專利名稱：一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)的制作方法
一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于余熱資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種以煤礦的礦井涌水和礦井排風(fēng)作為熱泵低溫?zé)?、冷源的煤礦低位次生熱能的綜合利用系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭在中國(guó)的能源產(chǎn)業(yè)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的能源較多的依賴煤炭，自2001年以來(lái)中國(guó)煤炭需求年增長(zhǎng)率為12%，煤炭在中國(guó)的能源供給中的比例與數(shù)量占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位，煤炭行業(yè)也是中國(guó)首屈一指的戰(zhàn)略性行業(yè)。煤炭行業(yè)不僅為社會(huì)提供能源，同時(shí)煤炭的生產(chǎn)過(guò)程中也能耗巨大，現(xiàn)在煤炭?jī)?chǔ)量日益減少和人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益加強(qiáng)，促使人們要減少常規(guī)能源的消耗，尋找開發(fā)利用可再生能源作為常規(guī)能源的替代。
煤礦的低位次生熱能是伴隨著煤礦生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的熱能，主要是礦井涌水與礦井排風(fēng)。礦井在開采過(guò)程中，都會(huì)有一定的廢水涌入巷道，其水源主要是大氣降水、地表水、斷層水、裂隙水、含水層水和采空區(qū)積水，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)平均每開采It原煤需排放2t廢水，而且水量隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和開采時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)逐漸加大；同時(shí)，為保證煤礦的生產(chǎn)安全對(duì)礦井采掘工作面的人員進(jìn)行通風(fēng)就會(huì)產(chǎn)生大量的礦井排風(fēng)，煤礦的規(guī)模越大，礦井排風(fēng)的排風(fēng)量越大，排風(fēng)井?dāng)?shù)越多。中國(guó)多數(shù)煤礦的礦井水的常年溫度為22°C，礦井回風(fēng)流常年溫度在18 左右，濕度在90%以上，均是非常良好的低品位能源，特別是在我國(guó)的夏熱冬冷地區(qū)，可作為熱泵系統(tǒng)的冬、夏季的熱源與冷源使用一一在冬季作為低溫?zé)嵩粗迫?，供辦公、生活區(qū)的采暖、洗浴與生產(chǎn)區(qū)域的井口保溫使用；在夏季作為低溫冷源制取冷，供辦公區(qū)空調(diào)使用。這些低位次生熱能既可用來(lái)可替代地面熱水鍋爐與制冷機(jī)房，又可用來(lái)改善井下的溫度、濕度環(huán)境，從而降低和減少礦山企業(yè)冬季使用鍋爐所增加的能耗和污染與夏季制冷的電耗，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
