1、矿井回风余热利用系统的应用与改进呼鹏举（国家能源集团 神东煤炭集团 锦界煤矿，陕西 榆林）摘 要：本文以锦界煤矿回风余热利用系统为对象，对热管工作原理、结构特征、项目组成进行了简要概述，重点对热管系统的可行性进行了论证，同时就项目建设过程中存在的问题进行了深入分析，根据现场的实际情况，提出了改进方案，应用过程中对系统热量转换、风量变化等数据进行了采集分析，初步认为改进后的系统运行平稳，系统结构更为合理，基于原有设计形成了一套完整独特的技术方案。通过经济指标的分析，系统在环保和节能方面具有一定使用价值。关键词：新型热管；热量转换；采暖负荷；解决方案中图分类号：文献标识码：文章编号：（）热管技术问
2、世以来，先后应用于航天、电子工业等领域。随着技术的不断发展，该技术在工业其他领域得到了广泛的应用，同时该技术在热量收集、交换和释放方面的特点使其在环保领域具有极大的优越性，但新型热管技术在热交换领域的应用较少，所以鲜有在节能降耗方面进行尝试。神东锦界煤矿 风井远离主工业广场，进风井供暖原采用 台 燃煤热风炉提供热源，随着绿色矿井建设，锦界煤矿采用新型热管技术进行回风余热的回收利用，为井口防冻提供热源，在实现绿色环保的同时，达到节能减排的目的。新型热管技术热管是一种新型的传热元件，通过管内介质的相变实现热交换。图 热管结构原理 工作原理热管主要由热管管壳、吸液芯、工质等部分组成。如图 所示。热管
3、按照工作过程可分为三个部分，即蒸发段、绝热段和冷凝段。蒸发段的液态工质吸收热源的热量后在气液分界面上迅速汽化，气态工质在微小的压差下经绝热段迅速到达冷凝段，冷凝段的气态工质在向被加热的介质放出热量后迅速冷凝成液态，液态工质经吸液芯回流至蒸发段，再次在蒸发段吸热汽化，完成热交换。热管技术特性由于热管是一个通过工质的相变完成热量传导和交换的过程，热管技术具有如下特点：高导热性。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。优良等温性。热管内的蒸汽处于饱和状态，一定的饱和蒸汽温度对应饱和蒸汽压力，饱和蒸汽从蒸发段
4、流向冷凝段产生的压降很小，温降亦很小，热管具有优良的等温性。热流密度可变。热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者热管可以较大的传热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样即可改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热问题。热流方向可逆。一根水平放置的有芯热管，由于内部循环动力是毛细力，任意一端受热都可作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。热二极管与热开关性能。热管可作为热二极管或热开关，所谓的热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于
5、这一温度时，热管就不传热。恒温性。普通热管的各部分热阻基本上不随输入热量的变化而变化，当输入的热量有变化时，热管各部分的温度发生变化。但随着技术的进步，人们发展了另一种热管 可变热管，该热管使冷凝段的热阻随输入热量的增加而降低，随输入量的减少而增加，这样可使热管在输入热量大幅度变化的情况下，使蒸汽温度发生极小的变化，以实现温度的控制，这就是热管DOI:10.13487/ki.imce.022890的恒温特性。厂区环境工况锦界煤矿 风井广场地面夏季最高温度，冬季极端最低温度达，年平均气温为。冬季回风温度达，湿度。年采暖天数。热管系统可行性论证新型热管热量回收系统，是利用热管中的工质相变回收矿井乏
6、风中的低焓热能，通过间壁换热实现气气直换方式提取乏风热能并交换给矿井新风，将矿井新风由室外温度加热到所需温度（井口房混合温度不低于），以保障矿井井筒冬季生产安全。依据锦界煤矿 风井广场历年的气象条件和供热要求，项目初设时提出了热量回收技术指标，如表 所示。表 项目设计指标名称参数回风侧风流量 回风进口温度回风出口温度新风侧风流量 新风进口温度新风出口温度风速 冷侧压损热侧压损回风出口湿度回风进口湿度 根据回风侧温度设计指标可以计算出通过热管回风散发的热量：（）（）式中：回风散热量，；、湿空气焓值，时湿度，时湿度，湿空气焓值分别为、。（）（）（）式中：回风侧湿空气质量，；空气密度，；回风侧风流量
7、，；湿空气焓湿：湿度 时取。由式（）、式（），可得：（）进风井采暖热负荷可由下式得出：（）（）式中：矿井送风热负荷，；干空气的定压比热容，（）；空气密度，；进风井进风量，；、供暖计算温度，分别取、。由式（）可得出满足 风井进风温度要求的热量为：（）根据计算结果可以论证，通过回收矿井乏风中的热能加热进风井的新风，可以满足进风井温度不低于的要求，若热管转换热能效率按 计算，系统还可提供 的热量裕度。项目概述 系统组成锦界煤矿 风井热管项目主要包括新型热管热能回收系统、风阻平衡系统、电辅助加热系统模块、冷凝水及清洗水回收系统、输配电系统、自动控制系统、非供热季节通风系统转换模块、风道栈桥和井口房。系
