整體式熱管換熱技術(shù)在煤礦井口防凍系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂向陽，翟 宇，趙 旭

(1.北京中礦賽力貝特節(jié)能科技有限公司，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

1 項(xiàng)目概況

鑒于環(huán)保的嚴(yán)峻形勢，陽煤二礦南風(fēng)井工業(yè)廠區(qū)原用于井口防凍的燃煤熱風(fēng)爐不得不拆除，但《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定[1]：進(jìn)風(fēng)井口以下溫度必須在2℃以上，以防井筒結(jié)冰。為此，必須尋求一種有效而合理的方式，解決井口防凍需求。由于風(fēng)井遠(yuǎn)離礦區(qū)，集中供熱或燃?xì)獾葻o法送達(dá)，用電則面臨電力負(fù)荷不足的技術(shù)瓶頸。經(jīng)過廣泛比較和深入論證，礦方最終決定采用新型工藝“整體式熱管換熱技術(shù)”，通過回收礦井回風(fēng)的低溫余熱，提供井口防凍負(fù)荷，替代原有燃煤熱風(fēng)爐方式。

經(jīng)過調(diào)研：南風(fēng)井工業(yè)廠區(qū)位于陽泉市郊，現(xiàn)有一進(jìn)一回兩個(gè)井口，礦井回風(fēng)量8372m3/min，風(fēng)溫最低12℃、相對(duì)濕度85%以上；進(jìn)風(fēng)量6729m3/min，當(dāng)?shù)貥O端平均溫度為-16.7℃。許多煤礦的風(fēng)井都存著排向大氣環(huán)境的礦井回風(fēng)熱風(fēng)流和需要進(jìn)行升溫的礦井進(jìn)風(fēng)冷風(fēng)流這種特有屬性，作為一種依靠溫差作為動(dòng)力進(jìn)行傳熱的新型換熱工藝，整體式熱管換熱技術(shù)在此類風(fēng)井的應(yīng)用具有先天的技術(shù)優(yōu)勢。南風(fēng)井回風(fēng)熱氣流和進(jìn)風(fēng)冷氣流最大溫差達(dá)28℃以上，理論上完全具備應(yīng)用該技術(shù)的可行性，由于該技術(shù)在煤礦井口防凍領(lǐng)域還未推廣，在設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備選型上可參考資料極少。為此，筆者從方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、運(yùn)行效果等角度，針對(duì)該風(fēng)井應(yīng)用整體式熱管換熱技術(shù)解決井口防凍問題進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 熱能計(jì)算

1)井口防凍負(fù)荷。井口防凍負(fù)荷計(jì)算見式(1)。

Q0=ρ1×V×cP×(t1-t2)

(1)

式中，Q0為井口防凍熱負(fù)荷，kW；ρ1為礦井進(jìn)風(fēng)冷氣流密度；V為冷氣流風(fēng)量；cP為空氣定壓比熱；t1和t2分別為冷氣流和需要加熱的溫度，計(jì)算可知：井口防凍負(fù)荷為2860.8kW。

2)礦井回風(fēng)余熱。礦井回風(fēng)余熱見式(2)。

Qh=ρ2×V×cP×(h1-h2)

(2)

式中，Qh為礦井回風(fēng)余熱，kW；ρ2為礦井回風(fēng)熱氣流密度；h1、h2分別為礦井回風(fēng)干球溫度12℃、3℃對(duì)應(yīng)的焓值。若對(duì)礦井回風(fēng)提取溫度過低，則面臨結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，安全起見可按最低3℃計(jì)。計(jì)算可知：礦井回風(fēng)可提取余熱2992.6kW。分析表明：礦井回風(fēng)熱風(fēng)流蘊(yùn)含余熱量可滿足礦井進(jìn)風(fēng)的井口防凍負(fù)荷需求。

2.2 工藝流程

整體式熱管換熱技術(shù)是一種冷、熱流體互不接觸的表面式換熱方式，分為上部冷凝段和下部蒸發(fā)段，中間用隔板分隔稱為絕熱段，它有由許多根熱管以管束形式組成，熱管數(shù)量取決于長度和換熱量大小。該工藝通過回收礦井回風(fēng)熱風(fēng)流余熱，為礦井進(jìn)風(fēng)冷風(fēng)流升溫，滿足井口防凍負(fù)荷需求。