中國(guó)專利2007200433M.X公開了一種礦井回風(fēng)熱能提取裝置，在礦井的排風(fēng)塔中設(shè)置噴淋裝置，使排風(fēng)的熱能轉(zhuǎn)移到水中，并以水作為水源熱泵的熱(冷)源。從原理上看，以這種方式從礦井排風(fēng)中提取熱量是可行的，但實(shí)際中還存在一些技術(shù)問題需要解決。 如現(xiàn)有礦井排風(fēng)塔的設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有考慮為噴淋換熱創(chuàng)造條件，實(shí)測(cè)的排風(fēng)塔風(fēng)速在10 25m/s之間?？諝飧咚倭鲃?dòng)的動(dòng)能，會(huì)將常規(guī)噴淋裝置噴出的水滴(霧)全部或部分吹出排風(fēng)塔，不僅大量失水，而且造成回收的熱量大量丟失，為克服這一缺點(diǎn)，只能采用大水流直淋的換熱方式；但是排風(fēng)塔的高度有限，直淋的換熱方式在較對(duì)小空間與時(shí)間內(nèi)完成換熱過(guò)程，熱交換過(guò)程并不充分，系統(tǒng)的高效率難于保證。雖然專利200920021263. 5為創(chuàng)造更合理的氣-水換熱進(jìn)行了工藝的改進(jìn)——利用水源熱泵提供的低溫冷水對(duì)全部礦井排風(fēng)進(jìn)行三級(jí)高密度的逆向噴淋，但是三級(jí)高密度的逆向噴淋的水苗阻力較大，影響了排風(fēng)塔的正常排風(fēng)，同時(shí)在排風(fēng)塔上設(shè)置了蓋板，改變了排風(fēng)井的結(jié)構(gòu)，涉及到了煤礦的生產(chǎn)人員的安全，也是排風(fēng)塔設(shè)計(jì)規(guī)范所不允許的。
綜上，現(xiàn)有煤礦低位次生熱能利用過(guò)程中普遍存在的工藝過(guò)程不適合現(xiàn)有的熱能利用設(shè)備換熱的工藝條件，而普遍存在的系統(tǒng)效率低、資源單一使用的不足。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)，可對(duì)礦井涌水和礦井排風(fēng)綜合利用，既適應(yīng)了礦井涌水和礦井排風(fēng)的工況，又將礦井涌水和礦井排風(fēng)實(shí)現(xiàn)搭配，互補(bǔ)使用，系統(tǒng)具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提出的一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)，特征在于不僅實(shí)現(xiàn)了礦井涌水的利用和礦井排風(fēng)的有效利用，還通過(guò)熱交換塔的直接接觸式換熱段的噴淋過(guò)程實(shí)現(xiàn)了礦井涌水和礦井排風(fēng)的搭配互補(bǔ)使用。
礦井涌水利用子系統(tǒng)的特征是由井下排水泵、沉降水池、旋流除砂器、加壓泵和水源熱泵組成的礦井涌水利用系統(tǒng)，這些設(shè)備通過(guò)管道順序相連，水源熱泵礦井水排出管道分為兩個(gè)分支，一個(gè)分支作為噴淋設(shè)備的供水管，另一分支作為礦井水的排水管，排水管上具有調(diào)節(jié)閥門，通過(guò)控制其開度就可以控制排水量與噴淋水量的比例。
礦井排風(fēng)利用子系統(tǒng)的特征是在已有的礦井排風(fēng)塔上，構(gòu)建有利于換熱工況的熱交換塔，熱交換塔可分為三段排風(fēng)擴(kuò)散段、排風(fēng)直接接觸式換熱段和排風(fēng)間接接觸式換熱段。其中，散流器安裝于排風(fēng)擴(kuò)散段；整流格柵安裝于排風(fēng)直接接觸式換熱段的下部，噴頭安裝于排風(fēng)直接接觸式換熱段的上部，并且在排風(fēng)直接接觸式換熱段的四周安裝有電動(dòng)旋起外窗；間接接觸式換熱段的入口處設(shè)置除塵擋風(fēng)板，將空氣源熱泵的蒸發(fā)器(或冷凝器) 安裝于排風(fēng)間接接觸式換熱段的內(nèi)部?？諝庠礋岜贸舭l(fā)器(或冷凝器)外，接于排風(fēng)間接接觸式換熱段的外部。
