资源的前提下，减少粉尘污染，对矿井乏风中的粉尘进行了预先处理，系统内部不会有太多的粉尘堆积，也减少了粉尘空气对外的排放。
所述重力热管4为一个以上，相邻的重力热管4之间错位设置，所述重力热管4形成阵列式重力热管区，强化换热效果，提高热效率，所述矿区乏风风道1在阵列式重力热管区的下侧设置排水孔103，排水孔103孔径5mm以内，从热管蒸发段401析出的冷凝水从通孔洞103流出矿井乏风风道1，冷凝水对热管蒸发段401还有一定的清洁作用，析出冷凝水能裹挟少量附着在热管蒸发段401表面的灰尘一起流到乏风风道1的底部的排水孔103流走。
所述新风风道2的新风进风段201、新风出风段202，矿井乏风风道1的乏风进风段101、乏风出口段102的进出口处分别设置通风格栅，即保证足够的空气能够进入到风道内又防止对风道内形成一定的保温效果，保证热交换效果。
所述新风风道2的新风进风段201进口处设置初效过滤器，所述初效过滤器设置在通风格栅的内侧，以过滤新风中的少量粉尘，减少系统内部的粉尘污染，保证热管冷凝段402部位的清洁效果。
具体换热工作过程如下：
乏风进风道段101和矿井乏风的出风口相连，矿井乏风在矿井内部风机的强力驱动下，由乏风进风道段101进入到矿井乏风风道1内部，即乏风从C端进入到矿井乏风风道1内部，随即进入到乏风除尘室3除尘段，除尘后的乏风再进入到和乏风除尘室3相连接的矿井乏风水平段，其换热过程为——矿井乏风流经涂有防腐涂层的热管冷凝段402时加热内部的低沸点液态工质404（如水、钠、氨等），使其沸腾汽化（乏风温度即使是2℃也高于工质沸点若干摄氏度以上，存在换热温差），吸热后形成气态工质405上升到新风风道2内的热管冷凝段，将热量释放到低温的新风中（新风温度低于2℃以下），低温新风吸热后温度升高，从而实现了将矿井乏风中蕴含的大量热量转移到低温新风中。低温空气在新风风机203的驱动下从A方向被吸入到矩形截面的新风风道2内，低温新风在与新风风道2水平段内的热管冷凝段402形成的热管阵列换热后，通过新风风道出风段202沿B的方向进入到空气能热泵蒸发器吸热口。被吸收热量后的乏风最终通过乏风风道出风口102排放到大气中。由于乏风含尘量大，经过喷雾除尘后得以净化，排到大气中对大气的负面影响小，同时也使得其在热管蒸发段不容易聚集影响换热，同时乏风含湿量大，在于热管蒸发段换热过程中，温度降低后会有一定的冷凝水析出，蕴含在乏风中的水蒸气发生相变变成水的过程中释放大量热量，所回收利用的热量是非常可观的，回收利用矿井乏风余热加热新风作为空气源热泵的“高温”热源，相比较不利用矿井乏风余热的空气能热泵系统来说，COP高出40%以上，系统更节能，空气能热泵装机容量及主机节约投资50%以上。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，其包括与矿井乏风出风口连通的矿井乏风风道（1）、与所述矿井乏风风道（1）平行设置的新风风道（2）以及设置在所述矿井乏风风道（1）和新风风道（2）之间的重力热管（4）；
所述矿井乏风风道（1）的乏风进风段（101）与矿井乏风出风口连通，所述矿井乏风风道（1）的乏风出口段（102）与大气连通；
所述新风风道（2）的新风进风段（201）与大气连通，所述新风风道（2）的新风出风段（202）与空气能热泵阵列的蒸发器入口密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述重力热管（4）包括设置在矿井乏风风道（1）内的热管蒸发段（401）、设置在新风风道（2）之间的热管冷凝段（402）以及连接所述热管蒸发段（401）和热管冷凝段（402）的热管绝热段（403）；
所述矿井乏风风道（1）和新风风道（2）之间设置间隔空间；
所述热管绝热段（403）设置在矿井乏风风道（1）和新风风道（2）形成的间隔空间内。
3.根据权利要求2所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述矿井乏风风道（1）和新风风道（2）之间设置间隔空间高度大于0.5m。
4.根据权利要求2所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述热管蒸发段（401）和热管冷凝段（402）上分别设置环形换热翅片。
5.根据权利要求1所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述矿井乏风风道（1）的乏风进风段（101）后段设置有乏风除尘室（3），所述乏风除尘室（3）下侧设置污水池（301），所述乏风除尘室（3）内上侧设置除尘喷雾装置（302），所述污水池（301）设置排污口（303）。
6.根据权利要求1所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述重力热管（4）为一个以上，相邻的重力热管（4）之间错位设置，所述重力热管（4）形成阵列式重力热管区。
7.根据权利要求1所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述矿区乏风风道（1）在阵列式重力热管区的下侧设置排水孔（103）。
8.根据权利要求1所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述新风风道（2）的新风进风段（201）处设置风机（203）。
9.根据权利要求8所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述新风风道（2）的新风进风段（201）、新风出风段（202），矿井乏风风道（1）的乏风进风段（101）、乏风出口段（102）的进出口处分别设置通风格栅。
10.根据权利要求9所述的一种利用矿井乏风空气能热泵加热系统，其特征在于，所述新风风道（2）的新风进风段（201）进口处设置初效过滤器，所述初效过滤器设置在通风格栅的内侧。
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