井下移動(dòng)瓦斯抽放泵站循環(huán)水分級(jí)冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：針對(duì)井下移動(dòng)瓦斯抽放泵循環(huán)水高溫問題，提出了利用礦井防塵水對(duì)抽放泵循環(huán)水分級(jí)冷卻的解決方案。運(yùn)用迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）、茹卡烏斯卡斯（Zhukauskas）關(guān)聯(lián)式對(duì)兩級(jí)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了傳熱計(jì)算，并對(duì)兩級(jí)水冷卻系統(tǒng)開展了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，運(yùn)用上述兩個(gè)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行傳熱計(jì)算的精度較高，驗(yàn)證了兩級(jí)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯；瓦斯抽放泵；循環(huán)水冷卻；對(duì)流傳熱

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.007

煤礦瓦斯是礦井的五大（水、火、瓦斯、煤塵、頂板）自然災(zāi)害之一，對(duì)煤礦的生產(chǎn)安全造成了威脅。國家在2004 年提出煤礦安全生產(chǎn)的“12字方針”——先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測(cè)監(jiān)控，其中，“先抽后采”居于首位，充分說明了煤礦瓦斯抽放的重要性。抽放瓦斯不僅可以降低瓦斯涌出量，消除瓦斯突出危險(xiǎn)，也可以變害為利、變廢為寶，同時(shí)還有利于保護(hù)環(huán)境。

瓦斯抽放泵是抽放系統(tǒng)的心臟。目前，瓦斯抽放泵的類型有水環(huán)式真空泵、離心式鼓風(fēng)機(jī)和回轉(zhuǎn)式鼓風(fēng)機(jī)，我國礦井常用的瓦斯抽放泵為水環(huán)式真空泵。由于抽放泵是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，且抽放泵電機(jī)功率大，無功損耗比較嚴(yán)重，抽放時(shí)，氣體受到壓縮產(chǎn)生大量熱量，造成泵體溫度升高，對(duì)抽放泵和電機(jī)造成損傷，導(dǎo)致無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這是當(dāng)前國內(nèi)外煤礦普遍存在的問題，也是迫切需要解決的問題。

山西某煤礦目前使用3臺(tái)井下移動(dòng)式瓦斯抽放泵。所用瓦斯抽放泵為2BFC72型真空泵，電機(jī)功率為1 000 kW，最大吸氣量為630 m3/min，極限壓力為160 hPa，轉(zhuǎn)速為340 r/min。其中，瓦斯抽放泵利用循環(huán)水降溫。通過對(duì)該煤礦瓦斯抽放泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)得抽放泵循環(huán)水流量為60 m3/h，進(jìn)水溫度為20 ℃，進(jìn)水表壓為0.47 MPa，出水溫度為50 ℃。

由于循環(huán)水出水溫度太高，目前只能將循環(huán)水出水送至地面處理后再使用。這種開式循環(huán)設(shè)計(jì)使得井下瓦斯抽放泵站的運(yùn)行操作不便，泵站設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的可靠性下降，設(shè)備工作時(shí)受外部其他干擾因素的影響較大，對(duì)井下安全生產(chǎn)極其不利。因此，必須對(duì)抽放泵循環(huán)水實(shí)施冷卻降溫，解決抽放泵循環(huán)水高溫問題，以滿足煤礦井下瓦斯抽放系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的要求。

本文在煤礦現(xiàn)有瓦斯抽放泵循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了利用井下防塵水對(duì)循環(huán)水分級(jí)冷卻的冷卻系統(tǒng)，并對(duì)冷卻系統(tǒng)換熱器的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否可行。

1 瓦斯抽放泵循環(huán)水分級(jí)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于井下防塵水溫度在17 ℃左右，流量為70 m3/h，考慮將防塵水作為冷源對(duì)瓦斯抽放泵循環(huán)水冷卻降溫。防塵水的主要功能是除塵。抽放泵站到采掘工作面的距離較遠(yuǎn)，防塵水在管道內(nèi)與井下通風(fēng)系統(tǒng)自然換熱，等到達(dá)工作面時(shí)溫度會(huì)降低，但不影響除塵效果，可以保證采掘工作的正常開展。