本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了礦井涌水的和礦井排風(fēng)這兩種煤礦低位次生熱能資源的綜合利用， 創(chuàng)新點(diǎn)在于利用了礦井涌水水源熱泵的排水，將礦井排風(fēng)在直接接觸式換熱段預(yù)先得到處理(除去煤塵與腐蝕性氣體)與熱利用，之后再通過(guò)空氣源熱泵的方式將礦井排風(fēng)進(jìn)一步利用。雙工況的水源熱泵與空氣源熱泵可將礦井涌水實(shí)現(xiàn)了溫降(溫升)利用，降低(升高)涌水溫度，為噴淋直接接觸式換熱過(guò)程制造了冷媒(熱媒)，可實(shí)現(xiàn)與礦井排風(fēng)的接觸式換熱，將礦井排風(fēng)的溫度降低(提升)。過(guò)程中不僅冷媒(熱媒)的溫度升高(降低)， 可循環(huán)使用，還可將礦井排風(fēng)溫度進(jìn)行預(yù)先降低(升高)，為下一步利用間接接觸式換熱創(chuàng)造了低溫，凈化了礦井排風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)了礦井排風(fēng)的大溫差深度利用。實(shí)際上對(duì)于礦井涌水的和礦井排風(fēng)的初溫大體上是相等的。過(guò)程中，首先將礦井涌水進(jìn)行了利用，礦井涌水溫降 (溫升)后，再噴淋于直接接觸換熱段。對(duì)于礦井排風(fēng)的直接接觸換熱相當(dāng)于預(yù)先生產(chǎn)了冷媒(熱媒)，將礦井排風(fēng)的熱利用分為了兩個(gè)階段一直接接觸式換熱與間接接觸式換熱， 從而實(shí)現(xiàn)了礦井排風(fēng)的大溫差，熱能的深度提取與利用。
本發(fā)明適應(yīng)了礦井排風(fēng)工況。通常按照礦井設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)與施工的排風(fēng)擴(kuò)散豎井，在實(shí)際的運(yùn)行中實(shí)測(cè)的排風(fēng)速度為10 25m/s之間。噴嘴噴出的水將有很大一部分要擴(kuò)散到空中，使得礦井排風(fēng)與噴淋水交換的熱量很大一部分沒有被利用。本發(fā)明通過(guò)新建換熱塔，在擴(kuò)散段將使熱交換塔的水力半徑擴(kuò)大2倍以上，橫截面積擴(kuò)大4倍以上，塔內(nèi)的風(fēng)速將降到2. 5 6m/之間。此風(fēng)速條件不僅有利于直接接觸式換熱過(guò)程，還與翅片管式換熱器的翅片側(cè)常用工況一致，接近于空調(diào)噴水室的空氣風(fēng)速。因此，新建的換熱塔使得礦井排風(fēng)的換熱工況得到了滿足，為穩(wěn)定的提取礦井排風(fēng)余熱創(chuàng)造了條件。另外，礦井安全規(guī)范規(guī)定，煤礦在生產(chǎn)過(guò)程中有不定期的反風(fēng)要求，本發(fā)明當(dāng)風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)窗將自動(dòng)由關(guān)閉狀態(tài)開啟，從而保障了煤礦煤礦安全生產(chǎn)的要求。
此外，新建換熱塔的換熱順序合理，先直接接觸式換熱，再間接接觸式換熱。因?yàn)椋?礦井的排風(fēng)一般含有一定的粉塵(小煤粒)與一定量的腐蝕性氣體。噴淋作用可以將其全部或大部分除去，防止堵塞與腐蝕間接式翅片管式換熱器。
因此本發(fā)明專利與中國(guó)專利200920021263. 5相比較，不僅進(jìn)一步適應(yīng)了礦井排風(fēng)的工況，還實(shí)現(xiàn)了礦井涌水與礦井排風(fēng)的綜合利用，不單單具有煤礦低位次生熱能熱利用的節(jié)能意義，同時(shí)還具有減少礦井排風(fēng)的粉塵與腐蝕性氣體排放的環(huán)保意義。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，工作原理與過(guò)程
本發(fā)明提出的一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)包括熱交換塔，礦井涌水利用子系統(tǒng)與礦井排風(fēng)利用子系統(tǒng)三部分組成。
