CN210068227U - 一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，包括恒温层冷水源，进水管路，水泵，换热器，进风风筒，风机，出风风筒，回水管路，恒温层冷水源通过水泵依次与进水管路以及换热器一端相连接，进风风筒依次与风机以及换热器一端相连接，回水管路以及出风风筒分别与换热器连接；将满足井下通风降温需求的恒温层冷水源的恒温水流直接作为载冷剂，通过换热器与通风风流发生热交换，以达到降低风温的目的，省去了压缩机制冷部分，降低了设备及用电成本，使整个风流冷却系统更加简单，布置方式也更为灵活多样。

Description

一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统

技术领域

本实用新型属于矿山或其它民用地下工程通风降温领域，尤其涉及一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统。

背景技术

矿井高温热害的出现，严重地影响了采矿工业的发展，世界各高温矿井国家在90年前便开始了矿井降温技术的研究。进入20世纪80年代，制冷降温已成为深矿井降温的主要技术手段。在深部和中等深度开采特别是机械化广泛使用和高岩温矿井必须要采取制冷和除湿。最简单的是应用较小的便携式移动制冷器，大型的中央制冷系统变得越来越普遍。超过15个国家的深部开采区域必须依靠制冷系统，最著名的是南非深达3.7km的金矿。在欧洲，所有深部煤矿开采中都有空调系统。

1915年在巴西的莫劳约里赫金矿建立了世界上第一个矿井空调系统，在地面建立了集中制冷站。采深2000m，围岩温度50℃，采用活塞式制冷机，电机530kW，制冷剂R-11，制冷量为1744kW，喷淋式空冷器安设在地面，冷却风量2300m³/min，可将温度由30℃冷却到6℃；英国是世界上最早在井下实施空调技术的国家，1923年英国的彭德尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机，冷却采煤工作面风流。德国最早于1924年在拉德劳德(Radlod)煤矿，采深968m，围岩温度44℃，地面安设一台冷冻机，采用活塞式制冷机，制冷剂为R-11，电机功率为150kW，制冷量为581kW，空冷器安设在井下，可将7200m³/min风量温度由22.5℃降到19.5℃。井下安装大型风流冷却设备最早是1953年的洛伯尔格矿。德国共有32对矿井，已有28对矿井采用空调降温，1986年总制冷能力达91.4MW，1993年9月为256MW。澳大利亚也采用制冷系统对进入主风井的空气进行预先冷却，在艾萨企业铜矿建立的25MW制冷系统可以把空气从26℃冷却到14.6℃，空气的冷却速度为580kg/s，相当于每天制造6300t的冰。加拿大的矿井投入巨资采取大容量通风与制冷技术并用的方式进行治理。凯德矿花费了2100万加元安装了12MW的制冷系统并升级了通风系统，以改善3000m深处35℃气温的恶劣条件；兰荣德矿针对其2000m、38℃的条件，在2002年安装了加拿大第一个5MW的机械冷却系统，2004年又投资660万加元升级为12MW，并移至地表；不久将升级至19MW。苏联、日本等国20世纪70年代开始应用制冷降温。现在，国外矿井空调制冷规模越来越大，发展迅猛。日本矿井从1975到1985年总制冷能力达到4528MW。

南非20世纪60年代便开始了大型矿井集中式空调。目前世界上矿井空调制冷能力最大的当属南非金矿，该国44对矿井都安装了降温用的冷冻机，1985年11月，南非金矿把冰送进井下，利用冰的溶解吸热，以冷却空气冷却器中的冷却水，其制冷系统能力达到628MW，1988年总制冷能力已经超过500MW，平均每个矿井超过11.4MW。南非的Mponeng金矿，其埋深3.5km的温度达到60℃左右。矿井未来开采深度将达到5km深度，主井将延伸到3.2km。通风依靠地表大功率通风机，将空气送入一个或者两个竖井，引导空气流通。通过通风和冷冻充填物的使用，空气温度冷却到32℃左右。混凝土废石混合物在用泵输送至采空区之前冷却，对剩余矿体起到制冷作用。