2.2.1 工藝確定

結(jié)合陽煤二礦南風(fēng)井實(shí)際現(xiàn)狀，確定該技術(shù)的工藝流程如圖1所示。

1—擴(kuò)散塔；2—回風(fēng)口；3—封閉結(jié)構(gòu)；4—回風(fēng)引風(fēng)道；5—回風(fēng)引風(fēng)機(jī)；6—熱管裝置出風(fēng)口；7—室外進(jìn)風(fēng)口；8—進(jìn)風(fēng)引風(fēng)機(jī)；9—整體式熱管裝置；10—礦井進(jìn)風(fēng)道；11—電輔助熱；12—進(jìn)風(fēng)室；13—進(jìn)風(fēng)格柵；14—進(jìn)風(fēng)井筒；15—鋼架支撐；16—蒸發(fā)段；17—冷凝段；18—絕熱隔板圖1 礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)流程圖

圖1中除擴(kuò)散塔、進(jìn)風(fēng)室、進(jìn)風(fēng)格柵及進(jìn)風(fēng)井筒外，其余均為整體式熱管換熱工藝新增，其中熱管的蒸發(fā)段與礦井回風(fēng)道相連，冷凝段與室外進(jìn)風(fēng)道相連。蒸發(fā)段中液態(tài)工質(zhì)通過吸收回風(fēng)中低溫?zé)崮芏杆倨⑸晾淠?，冷凝段的汽態(tài)工質(zhì)向室外新風(fēng)釋放熱量后冷凝成液態(tài)，再經(jīng)吸液芯回流至蒸發(fā)段。此過程往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱能的置換，礦井回風(fēng)釋放熱量后排向室外，室外新風(fēng)吸收熱量后送入井下，考慮安全裕量礦井進(jìn)風(fēng)可加設(shè)電輔加熱器。

該系統(tǒng)僅用于采暖季井口防凍，封閉結(jié)構(gòu)中設(shè)有排風(fēng)風(fēng)閥，在非采暖季，礦井回風(fēng)直接通過風(fēng)閥排出室外。

2.2.2 風(fēng)道確定

根據(jù)工藝流程，該系統(tǒng)需將擴(kuò)散塔進(jìn)行封閉改造，然后將礦井回風(fēng)經(jīng)專用風(fēng)道引入換熱裝置放熱后排出，同時(shí)礦井進(jìn)風(fēng)經(jīng)換熱裝置吸熱后再送入井下。參考相關(guān)規(guī)程[1]對(duì)井巷及風(fēng)道允許最高風(fēng)速的要求，為便于項(xiàng)目施工新設(shè)風(fēng)道按矩形設(shè)計(jì)，風(fēng)道材質(zhì)為普通鋼板、板厚4mm，外貼巖棉保溫厚度50mm，同時(shí)0.5mm彩鋼板做外保護(hù)層。斷面平均風(fēng)速按10m/s左右考慮，經(jīng)計(jì)算最終確定新設(shè)回風(fēng)道斷面4.5m×3m，新設(shè)進(jìn)風(fēng)道斷面4m×3m。

2.3 換熱面積及熱管數(shù)量

2.3.1 熱管工藝參數(shù)確定

該工藝核心構(gòu)件為上千根以管束形式組成的環(huán)形翅片熱管，翅片管工藝參數(shù)包括管長、管徑、壁厚、翅片高度和厚度、翅片間距、翅片管縱向和橫向間距、翅化比及翅片效率。單純考慮強(qiáng)化傳熱，翅片高度越大，換熱表面積越大，但翅片平均溫度下降，翅片效率降低；翅片間距越小，翅化比越大，則外表面積越大[2]。礦井回風(fēng)具有粉塵高、濕度大及腐蝕性等特點(diǎn)，換熱過程伴隨著大量積灰和冷凝水析出現(xiàn)象，翅片間距不宜過小、高度不宜過大且應(yīng)向下螺旋，以便于清灰和排水，同時(shí)熱管材質(zhì)選用不銹鋼外套防腐鋁翅片。