熱交換塔設(shè)置在礦井已有的排風(fēng)塔1上，由從下至上依次連通的擴(kuò)散段2、直接接觸式換熱段3和間接接觸式換熱段4組成；其中，擴(kuò)散段2的入口處(下端)設(shè)置散流器5 ； 直接接觸式換熱段3的入口處設(shè)置整流格柵6，出口處設(shè)置噴淋管7和噴嘴8，直接接觸式換熱段3的壁面設(shè)有多個(gè)電動(dòng)窗10 ；間接接觸式換熱段4內(nèi)安裝有除塵擋水板19和銅管翅片管式換熱器20 ；排風(fēng)塔1底部設(shè)有集水坑11，集水坑11用管道與礦井涌水沉降池13 相連。
礦井涌水水源熱泵子系統(tǒng)包括礦井涌水沉降池13 ；通過(guò)管道連接于礦井涌水沉降池13上部的礦井涌水經(jīng)提升泵12 ；通過(guò)管道依次連接在礦井涌水沉降池13的下部出水口的旋流除污器14、噴淋循環(huán)泵15和水源熱泵16 ；水源熱泵16的礦井涌水側(cè)的出水管道分為兩支，一支是連接噴淋管道7的供水管，另一支是安裝有調(diào)節(jié)閥17的排水管；通過(guò)調(diào)節(jié)閥17控制其開度就可以控制排水量與噴淋水量的比例；水源熱泵16另一側(cè)連接用戶側(cè)的供、回水管道。
礦井排風(fēng)空氣源熱泵子系統(tǒng)包括置于熱交換塔間接接觸式換熱段4入口處的除塵擋水板19以及置于間接接觸式換熱段4內(nèi)部的銅管翅片管式換熱器20，以及通過(guò)制冷劑管道與間接接觸式換熱段4相連的空氣源熱泵21，空氣源熱泵21的另一側(cè)連接用戶的供、 回水管道。
本發(fā)明系統(tǒng)的各部件的具體實(shí)現(xiàn)方式及功能分別說(shuō)明如下熱交換塔為磚混、鋼混結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)，可為立式或臥式結(jié)構(gòu)。其中的擴(kuò)散段2的橫截面為漸擴(kuò)的圓形、正方形或類似結(jié)構(gòu)，直接接觸式換熱段3和間接接觸式換熱段4橫截面可為圓形或矩形結(jié)構(gòu)。
擴(kuò)散段2入口處設(shè)置的散流器5采用鋼制、塑料或鋁合金材質(zhì)制成，為常規(guī)散流器產(chǎn)品，其中，擴(kuò)散段2的有效面積率為30 60%之間或擴(kuò)散角度為0 60°之間，散流器的葉片將集中的排風(fēng)按擴(kuò)散段2的擴(kuò)散角擴(kuò)散開，散流器的壓降與噪聲控制滿足常規(guī)散流器產(chǎn)品的國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)性能；
直接接觸式換熱段3的入口處設(shè)置的整流格柵6采用鋼制、塑料、玻璃鋼以及不飽和聚酯樹脂材料制作，柵格可為蜂窩、網(wǎng)格或圓孔形狀；出口處設(shè)置的噴淋管7為鍍鋅鋼管或塑料管，噴嘴8為滿足國(guó)標(biāo)技術(shù)要求的不銹鋼Y-l、BTL或FL型的常規(guī)技術(shù)產(chǎn)品，直接接觸式換熱段3的壁面設(shè)置的可隨礦井排風(fēng)風(fēng)機(jī)9 (采用常規(guī)礦井排風(fēng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)品)反轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)開啟的電動(dòng)窗10采用上旋窗，開窗器為鏈?zhǔn)交蛲戚S結(jié)構(gòu)；
本發(fā)明的集水坑11采用防水型的磚混、混凝土結(jié)構(gòu)或鋼板材質(zhì)內(nèi)襯防水材料制作，容量按照噴淋循環(huán)泵半小時(shí)流量計(jì)算；礦井涌水沉降池13采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，容量按照礦井排水泵的不小于兩個(gè)小時(shí)流量計(jì)算，以保證充分的沉降時(shí)間；
