CN208203334U - 矿井降温防冻的能量综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿井降温防冻的能量综合利用系统，包括置于地面上的制冷机组单元、新风井口单元以及置于地下的矿井降温风冷单元、乏风单元；制冷机组单元内有载冷剂，制冷机组单元能够使载冷剂循环进行“过饱和蒸汽——高温高压气态——液态——低温气态”的过程；新风井口单元能将制冷机组单元内与载冷剂换热的载热剂进行冷却后再输送回制冷机组单元，同时，能够将载热剂放出的热量向大气排出或经新风井口向置于地下的新风井道内排出；本实用新型在夏季时机组可正常运行为井下除热害、冬季时制冷机组正常工作为矿井新风井口防冻提供热量。本实用新型适用于矿井，用于除井下热害及为新风井口防冻。

Description

矿井降温防冻的能量综合利用系统

技术领域

本实用新型属于降温与热能回收利用技术领域，涉及矿井井下降温与废热回收利用,具体地说是一种矿井降温防冻的能量综合利用系统。

背景技术

随着矿井采深的日益增加和采掘机械化程度的不断提高，矿井深井高温热害已经成为制约煤矿安全开采的重大问题之一。它不仅影响井下员工的工作效率，造成经济损益，而且还会严重影响员工的身体健康及生命安全。同时，针对矿井通风系统，冬季新风口需要加热，以保证新风温度在零摄氏度以上，以免新风井筒结冰。现阶段矿井下除热害夏季通常采用由地面制冷机组（制冷站）产生冷冻水送入工作面，再通过工作面风冷盘管为工作面降温；冬季时制冷机组(制冷站)停运，依靠新风系统降温，同时新风系统在新风井口需进行加热，通常冬季矿井需开蒸汽锅炉利用蒸汽加热；

该运行方式的问题在于，在冬季时制冷机组闲置，使得资产得不到有效利用；并且，冬季运行锅炉，污染环境的同时还增大了能源消耗。公布号为 CN102733840A的中国实用新型专利中公开了一种矿井井下降温与废热回收利用系统，该系统将井下制冷机组冷凝部分热量排入乏风井道，并在乏风井道地面部分采用热泵系统回收乏风热量，使得系统较为复杂，大幅度增加了投资和工程难度。并且该系统中的制冷机组在冬季时停运，资产没有得到有效利用；在夏季时热泵系统停运，增加了系统的维护工作量。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的以上不足，本实用新型旨在提供一种矿井降温防冻的能量综合利用系统，以达到夏季时机组可正常运行为井下除热害、冬季时制冷机组正常工作为矿井新风井口防冻提供热量的目的。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：一种矿井降温防冻的能量综合利用系统，包括置于地面上的制冷机组单元、新风井口单元以及置于地下的矿井降温风冷单元、乏风单元；制冷机组单元内有载冷剂，制冷机组单元能够使载冷剂循环进行“过饱和蒸汽——高温高压气态——液态——低温气态”的过程；其中，处于高温高压气态的载冷剂在载热剂换热下凝结为液态；低温气态载冷剂在矿井降温风冷单元或乏风单元的换热下，使载冷剂升温变为过饱和蒸汽；新风井口单元能将制冷机组单元内与载冷剂换热的载热剂进行冷却后再输送回制冷机组单元，同时，能够将载热剂放出的热量向大气排出或经新风井口向置于地下的新风井道内排出；矿井降温风冷单元中地下管道内有载冷剂，矿井降温风冷单元能将制冷机组单元中处于低温气态的载冷剂与置于井下需除热害区域地下管道内的载冷剂换热后再输送回制冷机组单元；乏风单元中抽取乏风与制冷机组单元中处于低温气态的载冷剂换热，使载冷剂升温后输送回制冷机组单元内。