1)熱管長度和迎風(fēng)面積。熱管換熱裝置迎風(fēng)面的風(fēng)速一般為3m/s左右，風(fēng)速過高動(dòng)力消耗增加、過低傳熱能力難以發(fā)揮[3]。大型工業(yè)風(fēng)量較大，同時(shí)為防積灰風(fēng)速易選取高一些，該系統(tǒng)風(fēng)速暫取4m/s，則迎風(fēng)面積為：

A=V/u

(3)

式中，A為迎風(fēng)面積；V為回風(fēng)或進(jìn)風(fēng)量，分別為139.5m3/s和112.2m3/s；u為風(fēng)速，取4m/s。計(jì)算可知，回風(fēng)側(cè)迎風(fēng)面積34.88m2，進(jìn)風(fēng)側(cè)迎風(fēng)面積28.05m2。為保證氣流均勻迎風(fēng)面可按矩形設(shè)置，考慮熱管加工尺寸取有效長度為4m，最后確定回風(fēng)側(cè)迎風(fēng)面為16m×2.2m，進(jìn)風(fēng)側(cè)迎風(fēng)面為16m×1.8m，兩側(cè)迎風(fēng)面實(shí)際風(fēng)速為3.96m/s和3.89m/s。

2)熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)。熱管的管徑和壁厚根據(jù)常用規(guī)格和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)確定，由經(jīng)驗(yàn)公式[2]并考慮回風(fēng)特點(diǎn)確定翅高、翅厚和間距，進(jìn)而可確定翅化比(翅片管外表面積和裸露基管表面積之比)。熱管排列方式采用正三角形叉排，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[2]確定縱向和橫向間距；查詢兩側(cè)流體的熱物性參數(shù)(溫度、比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度系數(shù)、普朗特?cái)?shù)等)，由確定的翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù)求得兩側(cè)最小流通面積NFAh與NFAc和質(zhì)量流速Gh與Gc、兩側(cè)雷諾數(shù)Rh與Rc、兩側(cè)換熱系數(shù)hh與hc。由于翅片效率η是df/d0和lf(2h/(λδf))(1/2)的函數(shù)，可最終求得翅片效率η。以上計(jì)算過程[4]限于篇幅，不再詳述。翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 翅片管的工藝參數(shù)

2.3.2 換熱裝置面積及熱管數(shù)量

熱管換熱裝置從礦井回風(fēng)向礦井進(jìn)風(fēng)的熱能傳遞過程包括蒸發(fā)段、冷凝段以及兩側(cè)管壁的傳熱。在熱管工藝參數(shù)確定的情況下，考慮蒸發(fā)側(cè)析濕因素和污垢熱阻、并根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)計(jì)算理論[3，4]，可確定熱管換熱裝置總熱阻為0.00273(m2·K)/W，相應(yīng)總的傳熱系數(shù)為366.5W /(m2·K)。本系統(tǒng)兩側(cè)按照逆向流動(dòng)，回風(fēng)側(cè)從12℃降至3℃，進(jìn)風(fēng)側(cè)從-16.7℃升至2℃，對(duì)數(shù)平均溫差如下：

ΔTm=(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)

(4)

式中，ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差；ΔT1為兩側(cè)較大溫差，取19.7℃，ΔT2為兩側(cè)較小溫差，取10℃；計(jì)算可知對(duì)數(shù)平均溫差為14.3℃。以蒸發(fā)側(cè)為基準(zhǔn)的光管傳熱面積為：

Fh=Q0/(ΔTm×Uh)

(5)

式中，F(xiàn)h為蒸發(fā)側(cè)光管面積，m2；Q0為井口防凍負(fù)荷，2860.8kW；ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差，取14.3℃；Uh為傳熱系數(shù)，取366.5W /(m2·K)。計(jì)算可知，蒸發(fā)側(cè)光管面積為545.89m2。

熱管總數(shù)量確定如下：

n=Fh/(π×do×L1)

(6)

式中，n為熱管數(shù)量，根；Fh為蒸發(fā)側(cè)光管面積，545.89m2；do為熱管外徑，取0.025m；L1蒸發(fā)側(cè)長度，取2.2m。計(jì)算可知，熱管數(shù)量取整為3160根；根據(jù)前文確定的橫向間距和迎風(fēng)面寬度，換熱裝置每排為228或229根，取整后共計(jì)14排。