其中，整流格柵6中的平行板，對(duì)擴(kuò)散的礦井排風(fēng)進(jìn)行整流，使礦井排風(fēng)恢復(fù)流向，平行于平行板流動(dòng)。
間接接觸式換熱段4入口段安裝的除塵擋水板19采用一個(gè)“<”型波紋板的常規(guī)產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)除塵擋水板使礦井排風(fēng)的流動(dòng)方向發(fā)生改變，煤炭小顆粒與水粒子由于慣性被阻擋去除。內(nèi)部安裝的銅管翅片管式換熱器20采用大間距的銅管翅片管式換熱器，換熱器內(nèi)的制冷工質(zhì)為R22，R143a等制冷劑。本發(fā)明中的大間距銅管翅片管式換熱器的翅片間距為4 6mm，通常礦井排風(fēng)的粒徑為0. 5 Imm以下，翅片間距為煤粒徑4 8倍。采用V 字型排列的翅片管或W字型排列的翅片管或V字型與W字型排列的翅片管的組合。
水源熱泵16與空氣源熱泵21均采用可以制熱、制冷的常規(guī)雙工況熱泵的符合國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)產(chǎn)品，其中，空氣源熱泵21是分體式的，以便于銅管翅片管式換熱器置于間接接觸式換熱段4內(nèi)部，銅管翅片管式換熱器在空氣源熱泵的制熱工況時(shí)，作為蒸發(fā)器使用，在制冷工況時(shí)作為冷凝器使用。
礦井涌水水源熱泵子系統(tǒng)工作時(shí)，礦井涌水由提升泵12通過(guò)管道連接于礦井涌水沉降池13 ；礦井涌水沉降池13的下部出水口通過(guò)管道順序連接有旋流除污器14、噴淋循環(huán)泵15、水源熱泵16 ；水源熱泵礦井涌水側(cè)的出水管道分為兩支，一支是噴淋管道7的供水管，另一支是安裝有調(diào)節(jié)閥17的排水管；用戶側(cè)的供、回水管道分別與水源熱泵相連接。其中，提升泵12為符合技術(shù)要求與國(guó)標(biāo)的污水潛水泵的常規(guī)產(chǎn)品，噴淋循環(huán)泵15符合技術(shù)要求與國(guó)標(biāo)的立式或臥式水泵的常規(guī)產(chǎn)品，調(diào)節(jié)閥17為常規(guī)的具有等比例特性或拋物特性的手動(dòng)、自動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥門；旋流除污器14選用立式旋流結(jié)構(gòu)的國(guó)標(biāo)技術(shù)產(chǎn)品。
礦井排風(fēng)空氣源熱泵子系統(tǒng)工作時(shí)，將的銅管翅片管式換熱器20置于新建熱交換塔間接接觸式換熱段4的內(nèi)部，制冷劑管道分別與換熱器20及空氣源熱泵21相連，另一側(cè)用戶的供、回水管道分別與空氣源熱泵21相連接。
礦井涌水沉降池13的底部還可設(shè)有潛水排污泵18(常規(guī)產(chǎn)品)，可將沉積于池底的煤、泥顆粒及時(shí)的定期排除。
本發(fā)明提出的一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了礦井涌水和礦井排風(fēng)搭配，互補(bǔ)的綜合利用，而且提高了礦井涌水的利用率和適應(yīng)了礦井排風(fēng)的工況，具有節(jié)能，環(huán)保，高效的特點(diǎn)。
本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施例一，用于當(dāng)水源熱泵與空氣源熱泵均處于制熱狀態(tài)的冬季工況，其工作原理與過(guò)程為