8、统选用 型热管换热器 组，总换热功率可达。主通风机的乏风由风道引入等静压的配风室，风道内安装 台 导流风机，风流经过热管换热器的蒸发侧通道，当乏风的低焓热量经热管蒸发段吸收后进行集中扩散排放。新风通过热管换热器的冷凝侧通道，与热管冷凝段进行热量交换，将热管蒸发段吸收的低焓热量在冷凝段充分吸收，实现对室外新风的加热。加热的新风由新风风道引入进风井，风道中同样安装 台 平衡风机以减少风阻。在热管系统运行期间，遇到极端严寒天气时，为保证进风井温度不低于，进风风道入口处安装 套 电辅热系统，当系统检测到进风井温度低于临界值时，根据实际情况自动开启电辅热，通过电加热辅助维持井口的温度以满足要求。系统配备
9、了非供热季节通风系统转换模块，该模块是一个安装于回风塔顶部的风道密封门，采用液压驱动进行自动启闭。在冬季密封门处于关闭状态时，矿井回风经引风风道提取热量后，排入大气。在春、夏、秋非采暖季节时，密封门处于开启状态，不影响风机正常运行和日常检修。系统还配备热管自动清洗装置，形成的清洗废水与冷凝水一同排往就近的注浆管路，不对环境产生污染。系统运行存在问题系统于 年 月投用，试用期间主要存在以下问题：热管换热装置换热率低。平均热转换温度差为，热转换效率仅为，特别是当温度降至以下时，换热效率极低。同时由于主通风机扩散塔处的风道接口无保暖措施，导致出口风流的热量损耗较大。风道风流不畅。乏风、新风风道内虽然
10、配备了导流平衡风机，但由于风机位置、热管换热装置布置不合理，导致风道内风流不畅，风阻增大，使主通风机效率降低了。系统投用后，主通风机的运行电流增幅明显。热量衰减。新风经热管换热装置吸收热量后，仍需经过一段空管风道，热量衰减和损耗较大，导致进风立井处温度较低。整个乏风热量系统的风道外罩采用普通钢板焊接而成，由于隔热材料选择的不合理，起不到保温效果。同时，因为新型热管的布局问题，整个新风进风道长达 余米，进风道过长影响热量的保存。系统检修门开设的位置和质量对系统保温效果也有影响，开设的位置较随意，质量不高，导致系统漏风严重。风道断面设计不合理。系统回风侧风道断面约，小于主通风机扩散塔断面。进风侧断
11、面约，较进风立井断面小，增大了通风阻力，加之风道中布置有平衡风机，在阻碍风流流动的地方极易产生涡流现象。电辅热系统安装位置不合理。在初步设计方案中，电辅热系统安装在新风进风口处，电辅热系统开启后，一方面会影响热管换热装置的工作效率，另一方面电辅热系统离进风立井较远，加热效果较差，遇到极寒极端天气，电辅热系统无法发挥作用，易导致井口及井下冰冻现象的发生。解决方案对投用期间存在的问题进行分析，结合锦界煤矿 风井的现场条件，从改善风道风流、增加进风井口环保热源、调整电辅热系统位置等方面对系统进行了改造。乏风侧安装导流风机。由上述数据可以看出，系统对矿井进风的影响不大，主巷道进风量可通过其他副井调节进
12、风，以满足进风量的要求。热管装置对矿井回风的影响较大，在主通风机能力满足矿井整体风量要求的条件下，建议拆除进风侧的平衡风机，减少一部分通风阻力。在设计时考虑预留平衡风机的安装位置或在乏风后室布置引风机。同时，在设计乏风风室的结构时考虑布置导流板，或者是在回风风道平衡风机上增设导流风筒为热管设备均匀分配乏风风量，使回风最大程度地通过热管蒸发段，提高热管换热效率。改变电辅热系统的安装位置。将电辅热系统安装位置调整到进风立井处，使其更接近井口，消除对热管换热装置的影响，最大程度发挥电加热装置的作用，保障极端天气进风井的温度符合要求。增加环保热源。风井广场压风机房的余热较多，在设备运行期间，空压机房室
13、内温度高达，冬季室内散热问题比较棘手，将该部分余热传至进风立井内，不但解决了该问题，也为进风立井提供了稳定的环保热源。环保热源在解决进风井热量不足问题的同时带来了一定的风险，环保热源稳定性得不到保障，当热源故障甚至是热源场所发生火灾时，产生的有毒有害气体会直接被抽到井下，危害井下人员的安全和健康。因此，需要在热源风道中增加烟雾、一氧化碳等有毒有害气体的检测传感器，并与风道闸门联动，一旦发生超限，立即关闭风道闸门，切断隐患，并在系统内报警。为保证井口温度达标，还需要增加备用热源，锦界煤矿在原有热风幕风道内增加了 组电辅热系统，当环保热源无法达到使用条件时，开启增加的电辅热系统，保证井下温度达到使
14、用条件。总结采用新型热管技术回收矿井乏风中的低温热能，可以完全替代煤矿风井广场燃煤热风炉，系统可实现自动化控制、无人值守功能。系统投用后，不但节省了运行费用，还减少了原煤消耗，减排二氧化碳，减排二氧化硫，减排氮氧化物，减排粉尘颗粒物，具有显著的经济和环保效益。新型热管技术将乏风余热进行利用，在热能回收利用方面意义重大，从运行数据来看，单套热管换热系统完全可应用于我国南方矿井，但对于北方矿井，特别是存在极端极寒天气的地方，仍需在增加环保热源、合理布置设备位置、增大风道通风断面等方面进行合理改善和调整。参考文献：黄秀勇，王军，王金平，等翅片热管式真空集热管的热性能研究太阳能学报，（）：李红传，纪献兵，周冬冬，等泡沫金属毛细芯热管热性能实验研究中南大学学报（自然科学版），（）：张劲草，辛公明，陈岩，等蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响化工学报，（）：毕晓华矿井水余热利用技术在赵固一矿的设计与应用能源与环保，（）：赵聪，王凯矿井水余热利用技术在太平煤矿的开发应用山东煤炭科技，（）：吴夫军，张登岭矿山井下热能综合利用实践黄金，（）：作者简介：呼鹏举（），男，陕西神木人，硕士，工程师，研究方向：煤矿供配电。