我国采用制冷降温技术始于1964年。当时，煤炭科学研究总院抚顺分院引进了一台苏制4F10型活塞冷水机组，制冷量为58kW，在淮南九龙岗矿进行了井下局部降温试验，同时，采用了表面式和喷淋式两种类型的空冷器。在此基础上，由煤科总院抚顺分院、长沙矿冶研究所等单位于1967年，联合研制出JKT-20型矿用冷风机，制冷量为70kW。1979年，抚顺分院与武汉冷冻机厂合作研制出JKT-70型制冷量为235kW矿用冷水机组，用于掘进工作面降温。1984年，在新汶孙村矿建立了我国第一座井下集中空调系统，该系统由抚顺分院设计，设计制冷能力为2324kW，采用4台Ⅱ-JB50×0型离心式冷水机组，单机制冷量为581kW。该矿在开采深度进入-800m水平时，由于井下排除冷凝热困难，于1994年改为地面集中空调系统，该系统引进德国WKM2-1900型螺杆冷水机组和壳管式高低压换热器，并与国产LSLGF2-25型冷水机组联合运行，总制冷量能力为5440kW，这也是我国第一个地面集中制冷空调系统。

随着我国工业规模的扩张以及对矿石需求的迅速增加，矿井的深度正快速增加，地热危害也越来越严重。在我国地热危害控制中，出于成本方面的考虑，过去一直采用非人工制冷方式，如增加入风流量、带走更多的热；利用矿山原有的采空区作为冷量储备库，对方便的空区可以内部存水，冬季时外部冷风流进入使水凝结成冰，储存冷量；夏季时外部热风进入时，与冰和冷岩石壁发生热量交换，气流被冷却降温。随着地热危害日益严重，强制性人工制冷方式也将成为我国深井热害控制的必然。但与国外相比，我国矿山的条件较为严苛，地热降温的成本是决定该技术能否成功的关键。虽然个别矿山进行了一些初步研究，但采用的制冷技术大多为传统的机械制冷方式，核心部件的制冷效率、冷端与热端的热交换效率较低，致使矿山地热控制的成本高居不下，许多普通金属矿井难以承受。于此，提出一种基于恒温层水源的矿井风流冷却系统，系统组成简单，使用方便，大幅降低矿山降温成本，值得推广。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，省去了压缩机制冷部分，降低了设备及用电成本，使整个风流冷却系统更加简单，布置方式也更为灵活多样。

本实用新型提供的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，包括：恒温层冷水源，进水管路，水泵，换热器，进风风筒，风机，出风风筒，回水管路，所述恒温层冷水源通过水泵依次与进水管路以及换热器一端相连接，所述进风风筒依次与风机以及换热器一端相连接，所述回水管路以及出风风筒分别与换热器连接。

所述恒温层冷水源的温度低于20℃。

所述恒温层冷水源还可更改为地表低温水源与井下低温水源，地表低温水源可包括地表河流、泉水等，地下低温水源除恒温层水源外，还包括可满足风流冷却需求的其它区域低温岩层涌水等。

本实用新型提供的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统工作原理如下：

结合热力学传递原理，计算一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统参数：

(1)掘进工作面需冷量按下式计算：

Q_l＝cMΔt

式中：Q_l——需冷量，kW；

c——空气的平均比热容，kJ/Kg·℃；

M——标准状态下的风量，Kg/s；

Δt——空气温差，Δt＝t₁-t₂；

t₁——环境空气温度，℃；

t₂——空气要求降到的温度，℃；

(2)换热器换热面积按下式计算：

式中：α——对流换热系数，W/(m2·℃)；

Δt_d——对数平均温差；

t₁——空气进口温度，℃；

t₂——空气出口温度，℃；

t₃——冷水进口温度，℃；

t₄——冷水出口温度，℃；

(3)冷却水所需流量按下式计算：

式中：Q_l——所需热交换量，W；

c_w——水的比热容，J/(Kg·℃)；

Δt_w——冷却水的温差，℃；

本实用新型一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统的有益效果：本实用新型提供的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统是将恒温层水源直接作为载冷剂，通过换热器与风流发生热交换，从而达到降低风温的目的。同时，系统省去了压缩机制冷部分，降低了设备及用电成本，使整个风流冷却系统更加简单，布置方式也更为灵活多样。

对于存在全局通风降温需求的矿山，在风机将自然风流送入井下前，可选择地表河流或泉水作为载冷剂，通过换热器进行低温水流与输送风流的热交换，或在风流通过恒温层低温水源时，通过换热器与恒温层低温涌水进行热交换，降低输送至井下各采掘工作面前风流的初始温度，进而降低运送至井下各采掘工作面时的风流温度，达到矿山全局通风降温的目的。对于采用该系统进行全局通风降温的矿山，冷却风量大，风速高，可选择较大换热面积、换热效率高的换热设备，也可进行多台换热设备的串联使用。同时，与输送风流进行热交换后的升温水流，可再次排入河流或泉水中，或直接输送至矿山其它用水系统。