礦井涌水通過(guò)水源熱泵子系統(tǒng)的利用過(guò)程為常年18°C的礦井涌水經(jīng)提升泵從井下提升到沉降池中，礦井涌水伴隨煤礦的開采過(guò)程產(chǎn)生，水中混有小的煤粒和灰塵，先在沉降池中沉降2個(gè)小時(shí)左右，被沉降下來(lái)的煤炭顆粒由沉降池底的潛水排污泵按時(shí)定期自動(dòng)排除。沉降后的礦井涌水經(jīng)過(guò)旋流除砂器進(jìn)一步的將涌水中的煤炭小顆粒清除，達(dá)到水源熱泵進(jìn)水水質(zhì)的要求后，作為水源熱泵的低溫?zé)嵩?，?jīng)過(guò)噴淋循環(huán)泵進(jìn)入水源熱泵的蒸發(fā)器制熱工況，蒸發(fā)器中的制冷機(jī)吸收礦井涌水的熱量，礦井涌水的溫度由18°C降為 12°C。在水源熱泵蒸發(fā)器中的制冷劑吸收了礦井涌水的熱量，利用壓縮機(jī)做功，將汽態(tài)的制冷劑變?yōu)橐簯B(tài)，溫度升高，通過(guò)冷凝器將熱量傳遞給用戶側(cè)，通常工況可制取進(jìn)口 40°C，出口 45°C的熱水，可應(yīng)用于寒冷地區(qū)提供辦公、生活區(qū)的采暖、洗浴與生產(chǎn)區(qū)域的井口保溫的熱水。
由于來(lái)自同一礦井的礦井涌水與礦井排風(fēng)的溫度基本一致或溫差穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，這就給二者的綜合利用提供了可能。本發(fā)明系統(tǒng)將設(shè)計(jì)工況降為12°C的礦井涌水， 通過(guò)調(diào)節(jié)閥門17控制排水量與噴淋水量的比例，將排水分為兩部分，一部分作為冷源水， 通過(guò)管道連接于換熱塔的直接接觸式換熱段的噴淋管和噴嘴；另一部分被排掉了，同常規(guī)水源熱泵技術(shù)。
礦井排風(fēng)是通過(guò)換熱塔的直接接觸式換熱段以及間接接觸式換熱段的空氣源熱泵子系統(tǒng)被分步加以利用的，其過(guò)程為
礦井排風(fēng)經(jīng)由排風(fēng)風(fēng)機(jī)的抽吸作用通過(guò)原有的礦井排風(fēng)塔，在新建的換熱塔中其余熱才會(huì)得到充分利用。因?yàn)榘凑盏V井設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的礦井排風(fēng)塔中的排風(fēng)速度很大，風(fēng)速一般為10 25m/s，不適宜直接或間接的換熱工況，所以先將礦井排風(fēng)引入熱交換塔的排風(fēng)擴(kuò)散段，排風(fēng)經(jīng)過(guò)散流器時(shí)，散流器的葉片將集中的排風(fēng)按計(jì)算得到的擴(kuò)散角度擴(kuò)散開。排風(fēng)在截面不斷擴(kuò)大的擴(kuò)散塔中的流速逐漸降低，當(dāng)熱交換塔的水力半徑擴(kuò)大2倍以上，橫截面積擴(kuò)大4倍以上，塔內(nèi)的風(fēng)速將降到2. 5 6m/之間。在此流速下，排風(fēng)攜帶液滴的能力降低，風(fēng)速接近于空調(diào)噴水室的設(shè)計(jì)風(fēng)速，可實(shí)現(xiàn)高效的直接接觸式換熱，同時(shí)此風(fēng)速也在組合式空調(diào)的設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)，亦可以實(shí)現(xiàn)高效的間接接觸式換熱。礦井排風(fēng)經(jīng)過(guò)排風(fēng)擴(kuò)散段后流速降低到設(shè)計(jì)熱交換塔有利于換熱過(guò)程的風(fēng)速后，才進(jìn)入直接接觸式換熱段。在直接接觸式換熱段的入口設(shè)有整流格柵，起到均勻排風(fēng)，為直接接觸式換熱過(guò)程創(chuàng)造良好工況條件的作用。
例如，在直接接觸式換熱段18°C的礦井排風(fēng)自下而上的與噴嘴8噴淋出的經(jīng)過(guò)熱量提取的12°C的礦井涌水實(shí)現(xiàn)逆流接觸式換熱過(guò)程。其中，噴嘴形式的選擇、噴淋水的粒徑與噴淋角度都需要根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)工況條件確定。在充分接觸的理想換熱條件下，礦井排風(fēng)被絕熱等焓的降溫加濕，出口溫度等于噴淋水的溫度12°C ；礦井涌水被礦井排風(fēng)加熱， 終溫等于礦井排風(fēng)的初溫18°C，落入排風(fēng)塔底部的集水坑。集水坑有管道與礦井涌水沉降池相連，吸收到礦井排風(fēng)的熱量的噴淋水與礦井涌水混合，進(jìn)入水源熱泵，實(shí)現(xiàn)再次循環(huán)利用。