作为本实用新型的改进，制冷机组单元包括通过管道依次顺序相连且首尾管道相接组成循环结构的制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器；处于过饱和蒸汽状态的载冷剂经制冷压缩机压缩后变为高温高压气态，随后进入冷凝器内与载热剂换热后凝结为液态，在膨胀阀作用下变为低温气态，再在蒸发器内经矿井降温风冷单元或乏风单元对载冷剂加热后变为过饱和蒸汽重新进入压缩机内继续循环。

作为本实用新型的进一步改进，新风井口单元包括与冷凝器管道相连的地面空冷器，冷凝器内的载热剂经地面空冷器与空气换热后，将冷却的载热剂通过管道输送回冷凝器内；地面空冷器与新风切换装置相连，新风切换装置能够使被加热的空气向大气排出或经新风井口排入地下新风井道内。

作为本实用新型的再进一步改进，地面空冷器由风机将抽入的空气与绕管式管束内的载热剂换热后，将加热的空气经新风切换装置通过排风筒向大气排出。

作为本实用新型的进一步改进，矿井降温风冷单元包括置于井下需除热害区域的降温空冷器，降温空冷器与蒸发器通过内有载冷剂的地下载冷剂管道组成闭路循环，使蒸发器内低温气态载冷剂与地下载冷剂管道中的载冷剂换热，经升温的载冷剂输送回蒸发器内。

作为本实用新型的进一步改进，乏风单元包括乏风井道及置于乏风井道内的乏风取热器；乏风取热器抽取乏风井道内的乏风后与蒸发器内的载冷剂换热，升温后的载冷剂输送回蒸发器内。

作为本实用新型的更进一步改进，乏风取热器由风机将抽入的乏风与绕管式管束内的载冷剂换热后，将升温后绕管式管束内的载冷剂输送回蒸发器内。

作为本实用新型的更进一步改进，地下载冷剂管道与降温空冷器之间设有第一阀门，以控制地下管道内蒸发器向降温空冷器输送载冷剂的通断；乏风取热器通过地下载冷剂管道与蒸发器相连，地下载冷剂管道上设有控制乏风取热器向蒸发器内输送载冷剂通断的第二阀门。

作为本实用新型的再进一步改进，蒸发器与降温空冷器之间通过地下载冷剂管道相连有高低压换热器，高低压换热器与蒸发器组成闭路循环、高低压换热器与降温空冷器组成闭路循环，使得高低压换热器能够将来自蒸发器的载冷剂变压后经地下载冷剂管道输入至降温空冷器或乏风取热器内，并且，升温后的载冷剂经高低压换热器变压后输送回蒸发器内。

作为本实用新型的其它改进，绕管式管束为两组以上平行设置的螺旋上升形的绕管组组成，每个绕管组的两端分别与输入至冷凝器的管道及由冷凝器输出的管道相连，或者每个绕管组的两端分别与输入至蒸发器的管道及由蒸发器输出的管道相连。

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，所取得的有益效果是：

（1）本实用新型在夏季时制冷机组单元、新风井口单元以及矿井降温风冷单元能正常运行：新风井口单元为制冷机组单元冷凝器中的载热剂换热冷却，矿井降温风冷单元利用井下热害为制冷机组蒸发器中的载冷剂换热升温，能够为井下除热害；

（2）本实用新型在冬季时制冷机组单元、新风井口单元以及乏风单元能正常运行：新风井口单元除了为制冷机组单元冷凝器中的载热剂换热冷却外，还能将载热剂放出的热量经新风井口向乏风单元输入，确保冬季新风井口入口温度在0℃以上，防止矿井新风井口防冻；乏风单元利用乏风为制冷机组蒸发器中的载冷剂换热升温；

（3）本实用新型设置的新风切换装置，能够控制地面空气器内被加热的空气向大气排出或经新风井口排入新风井道内；

（4）本实用新型的地下载冷剂管道与降温空冷器之间设有第一阀门，通过第一阀门控制蒸发器向降温空冷器输送的载冷剂的通断，以使得第一阀门在夏季时为开启状态，使得蒸发器内的载冷剂能够通过地下载冷剂管道与降温空冷器内吸取热害区域热量的地下载冷剂进行换热，也就是使降温空冷器在夏季时处于工作状态；

