目前，在煤礦的開(kāi)采中通風(fēng)是十分重要的，礦井需里的通風(fēng)量大且通風(fēng)溫度常年基本維持20℃左右不變，而且隨著深度的增加礦井回風(fēng)的風(fēng)溫在不斷升高。因此礦井回風(fēng)中蘊(yùn)含有巨大的低溫?zé)崮堋?/span>

當(dāng)?shù)孛嫘迈r風(fēng)流送入進(jìn)風(fēng)井筒以后，供給工作面新鮮空氣的同時(shí)也吸收來(lái)自沿程圍巖散熱、機(jī)械設(shè)備散熱、煤體氧化、人員等方面的散熱，當(dāng)風(fēng)流從回風(fēng)井排出時(shí)，礦井回風(fēng)的溫度比進(jìn)風(fēng)高出許多，加之礦井回風(fēng)量大，因此，礦井回風(fēng)中蘊(yùn)藏著大量的低溫?zé)崮?，而這部分熱能未被利用，直接排到大氣，會(huì)造成熱能的極大浪費(fèi)。

如果以礦井回風(fēng)作為低溫?zé)嵩?，分別利用分離式熱管和重力式技術(shù)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫母邷責(zé)嵩?，用于滿足井筒防凍，則會(huì)是一個(gè)很好的作用。

現(xiàn)階段煤礦通風(fēng)換熱分析

在冬季，礦井作業(yè)通過(guò)鍋爐提供熱源以井筒防凍要求。這樣，不僅消耗大量煤炭，而且煤煙造成環(huán)境污染；在夏季，井筒降溫通常會(huì)采取通風(fēng)降溫、控制井下熱源方式、機(jī)械制冷水降溫、人工制冰降溫及空氣壓縮制冷降溫等技術(shù)降低工作面風(fēng)流溫度。

采用的熱泵技術(shù)提取回風(fēng)中的熱量，通過(guò)熱泵機(jī)組等配套設(shè)備將其轉(zhuǎn)移到進(jìn)風(fēng)井筒處，但對(duì)于進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井距離較遠(yuǎn)的工礦地區(qū)或分散通風(fēng)的礦井來(lái)說(shuō)，如果將回風(fēng)輸送到新風(fēng)井附近，無(wú)疑需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的運(yùn)輸風(fēng)道，不僅增加設(shè)備的投資，而且會(huì)使礦區(qū)管道更加復(fù)雜;同時(shí)，在輸送過(guò)程中，必然會(huì)存在熱能的損失，使回收效果降低。

熱管換熱器在礦井回風(fēng)余熱中的應(yīng)用

1 分離式熱管換熱器應(yīng)用

針對(duì)上述問(wèn)題，且對(duì)于進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井距離較遠(yuǎn)的工礦地區(qū)而言，對(duì)于進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井處在同一個(gè)工業(yè)場(chǎng)地的礦區(qū)，可利用重力式熱管換熱器，本文提出可利用分離式熱管換熱器回收礦井回風(fēng)余熱來(lái)達(dá)到井筒防凍的效果。

1.1 應(yīng)用方案簡(jiǎn)述

分離式熱管換熱器系統(tǒng)如圖1、圖2所示：

圖1 分離式熱管換熱器剖面圖

冬季運(yùn)行時(shí)，礦井回風(fēng)順著擴(kuò)散塔引至熱管熱器蒸發(fā)段，熱管中工作液體受熱蒸發(fā)，蒸汽在壓力差的作用下順著上升管流入換熱器冷凝段放出汽化潛熱，回風(fēng)放出汽化潛熱后溫度降低，順著排風(fēng)風(fēng)道排至大氣。新風(fēng)管道引至換熱器冷凝段吸收汽化潛熱達(dá)到預(yù)熱目的，加熱后的空氣溫度升高到規(guī)定溫度以上，沿著進(jìn)風(fēng)風(fēng)道最終送入井筒內(nèi);冷凝后的工作液體在重力的作用下，順著下降管回流到蒸發(fā)段的液池當(dāng)中。只要有加熱源，這一過(guò)程就會(huì)循環(huán)進(jìn)行。

圖2 分離式熱管換熱器俯視圖

如圖2所示，冷凝段可以設(shè)置多臺(tái)換熱器并聯(lián)安裝，蒸汽順著上升管分流至不同換熱器的冷凝段，分別冷凝后再沿著下降管統(tǒng)一回流至換熱器的蒸發(fā)段。因此可靈活調(diào)整冷凝段換熱器的面積和擺放位置。

各個(gè)換熱器冷凝段的下聯(lián)箱均裝有不凝結(jié)氣體分離管，上面裝有排氣閥，定期打開(kāi)排氣閥可將不凝結(jié)性氣體排出，保證換熱器安全運(yùn)行。

1.2 方案優(yōu)勢(shì)分析

a) 熱流空氣通過(guò)熱管的蒸發(fā)段管壁和冷凝段管壁直接將熱量傳給冷流空氣，避免了普通換熱器通過(guò)第三方換熱介質(zhì)傳熱所造成的熱能損失，提高換熱效率;

b) 由于其蒸發(fā)段和冷凝段分開(kāi)，可以避免制造很長(zhǎng)的輸送風(fēng)道。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[8]，蒸發(fā)段和冷凝段的距離可達(dá)上百米乃至數(shù)百米，這一點(diǎn)對(duì)于礦上場(chǎng)地?fù)頂D，或進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井距離相對(duì)較遠(yuǎn)的工礦地區(qū)來(lái)說(shuō)，具有更大的意義;