在間接接觸式換熱段，被加濕的12°C的礦井排風(fēng)先要通過(guò)具有一個(gè)波紋結(jié)構(gòu)的除塵擋水板。因?yàn)殡m然經(jīng)過(guò)噴淋水的洗滌與吸附作用，排風(fēng)中的絕大部分煤炭顆粒與腐蝕性氣體會(huì)被去除。但是，由于排風(fēng)具有一定的流速，不僅會(huì)攜帶有少量的剩余煤炭小顆粒，還會(huì)攜帶有直接接觸式換熱過(guò)程產(chǎn)生的水粒子。經(jīng)過(guò)除塵擋水板使礦井排風(fēng)的流動(dòng)方向發(fā)生改變，煤炭小顆粒與水粒子由于慣性撞到除塵擋水板上，被阻擋從排風(fēng)中去除掉。凈化后的 12°C的礦井排風(fēng)再與空氣源熱泵的蒸發(fā)器換熱。在一定的換熱面積下，換熱量由蒸發(fā)器中的制冷劑的溫度決定，即通過(guò)控制制冷劑的溫度，可以得到需要降低的排風(fēng)溫度，為了防止制冷劑分配不均結(jié)霜，影響系統(tǒng)正常工作，通常排風(fēng)溫度不低于2°C。由于礦井排風(fēng)的一般相對(duì)濕度較大，相對(duì)濕度可達(dá)到90%左右，在經(jīng)過(guò)噴淋，相對(duì)濕度已經(jīng)接近100%，提取排風(fēng)余熱量的過(guò)程相當(dāng)于降溫除濕過(guò)程，因此將在蒸發(fā)器的表面凝結(jié)大量的水，對(duì)蒸發(fā)器的表面具有沖洗的自潔功能?？諝庠礋岜迷凑舭l(fā)器中的制冷劑吸收了礦井排風(fēng)的熱量，利用壓縮機(jī)做功，將汽態(tài)的制冷劑變?yōu)橐簯B(tài)，溫度升高，通過(guò)冷凝器將熱量傳遞給用戶側(cè)，制取進(jìn)口 40°C，出口 45°C的熱水，亦可應(yīng)用于寒冷地區(qū)提供辦公、生活區(qū)的采暖、洗浴與生產(chǎn)區(qū)域的井口保溫用熱水。
在本實(shí)施實(shí)例一中，對(duì)于礦井涌水與礦井排風(fēng)的利用過(guò)程與結(jié)果是對(duì)于水源熱泵子系統(tǒng)通過(guò)提取礦井涌水的余熱從18°C降至12°C，制取了進(jìn)口 40°C，出口 45°C的熱水； 12°C涌水一部分被排掉，另一部分作為余熱吸收載體，在熱交換塔中的直接接觸式換熱段吸收礦井排風(fēng)的余熱，在充分換熱的理想條件下，排風(fēng)溫度從18°C降至12°C，18°C噴淋水被重復(fù)循環(huán)利用，提取余熱，該過(guò)程同時(shí)起到了凈化排風(fēng)的作用。凈化后的排風(fēng)被空氣源熱泵可由12°C降到2°C，同時(shí)制取進(jìn)口 40°C，出口 45°C的熱水。
2、當(dāng)水源熱泵與空氣源熱泵均處于制冷狀態(tài)的夏季工況，其工作原理與過(guò)程為
對(duì)于礦井涌水與礦井排風(fēng)的利用過(guò)程與結(jié)果是對(duì)于水源熱泵子系統(tǒng)通過(guò)提取礦井涌水的溫度從18°C升至^°C，制取了進(jìn)口 12°C，出口 7°C的冷水，供給辦公區(qū)域空調(diào)使用。^rc涌水一部分被排掉，另一部分作為余冷吸收載體，在熱交換塔中的直接接觸式換熱段吸收礦井排風(fēng)的余冷，在充分換熱的理想條件下，排風(fēng)溫度從18°C升至^rc,噴淋水溫度降至18°c，再度被重復(fù)循環(huán)利用，提取余冷，該過(guò)程同時(shí)起到了凈化排風(fēng)的作用。凈化后的排風(fēng)被空氣源熱泵可由^rc升到35°C，同時(shí)制取進(jìn)口 12°C，出口 7°C的冷水，供給辦公區(qū)域空調(diào)使用。