（5）本实用新型的地下载冷剂管道与乏风取热器之间设有第二阀门，通过第二阀门控制蒸发器向乏风取热器输送载冷剂的通断，以使得第二阀门在冬季时为开启状态，使得蒸发器内的在载冷剂能够通过地下载冷剂管道在乏风取热器内进行换热，也就是使乏风单元在冬季时处于工作状态；

（6）本实用新型的乏风单元与矿井降温风冷单元皆通过共同的地下载冷剂管道与蒸发器相连，能够充分利用地下载冷剂管道内的载冷剂；

（7）本实用新型的绕管式管束为两组以上的螺旋上升形的绕管组组成，这样不仅能够增加载热剂在地面空冷器内的换热面积，还能够增加载冷剂在乏风取热器内的换热面积，提高换热效果；

（8）本实用新型的COP较高，能够达到5以上，并且冬季时的COP能够高于夏季，运行能效优于锅炉；

（9）本实用新型能够集制冷、制热于一套系统内完成，工艺参数运行可基本保持相同，大大节约了对设备的投资并降低了设备运行维护难度。

本实用新型适用于矿井，用于除井下热害及为新风井口防冻。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作更进一步详细说明。

图1为本实用新型实施例1的系统组成结构示意图；

图2为本实用新型实施例1夏季使用时的工作流程示意图；

图3为本实用新型实施例1冬季使用时的工作流程示意图；

图4为本实用新型实施例1绕管组17的结构示意图；

图5为本实用新型实施例2的系统组成结构示意图。

图中：1、制冷压缩机；2、冷凝器；3、膨胀阀；4、蒸发器；5、地面空冷器；6、排风筒；7、新风切换装置；8、新风井口；9、新风井道；10、高低压换热器；11、降温空冷器；12、乏风取热器；13、绕管式管束；14、风机；15、地下载冷剂管道；16、乏风井道；17、绕管组。

具体实施方式

实施例1 一种矿井降温防冻的能量综合利用系统

如图1所示，本实施例包括置于地面上的制冷机组单元、新风井口单元以及置于地下的矿井降温风冷单元、乏风单元。

一、制冷机组单元

制冷机组单元包括通过管道依次顺序相连且首尾管道相接的制冷压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3及蒸发器4，即制冷压缩机1的输出口通过管道与冷凝器2的输入口相连、冷凝器2的输出口通过管道与膨胀阀3的输入口相连、膨胀阀3的输出口与蒸发器4的输出口相连、蒸发器4的输出口与制冷压缩机1的输入口相连，也就说是说，冷压缩机、冷凝器22、膨胀阀3及蒸发器4构成了循环结构。

制冷机组单元内的管道中设有载冷剂。载冷剂在制冷机组内循环进行以下过程：

1.高温高压气态

来自蒸汽器内的过饱和蒸汽状态的载冷剂经制冷压缩机1压缩后变为高温高压气态，高温高压气体进入冷凝器22内；

2.液态

在冷凝器22内与新风井口单元中的载热剂换热后，使制冷机组单元中的处于高温高压气体状态的载冷剂凝结为液态；

3.低温气态

液态载冷剂进入膨胀阀3内，膨胀阀3对载冷剂起减压降温作用，使载冷剂变为低温气态；

4.过饱和蒸汽

在蒸发器4内经矿井降温风冷单元或乏风单元对载冷剂加热后变为过饱和蒸汽重新进入压缩机内继续循环。夏季使用矿井降温风冷单元对载冷剂加热，冬季使用乏风单元对载冷剂加热。