2.4 主要設(shè)備配置

2.4.1 熱管換熱裝置

熱管換熱裝置迎風(fēng)面寬度16m，有效換熱長度4m(蒸發(fā)段2.2m、冷凝段1.8m)，考慮絕熱段及兩端固定，熱管總長度定為4.2m。為方便加工、運(yùn)輸及安裝，本系統(tǒng)按8個(gè)模塊配置。換熱裝置共計(jì)14排，考慮清洗維護(hù)可按5排—4排—5排三組布置，中間預(yù)留兩個(gè)0.5m清洗通道，每一組0.5m、換熱裝置總長2.5m。單個(gè)模塊每排28根或29根、共14排，三角形交叉布置，橫向和縱向間距分別為70mm和60.5mm。綜上，換熱裝置工藝參數(shù)見表2。

表2 熱管換熱裝置的工藝參數(shù)

2.4.2 阻力平衡風(fēng)機(jī)

1)換熱裝置風(fēng)阻計(jì)算。該系統(tǒng)分為8個(gè)模塊，每個(gè)模塊流量見表2。由熱管工藝參數(shù)，可求得蒸發(fā)側(cè)NFAh和冷凝側(cè)NFAc的流通面積分別2.68m2和2.13m2。由模塊設(shè)計(jì)流量，可求得兩側(cè)質(zhì)量流速Gh和Gc分別為8.06kg/(m2·s)和8.87kg/(m2·s)。蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)的壓降根據(jù)下式計(jì)算：

f=18.93(d0G/μ)-0.316(S1/d0)-0.927(S1/S2)0.515

(7)

ΔP=f(NG2)/(ρg)

(8)

式中，所有符號(hào)意義參見上文。經(jīng)計(jì)算蒸發(fā)側(cè)阻力30.65mm水柱，冷凝側(cè)阻力32.62mm水柱；經(jīng)單位換算后蒸發(fā)側(cè)壓降300.4Pa，冷凝側(cè)壓降319.7Pa。

2)平衡風(fēng)機(jī)選型。該系統(tǒng)基于原有通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，通風(fēng)系統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)(主扇)的風(fēng)壓均在數(shù)千帕以上，出口富裕度較大，而新增系統(tǒng)的阻力主要集中在換熱裝置上。為保證換熱時(shí)風(fēng)流的均勻性，風(fēng)機(jī)配置按照和換熱模塊一一對(duì)應(yīng)的原則，即蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)配置風(fēng)機(jī)各8臺(tái)。

根據(jù)上文設(shè)計(jì)風(fēng)量和計(jì)算風(fēng)阻，平衡風(fēng)機(jī)參數(shù)見表3。

表3 平衡風(fēng)機(jī)的選型參數(shù)

2.4.3 其他設(shè)備選型

該系統(tǒng)為新型工藝，為安全起見系統(tǒng)另配置電輔熱設(shè)備，電功率按照400kW計(jì)，故選用2臺(tái)200kW風(fēng)道型電輔熱設(shè)備，每臺(tái)又分為4組、共8組(每組50kW)。輔熱設(shè)備外形根據(jù)風(fēng)道尺寸確定，外形尺寸為420mm×2400mm×2400mm，兩臺(tái)交錯(cuò)布置。

該系統(tǒng)用電設(shè)備包括16臺(tái)風(fēng)機(jī)和2臺(tái)200kW電輔熱，總計(jì)功率576kW，選用型號(hào)KYN-28A-12高壓柜1臺(tái)、SCB-10-630kVA干式變壓器1臺(tái)及配套電容柜及饋電柜。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

該系統(tǒng)于2018年12月底基本完工，由于鍋爐已拆除且正處于冬季嚴(yán)寒時(shí)期，系統(tǒng)尚未驗(yàn)收即投入運(yùn)行，當(dāng)年系統(tǒng)正常、運(yùn)行平穩(wěn)。待3月份供暖結(jié)束后，配套監(jiān)控和收尾工程安裝完畢，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)2019—2020年供暖期的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)量分析