对于矿山井下存在局部通风降温需求的采掘工作面或其它井下工程结构，可选择距离降温区域较近的、可满足采掘工作面或其它工程结构局部通风降温需求的低温岩层涌水作为载冷剂，运用水泵将低温水流输送至掘进工作面或其它工程结构附近的风流冷却系统，进行矿山井下局部通风风流冷却，或对于局部通风风筒经过低温岩层涌水区域的情况，可直接将风流冷却系统布置在低温岩层涌水区域，通过该风流冷却系统直接对经过风流进行冷却，然后输送至采掘工作面等局部降温区域，达到矿山局部通风降温需求。而与输送风流进行热交换后的升温水流，可临时泵送至附近无人工作的巷道水沟或其它排水、用水系统。

附图说明

图1为本实用新型一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统示意图；

图2为某矿山巷道掘进工作面局部通风风流冷却实施过程示意图；

其中

1进风风筒，2风机，3换热器，4恒温层冷水源，5水泵，6进水管路，7出风风筒，8回水管路

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明。

如图1所示，一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统包括：恒温层冷水源，进水管路，水泵，换热器，进风风筒，风机，出风风筒，回水管路，所述恒温层冷水源通过水泵依次与所述进水管路以及所述换热器一端相连接，所述进风风筒依次与所述风机以及所述换热器一端相连接，所述回水管路以及所述出风风筒分别与所述换热器连接。

以某矿山巷道掘进工作面局部通风风流冷却为例，进行基于恒温层冷水源的矿井通风风流冷却具体实施过程说明。如图2所示为某矿山巷道掘进工作面局部通风风流冷却实施过程示意图，采用本实用新型提供的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统对巷道掘进工作面进行通风降温处理，恒温层水流与通风风流由管缆井9输送至巷道掘进工作面附近通风硐室，进风风筒1依次与布置于所述通风硐室处的所述风机2以及所述换热器3相连接，所述进水管路6以及所述回水管路8与所述换热器3相连接，所述出风风筒7一端与所述换热器3另一端连接，所述出风风筒7另一端连接至巷道掘进工作面10。

使用说明

将通风风流与恒温层水流由管缆井9输送至巷道掘进工作面附近通风硐室，用水泵5将所述恒温水流经进水管路6输送至所述换热器3作为载冷剂，用风机2将通风风流经进风风筒1输送至换热器3与恒温水流进行热交换形成冷却风流以及升温水流，热交换结束后冷却风流经由出风风筒7输送至巷道掘进工作面进行工作面10进行通风降温，升温水流由回水管路8经管缆井9输送至附近无人工作的巷道水沟或其它排水、用水系统。

Claims (5)

1.一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，其特征在于：包括：恒温层冷水源，进水管路，水泵，换热器，进风风筒，风机，出风风筒，回水管路，所述恒温层冷水源通过水泵依次与进水管路以及换热器一端相连接，所述进风风筒依次与风机以及换热器一端相连接，所述回水管路以及出风风筒分别与换热器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，其特征在于：所述恒温层冷水源的温度低于20℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，其特征在于：所述恒温层冷水源包括地表低温水源与井下低温水源，地表低温水源可包括地表河流、泉水，地下低温水源除恒温层水源外，还包括可满足风流冷却需求的其它区域低温岩层涌水。

4.根据权利要求1所述的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，其特征在于：所述换热器换热面积按下式计算：

(1)掘进工作面需冷量按下式计算：

Q_l＝cM△t

式中：Q_l——需冷量，kW；

c——空气的平均比热容，kJ/Kg·℃；

M——标准状态下的风量，Kg/s；

△t——空气温差，△t＝t₁-t₂；

t₁——环境空气温度，℃；

t₂——空气要求降到的温度，℃；

(2)换热器换热面积按下式计算：

式中：α——对流换热系数，W/(m2·℃)；

△t_d——对数平均温差；

t₁——空气进口温度，℃；

t₂——空气出口温度，℃；

t₃——冷水进口温度，℃；

t₄——冷水出口温度，℃。

5.根据权利要求4所述的一种基于恒温层冷水源的矿井风流冷却系统，其特征在于：所述冷水所需流量按下式计算：

式中：Q_l——所需热交换量，W；

c_w——水的比热容，J/(Kg·℃)；

△t_w——冷水的温差，℃。

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