由上可知，制冷机组单元能够使载冷剂循环进行“过饱和蒸汽——高温高压气态——液态——低温气态”的过程；其中，处于高温高压气态的载冷剂在载热剂换热下凝结为液态；低温气态载冷剂在矿井降温风冷单元或乏风单元的换热下，使载冷剂升温变为过饱和蒸汽。

二、新风井口单元

新风井口单元包括与冷凝器22通过管道相连的地面空冷器5以及与地面空冷器5相连的新风切换装置7，新风进口单元内的管道中设有载热剂。地面空冷器5包括风机14、绕管式管束13以及导风筒。绕管式管束13置于地面空冷器5壳体内，壳体两端分别设有风机14与导风筒。如图4所示，绕管式管束13为两组以上平行设置的螺旋上升形绕管组组成，螺旋上升形与螺旋形弹簧的形状相同；并且，每个绕管组的两端分别与输入至冷凝器22的管道及由冷凝器22输出的管道相连，即由冷凝器22输出的载热剂可进入每一绕管组中与空气换热，再输送回冷凝器22内。

地面空冷器5中的绕管式管束13的输入口与输出口皆与冷凝器2相连，使得冷凝器2内与载冷剂换热后的载热剂经管道进入绕管式管束13内，风机14将空气抽入壳体后，与壳体内绕管式管束13内的载热剂进行换热，再将换热后被加热的空气经导风筒导流后进入新风切换装置7内，最终使得被冷却的载热剂输入至冷凝器2中。新风切换装置7采用现有技术，能够将被加热的空气经排风筒6向大气排出或经新风井口8排入地下新风井道9内。新风切换装置7可采用现有技术中的阀门结构，从而控制空气向排风筒6或新风进口的排出的切换。

由上可知，新风井口单元能将制冷机组单元内与载冷剂换热的载热剂进行冷却后再输送回制冷机组单元，同时，能够将载热剂放出的热量向大气排出或经新风井口8向置于地下的新风井道9内排出。

三、矿井降温风冷单元

矿井降温风冷单元包括置于井下需除热害区域的降温空冷器11，降温空冷器11与蒸发器4通过地下载冷剂管道15组成闭路循环，所谓的闭路循环即蒸发器4的输出口通过地下载冷剂管道15与降温空冷器11输入口相连、降温空冷器11输出口通过地下载冷剂管道15与蒸发器4的输入口相连，也就是说，地下载冷剂管道15中的载冷剂能够在蒸发器4及降温空冷器11循环流动。

地下载冷剂管道15与降温空冷器11之间通过第一阀门控制通断，以控制地下管道内蒸发器4向降温空冷器11输送载冷剂的通断。第一阀门在冬季时为关闭状态，使降温空冷器11在冬季时处于停止工作状态；第一阀门在夏季时为开启状态，使降温空冷器11在夏季时处于工作状态。这样，在夏季时，降温空冷器11中的载冷剂吸收布置在工作面、掘进面上需除热害区域的热量，蒸发器4内低温气态载冷剂能够通过地下载冷剂管道15输送至降温空冷器11内，并与降温空冷器11内的中的载冷剂换热，从而使升温后载冷剂输送回蒸发器4中。

由上可知，矿井降温风冷单元中地下管道内有载冷剂，矿井降温风冷单元能将制冷机组单元中处于低温气态的载冷剂与置于井下需除热害区域地下管道内的载冷剂换热后再输送回制冷机组单元。

四、乏风单元

乏风单元包括乏风井道16及置于乏风井道16内的乏风取热器12。乏风取热器12包括风机14、绕管式管束13及导风筒。绕管式管束13置于乏风取热器12壳体内，乏风取热器12壳体上下两端分别设有风机14与导风筒。绕管式管束13为两组以上平行设置的螺旋上升形绕管组组成，并且，每个绕管组的两端分别与输入至蒸发器4的管道及由蒸发器4输出的管道相连，即由蒸发器4输出的载热剂可进入每一绕管组中换热，再输送回蒸发器4内。乏风单元由风机14将乏风井道16内抽入的乏风与绕管式管束13内的来自蒸发器4内的载冷剂换热后，将升温后绕管式管束13内的载冷剂输送回蒸发器4内。而导风筒可将乏风取热器12内换热后的乏风导流后输出。