由于硐室內(nèi)瓦斯抽放泵站現(xiàn)場(chǎng)已分別設(shè)置冷、熱水池，因此，可以在熱水池內(nèi)布置換熱管束，當(dāng)井下防塵水從換熱管束內(nèi)流過時(shí)，對(duì)瓦斯抽放泵循環(huán)水的出水進(jìn)行冷卻。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的水池尺寸以及相關(guān)參數(shù)，校核、計(jì)算了熱負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)有的水池大小布置管束無法滿足熱負(fù)荷的需求。從對(duì)瓦斯抽放站的現(xiàn)場(chǎng)勘查來看，在硐室內(nèi)還有諸多空余空間，因此可以考慮在空余部分增設(shè)水箱，再在箱內(nèi)布置換熱管束。當(dāng)管內(nèi)有防塵水流過時(shí)，水箱內(nèi)循環(huán)熱水流動(dòng)，對(duì)循環(huán)水換熱降溫，使其承擔(dān)一定的熱負(fù)荷。水箱可以增設(shè)兩級(jí)并串聯(lián)使用，從而實(shí)現(xiàn)兩級(jí)水冷降溫。分級(jí)冷卻系統(tǒng)管路流程如圖1所示。

考慮到井下空間有限，為了節(jié)省空間，在設(shè)計(jì)時(shí)就要求二級(jí)水冷卻器盡可能多地承擔(dān)熱負(fù)荷，并且盡可能使用尺寸較小的一級(jí)水冷卻器。二級(jí)水冷卻器換熱管的布置情況如圖2所示。圖2中，中間黑色實(shí)線表示用金屬隔板將水池人為分隔成間距為0.1 m的曲折流動(dòng)通道，通道內(nèi)布置蛇形換熱管，其中，防塵水與管外循環(huán)水為逆流。

要實(shí)現(xiàn)井下瓦斯抽放泵冷卻水的閉式循環(huán)利用，就需要將循環(huán)水從50 ℃冷卻至20 ℃，冷卻系統(tǒng)所需的換熱量為2 019 kW。

對(duì)于蛇形管管內(nèi)流動(dòng)傳熱過程可通過迪圖斯-貝爾特公式進(jìn)行理論計(jì)算，得到管內(nèi)努賽爾數(shù)：

. （1）

蛇形管管外流動(dòng)傳熱過程可近似為流體橫掠管束傳熱過程，管外努賽爾數(shù)Nu可用茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式估算：

. （2）

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

. （3）

式（3）中：h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

總傳熱系數(shù)：

. （4）

式（4）中：kth為總傳熱系數(shù)；h2為管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；h1為管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

依據(jù)已知參數(shù)和上述4個(gè)公式，對(duì)分級(jí)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，可得到分級(jí)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

本文主要針對(duì)二級(jí)水冷卻器的傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，二級(jí)冷卻系統(tǒng)用均等間距的隔板隔開，每個(gè)隔板間布置換熱管。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)而言，可以只研究其中一個(gè)隔板槽道的流動(dòng)性和傳熱特性。