c) 與常規(guī)的熱管換熱器相比，分離式熱管的蒸汽在冷凝段中自上而下與液膜同向流動(dòng)，可以避免單管式長(zhǎng)熱管換熱器易于出現(xiàn)的攜帶極限。因此相同換熱情況下，可以選擇更小直徑的管子做傳熱管，保證裝置的緊湊性;

d) 冷、熱流體完全隔離，可以大幅度地改變冷凝側(cè)或蒸發(fā)側(cè)面積來(lái)調(diào)整熱流密度，進(jìn)而調(diào)整熱管管壁溫度，使其保證在低溫流體的露點(diǎn)以上，從而可防止有腐蝕性氣體的露點(diǎn)腐蝕，保證設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行;

e) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和位置布置簡(jiǎn)單靈活，可以方便實(shí)現(xiàn)順、逆流的混合分布，同時(shí)可以設(shè)置多個(gè)冷凝段，將其并聯(lián)使用，對(duì)不同環(huán)境的冷源分別加熱，可完全適應(yīng)不同礦區(qū)的各種要求。

2. 重力熱管換熱器用于礦井回風(fēng)余熱的回收

對(duì)于進(jìn)風(fēng)井和回風(fēng)井處在同一個(gè)工業(yè)場(chǎng)地的礦區(qū)，可利用重力式熱管換熱器，在冬季將礦井回風(fēng)中余熱進(jìn)行回收，預(yù)熱進(jìn)風(fēng)井筒;同時(shí)，在夏季時(shí)經(jīng)過(guò)閥門(mén)轉(zhuǎn)換后，將回風(fēng)當(dāng)做冷源使用，達(dá)到冷卻進(jìn)風(fēng)井筒，降低熱害的效果。

2.1 應(yīng)用方案簡(jiǎn)述

重力式熱管換熱器系統(tǒng)如圖3、圖4所示。

圖3 重力式熱管換熱器剖面圖

1.回風(fēng)風(fēng)道;2.進(jìn)風(fēng)風(fēng)道;3.重力式熱管換熱器;4.排風(fēng)風(fēng)道;5.新風(fēng)風(fēng)道;11、12、21、22、41、42、51、52.各風(fēng)道內(nèi)閥門(mén)

圖4 重力式熱管換熱器俯視圖

1.回風(fēng)風(fēng)道;2.進(jìn)風(fēng)風(fēng)道;3.重力式熱管換熱器;4.排風(fēng)風(fēng)道;5.新風(fēng)風(fēng)道;11、12、21、22、41、42、51、52.各風(fēng)道內(nèi)閥門(mén)。

冬季工況下：閥門(mén)12、21開(kāi)啟，11、22關(guān)閉;同時(shí)，42、51開(kāi)啟，41、52關(guān)閉。礦井回風(fēng)順著回風(fēng)風(fēng)道1引至第三主風(fēng)道03，并以一定的風(fēng)速橫向掠過(guò)換熱器的蒸發(fā)段。液池中的工作液體受熱蒸發(fā)，蒸汽在壓力差作用下向上流入熱管較冷的冷凝段，放出汽化潛熱;回風(fēng)放出汽化潛熱后溫度降低，沿著第四主風(fēng)道04進(jìn)入排風(fēng)風(fēng)道4，最終排至大氣或作為其它方式的熱源繼續(xù)使用;室外的冷空氣順著新風(fēng)管道5到達(dá)第二主風(fēng)道02，吸收汽化潛熱，達(dá)到預(yù)熱目的;加熱后的空氣溫度升高到規(guī)定溫度以上，沿著第一主風(fēng)道01進(jìn)入進(jìn)風(fēng)風(fēng)道2，最終送入井筒內(nèi);冷凝后的工作液體在重力的作用下，回流到蒸發(fā)段的液池當(dāng)中。只要有加熱源，這一過(guò)程就會(huì)循環(huán)進(jìn)行。

夏季工況下：閥門(mén)11、22開(kāi)啟， 12、21關(guān)閉;同時(shí)，41、52開(kāi)啟， 42、51關(guān)閉。新風(fēng)溫度較高，蘊(yùn)含大量低溫?zé)崮?相反，回風(fēng)側(cè)溫度較低，可吸收新風(fēng)的熱量以達(dá)到冷卻新風(fēng)的目的。工作原理與冬季相似，在此不再贅述。

2.2 方案優(yōu)勢(shì)分析

a) 本方案將礦井回風(fēng)與井筒進(jìn)風(fēng)結(jié)合在一起進(jìn)行熱交換，在冬、夏季分別達(dá)到預(yù)熱和冷卻進(jìn)風(fēng)井筒效果;

b) 因?yàn)槔?、熱流體不同時(shí)流過(guò)同一換熱器壁面，所以熱管壁面不易損壞，大大增強(qiáng)了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行;

c) 流體是在熱管外壁橫掠換熱，再加上翅片的存在，因此氣流的擾動(dòng)性加強(qiáng)，可有效防止積灰;同時(shí)熱管壁溫高，管外始終呈干燥狀態(tài)，不會(huì)結(jié)膜也不易粘附煙灰等，所以可有效防止堵塞;

d) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊占地空間小，布置簡(jiǎn)單靈活，特別是對(duì)進(jìn)風(fēng)井與回風(fēng)井位于同一工業(yè)場(chǎng)地的中央并列式或區(qū)域通風(fēng)式的礦井來(lái)說(shuō)，可以減少過(guò)長(zhǎng)的風(fēng)道造成的初投資增大和熱能的損失。

在節(jié)能減排的大政策指引下，尋求更加低碳環(huán)保的方法來(lái)進(jìn)行礦井中通風(fēng)換熱勢(shì)在必行。熱管換熱器因其高效換熱、靈活布置、無(wú)耗能等優(yōu)點(diǎn)，必然會(huì)在通風(fēng)換熱領(lǐng)域大展拳腳。