乏风取热器12通过地下载冷剂管道15与蒸发器4相连，乏风取热器12的输出口、输入口分别与矿井降温风冷单元中与蒸发器4输入口相连的地下载冷剂管道15、与蒸发器4输出口相连的地下载冷剂管道15相连。也就是说，乏风单元依旧通过矿井降温风冷单元中与蒸发器4相连的地下载冷剂管道15与乏风取热器12相连。

地下载冷剂管道15上设有控制乏风取热器12向蒸发器4内输送载冷剂通断的第二阀门。第二阀门在夏季时为关闭状态，使乏风单元在夏季时处于停止工作状态；第二阀门在冬季时为开启状态，使乏风单元在冬季时处于工作状态。这样，在冬季时，乏风单元抽取的与制冷机组单元中处于低温气态的载冷剂换热，使载冷剂升温后输送回制冷机组单元内。

在夏季使用本实施例时，如图2所示，制冷机组单元中载冷剂循环进行“过饱和蒸汽——高温高压气态——液态——低温气态”的过程；新风井口单元将冷凝器2内与载冷剂换热的载热剂进行冷却后再输送回冷凝器2内，同时，将载热剂放出的热量向大气排出；矿井降温风冷单元将蒸发器4中处于低温气态的载冷剂与置于井下需除热害区域地下管道内的载冷剂换热后再输送回制冷机组单元，以除去井下热害，为相应工作区域降温。

在冬季使用本实施例时，如图3所示，制冷机组单元中载冷剂循环进行“过饱和蒸汽——高温高压气态——液态——低温气态”的过程；新风井口单元将冷凝器2内与载冷剂换热的载热剂进行冷却后再输送回冷凝器2内，同时，将载热剂放出的热量经新风进口向置于地下的新风井道9内排出，以使新风井口8防冻；乏风单元内抽入的乏风与来自蒸发器4中处于低温气态的载冷剂换热，使载冷剂升温后输送回蒸发器4内。

实施例2 一种矿井降温防冻的能量综合利用系统

高低压换热器10可根据的热害所在位置的深度确定是否设置。一般情况下，热害所在位置在地下400m以内，不设置高低压换热器10，即矿井降温防冻的能量综合利用系统为实施例1中的结构；超过400m时，由于地下深度较大时，地下载冷剂管道15内的压力较大，需要使用高低压换热器10进行压力转换，矿井降温防冻的能量综合利用系统为实施例2中的结构，如图5所示。本实施例在实施例1的基础上增加了如下技术特征：

蒸发器4与降温空冷器11之间通过地下载冷剂管道15相连有高低压换热器10，高低压换热器10与蒸发器4组成闭路循环、高低压换热器10与降温空冷器11组成闭路循环，也就是说，蒸发器4的输出口通过地下载冷剂管道15与高低压换热器10的输入口相连、高低压换热器10的输出口通过地下载冷剂管道15与蒸发器4的输入口相连，高低压换热器10的输出口与降温空冷器11的输入口通过地下载冷剂管道15相连、高低压换热器10的输入口与降温空冷器11的输出口通过地下载冷剂管道15相连。

这样，高低压换热器10能够将来自蒸发器4的载冷剂变压后经地下载冷剂管道15输入至降温空冷器11或乏风取热器12内，并且，升温后的载冷剂经高低压换热器10变压后输送回蒸发器4内。

Claims (10)

1.一种矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：包括置于地面上的制冷机组单元、新风井口单元以及置于地下的矿井降温风冷单元、乏风单元；