通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，該工藝改變了通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)流流向并新增了部分阻力，所以必須確定是否對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)造成影響，可從兩個(gè)角度進(jìn)行分析。

1)該系統(tǒng)引入礦井回風(fēng)后，通過通風(fēng)機(jī)房主扇監(jiān)控平臺(tái)發(fā)現(xiàn)：電壓及風(fēng)壓等參數(shù)無波動(dòng)，電流增加了2A，該系統(tǒng)對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)基本未造成影響。

2)通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)風(fēng)速在監(jiān)測時(shí)刻為9.8m/s和7.6m/s左右。計(jì)算可知：回風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)量分別為7938m3/min和5472m3/min，這和設(shè)計(jì)相比兩側(cè)風(fēng)量均有所減少。

通過分析：回風(fēng)量降低幅度僅有5%，原因在于擴(kuò)散塔封閉結(jié)構(gòu)存在漏風(fēng)現(xiàn)象。進(jìn)風(fēng)量減少幅度達(dá)18.7%，原因在于所配風(fēng)機(jī)通常不予開啟，同時(shí)受新增風(fēng)道阻力影響，兩者造成進(jìn)風(fēng)量減少。

3.2 換熱效果分析

該監(jiān)控系統(tǒng)可記錄并保存至少一個(gè)采暖季的運(yùn)行參數(shù)，通過歷史記錄隨機(jī)查詢了2019年12月30日至2020年1月14日每天7：00的溫度數(shù)據(jù)，并繪制曲線如圖2所示。

圖2 整體式熱管換熱技術(shù)溫度監(jiān)測曲線圖

通過分析：經(jīng)隨機(jī)取樣數(shù)據(jù)，室外進(jìn)風(fēng)在-0.5℃至-15℃之間，通過換熱后進(jìn)風(fēng)溫度均在2℃以上，尤其當(dāng)最低-15℃接近設(shè)計(jì)最低值時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度2.2℃也達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。礦井回風(fēng)溫度變化不大、基本不超過12℃，回風(fēng)溫差隨著進(jìn)風(fēng)溫差的增大而增大，呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性。由取樣數(shù)據(jù)可知，進(jìn)風(fēng)平均溫差9.6℃，回風(fēng)平均溫差4.7℃，一方面在于回風(fēng)量大于進(jìn)風(fēng)量外，另一方面在于該工藝運(yùn)行過程中能夠充分回收回風(fēng)中的大量潛熱。

4 結(jié) 論

1)系統(tǒng)投運(yùn)以來，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量和預(yù)期設(shè)計(jì)風(fēng)量有所減少；但主通風(fēng)機(jī)除電流增加2A外，其他監(jiān)測參數(shù)未有變化，該工藝對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)基本不造成影響。

2)從供暖效果來看，在室外氣溫最低-15℃且電輔熱不開啟時(shí)，進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫能夠達(dá)到2℃以上。受人為因素干預(yù)，電輔熱時(shí)常部分開啟，故進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫經(jīng)常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超2℃。

3)從節(jié)能效果來看，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)機(jī)88kW(11kW×8臺(tái))受人為控制一般情況下不予開啟，回風(fēng)側(cè)88kW(11kW×8臺(tái))常年運(yùn)行，故系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行功率除電輔熱外為88kW。這與燃煤熱風(fēng)爐每年至少消耗2800t原煤相比，該系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保，同時(shí)基本免于維護(hù)。

4)盡管系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但還有待進(jìn)一步完善，主要有：針對(duì)系統(tǒng)增加風(fēng)阻導(dǎo)致的風(fēng)量減少，應(yīng)進(jìn)行更為詳盡測試并從定量上分析研究，確保進(jìn)風(fēng)量和投運(yùn)之前基本一致；針對(duì)換熱效果，室外溫度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)最低-16.7℃，極端天氣換熱效果有待進(jìn)一步論證。

5)由于該系統(tǒng)配置了電輔熱設(shè)備，即使極端更低氣溫?zé)o法保證，但仍可預(yù)期該系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，故為安全起見類似項(xiàng)目建議增設(shè)一定容量的電輔熱設(shè)備。