1—熱水箱；2—換熱器；3—流量計(jì)；4—球閥；5—水泵；6—冷水箱

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖3所示。熱水箱內(nèi)加裝加熱器對(duì)水加熱，加熱后的水經(jīng)水泵和流量計(jì)由換熱器槽道的底部流入換熱器內(nèi)；同時(shí)，另一端冷水器內(nèi)儲(chǔ)存的冷水經(jīng)水泵和流量計(jì)流入蛇形管內(nèi)，與換熱器槽道內(nèi)的熱水逆流換熱，降低槽道內(nèi)熱水的溫度。圖3中，黑點(diǎn)表示布置溫度傳感器的位置。溫度傳感器用于測(cè)量蛇形管壁與進(jìn)出口的溫度。換熱器參數(shù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)熱水溫度共設(shè)置3個(gè)溫度值（40 ℃、45 ℃和50 ℃），冷卻水溫度為17 ℃，熱水進(jìn)口流量為4個(gè)工況（10 L/min、17 L/min、20 L/min和22.5 L/min），冷水進(jìn)口流量共4個(gè)工況（10 L/min、21 L/min、24 L/min、26 L/min）。實(shí)驗(yàn)過程中保持其中

兩個(gè)參數(shù)不變，改變其中一個(gè)參數(shù)，分析變化規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 熱水流速對(duì)傳熱性能的影響

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到不同熱水流速下的管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)，分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可以看出，當(dāng)流速低于0.071 m/s時(shí)，隨著管外熱水流速的增加，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)明顯增大。這是因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下，增大熱水流速，雷諾數(shù)也隨之增加，使得換熱能力增強(qiáng)。在工程應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)提高熱水的流速。

3.2 冷水流速對(duì)傳熱性能的影響

對(duì)不同冷水流速下的管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)進(jìn)行整理，可得到不同冷水流速下的管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)冷水流速低于1.11 m/s時(shí)，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨冷水流速的增加上升較為明顯；當(dāng)冷水流速高于1.11 m/s后，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增幅較小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中保持冷水流速在1.11 m/s左右較為合理。

3.3 實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算對(duì)比分析

根據(jù)循環(huán)水冷卻系統(tǒng)所選擇的關(guān)聯(lián)式可對(duì)各實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行理論計(jì)算。通過對(duì)工況（熱水進(jìn)口溫度為45 ℃，冷水進(jìn)口溫度為17 ℃，熱水流量為24 L/min，冷水流量為20 L/min）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可得到表3.

由表3可以看出，將實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)與理論計(jì)算得出的結(jié)果相對(duì)比，誤差均在5%以內(nèi)。驗(yàn)證了分級(jí)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算選用的迪圖斯-貝爾特、茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式是比較準(zhǔn)確、合適的。

4 結(jié)論

通過本文的論述，可得出以下結(jié)論：①根據(jù)迪圖斯-貝爾特、茹卡烏斯卡斯關(guān)聯(lián)式對(duì)瓦斯抽放泵循環(huán)水分級(jí)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，得出分級(jí)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)換熱量為2 021.476 kW。②當(dāng)熱水流速低于0.071 m/s時(shí)，隨著管外流速的增加，冷卻系統(tǒng)管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和總傳熱系數(shù)明顯增大。③當(dāng)冷水流速低于1.11 m/s時(shí)，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨冷水流速的增加上升較為明顯；當(dāng)冷水流速高于1.11 m/s后，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增幅較小。④對(duì)比實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)果得出，誤差在5%以內(nèi)，得出分級(jí)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算選用的關(guān)聯(lián)式是準(zhǔn)確、合適的，驗(yàn)證了該分級(jí)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

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〔編輯：劉曉芳〕

Experimental Study on the Circulating Water Classification Cooling

System of the Underground Mobile Gas Drainage Pump Station

He Guangyan， Liang Xiaobo， Chao Yang， Wang Taotao

Abstract： In this paper， aiming at the underground mobile gas drainage pump circulating water heating， the utilization of mine dust water gas drainage pump circulating water cooling stage solutions. In this paper， the correlations Dittus-Boelter， Zhukauskas of two-stage cooling system for heat transfer calculations， and the two stage water cooling system experimental study has been carried out. The results show that the accuracy of heat transfer calculation is high， and the feasibility of the design scheme of the two level water cooling system is verified by using the above two correlation formula.

Key words： coal mine gas； gas drainage pump； circulating water cooling； convection heat transfer