制冷机组单元内有载冷剂，制冷机组单元能够使载冷剂循环进行“过饱和蒸汽——高温高压气态——液态——低温气态”的过程；其中，处于高温高压气态的载冷剂在载热剂换热下凝结为液态；低温气态载冷剂在矿井降温风冷单元或乏风单元的换热下，使载冷剂升温变为过饱和蒸汽；

新风井口单元能将制冷机组单元内与载冷剂换热的载热剂进行冷却后再输送回制冷机组单元，同时，能够将载热剂放出的热量向大气排出或经新风井口向置于地下的新风井道内排出；

矿井降温风冷单元中地下管道内有载冷剂，矿井降温风冷单元能将制冷机组单元中处于低温气态的载冷剂与置于井下需除热害区域地下管道内的载冷剂换热后再输送回制冷机组单元；

乏风单元中抽取乏风与制冷机组单元中处于低温气态的载冷剂换热，使载冷剂升温后输送回制冷机组单元内。

2.根据权利要求1所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：制冷机组单元包括通过管道依次顺序相连且首尾管道相接组成循环结构的制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀及蒸发器；

处于过饱和蒸汽状态的载冷剂经制冷压缩机压缩后变为高温高压气态，随后进入冷凝器内与载热剂换热后凝结为液态，在膨胀阀作用下变为低温气态，再在蒸发器内经矿井降温风冷单元或乏风单元对载冷剂加热后变为过饱和蒸汽重新进入压缩机内继续循环。

3.根据权利要求2所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：新风井口单元包括与冷凝器管道相连的地面空冷器，冷凝器内的载热剂经地面空冷器与空气换热后，将冷却的载热剂通过管道输送回冷凝器内；

地面空冷器与新风切换装置相连，新风切换装置能够使被加热的空气向大气排出或经新风井口排入地下新风井道内。

4.根据权利要求3所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：地面空冷器由风机将抽入的空气与绕管式管束内的载热剂换热后，将加热的空气经新风切换装置通过排风筒向大气排出。

5.根据权利要求2所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：矿井降温风冷单元包括置于井下需除热害区域的降温空冷器，降温空冷器与蒸发器通过内有载冷剂的地下载冷剂管道组成闭路循环，使蒸发器内低温气态载冷剂与地下载冷剂管道中的载冷剂换热，经升温的载冷剂输送回蒸发器内。

6.根据权利要求2或5所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：乏风单元包括乏风井道及置于乏风井道内的乏风取热器；乏风取热器抽取乏风井道内的乏风后与蒸发器内的载冷剂换热，升温后的载冷剂输送回蒸发器内。

7.根据权利要求6所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：乏风取热器由风机将抽入的乏风与绕管式管束内的载冷剂换热后，将升温后绕管式管束内的载冷剂输送回蒸发器内。

8.根据权利要求6所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：地下载冷剂管道与降温空冷器之间设有第一阀门，以控制地下管道内蒸发器向降温空冷器输送载冷剂的通断；乏风取热器通过地下载冷剂管道与蒸发器相连，地下载冷剂管道上设有控制乏风取热器向蒸发器内输送载冷剂通断的第二阀门。

9.根据权利要求8所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：蒸发器与降温空冷器之间通过地下载冷剂管道相连有高低压换热器，高低压换热器与蒸发器组成闭路循环、高低压换热器与降温空冷器组成闭路循环，使得高低压换热器能够将来自蒸发器的载冷剂变压后经地下载冷剂管道输入至降温空冷器或乏风取热器内，并且，升温后的载冷剂经高低压换热器变压后输送回蒸发器内。

10.根据权利要求9所述的矿井降温防冻的能量综合利用系统，其特征在于：绕管式管束为两组以上平行设置的螺旋上升形的绕管组组成，每个绕管组的两端分别与输入至冷凝器的管道及由冷凝器输出的管道相连，或者每个绕管组的两端分别与输入至蒸发器的管道及由蒸发器输出的管道相连。