3、當(dāng)水源熱泵與空氣源熱泵均處于過(guò)度季節(jié)，既可以制冷、又可以制熱的工況，其工作原理與過(guò)程又可以分為兩種工作狀況
一種是水源熱泵子系統(tǒng)制熱，空氣源熱泵子系統(tǒng)制冷工況，適用于過(guò)渡季節(jié)中制冷量大于制熱量的系統(tǒng)工作狀況。
在此工況下的工作原理為水源熱泵子系統(tǒng)利用礦井涌水作為低溫?zé)嵩粗迫崃?，屬于常?guī)的水源熱泵系統(tǒng)。但水源熱泵系統(tǒng)的排水溫度更低，有利于提高空氣源熱泵系統(tǒng)的制冷效率，這部分排水與礦井排風(fēng)一起作為空氣源熱泵子系統(tǒng)的低溫冷源。
工作過(guò)程為水源熱泵子系統(tǒng)通過(guò)提取礦井涌水的余熱從18°C降至12°C，制取了進(jìn)口 40°C，出口 45°C的熱水；12°C涌水一部分被排掉，另一部分作為余熱吸收載體，在熱交換塔中的直接接觸式換熱段吸收礦井排風(fēng)的余熱，升溫后18°C噴淋水被水源熱泵子系統(tǒng)重復(fù)循環(huán)利用提取余熱。排風(fēng)溫度從18°C降至12°C，排風(fēng)被空氣源熱泵提取冷量，可由12°C 升到^°C，空氣源熱泵制取進(jìn)口 12°C，出口 7°C的冷水。
另一種是水源熱泵子系統(tǒng)制冷，空氣源熱泵子系統(tǒng)制熱工況，適用于過(guò)渡季節(jié)中制熱量大于制冷量的系統(tǒng)工作狀況。
在此工況下的工作原理為水源熱泵子系統(tǒng)利用礦井涌水作為低溫冷源制取冷量，屬于常規(guī)的水源熱泵系統(tǒng)的制冷工況。但水源熱泵系統(tǒng)的排水溫度更高，有利于提高空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱效率，這部分排水與礦井排風(fēng)一起作為空氣源熱泵子系統(tǒng)的低溫?zé)嵩础?br> 工作過(guò)程為水源熱泵子系統(tǒng)通過(guò)提取礦井涌水的低溫冷量從18°C升至^°C，制取了進(jìn)口 12°C，出口 7°C的冷水涌水一部分被排掉，另一部分作為余熱，向礦井排風(fēng)散熱，降溫后18°C噴淋水被水源熱泵子系統(tǒng)重復(fù)循環(huán)利用提取余熱。排風(fēng)溫度從18°C升至，排風(fēng)被空氣源熱泵提取熱量，可由降到12°C，空氣源熱泵制取進(jìn)口 40°C，出口 45 °C的熱水。
可見，上述的兩種工況，都是以熱交換塔的直接接觸式噴淋換熱段為中心，將水源熱泵排水的余冷(第一種工況)或余熱(第二種工況)，均是比礦井排風(fēng)更好的冷源與熱源，從而讓空氣源熱泵子系統(tǒng)獲得了更好的換熱條件，實(shí)現(xiàn)了全熱回收，獲得了更高的工作效率，更節(jié)能。
權(quán)利要求
1.一種煤礦低位次生熱能資源化綜合利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包括熱交換塔，礦井涌水利用子系統(tǒng)與礦井排風(fēng)利用子系統(tǒng)三部分；熱交換塔設(shè)置在礦井已有的排風(fēng)塔上，由從下至上依次連通的擴(kuò)散段、直接接觸式換熱段和間接接觸式換熱段組成；其中，擴(kuò)散段的入口處設(shè)置散流器；直接接觸式換熱段的入口處設(shè)置整流格柵，出口處設(shè)置噴淋管和噴嘴，直接接觸式換熱段的壁面設(shè)有多個(gè)電動(dòng)窗；還包括在排風(fēng)塔底部設(shè)有集水坑；礦井涌水水源熱泵子系統(tǒng)包括礦井涌水沉降池；通過(guò)管道連接于礦井涌水沉降池上部的礦井涌水經(jīng)提升泵；通過(guò)管道依次連接在礦井涌水沉降池的下部出水口的旋流除污器、 噴淋循環(huán)泵和水源熱泵；水源熱泵的礦井涌水側(cè)的出水管道分為兩支，一支是連接噴淋管道的供水管，另一支是安裝有調(diào)節(jié)閥的排水管；通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制其開度就可以控制排水量與噴淋水量的比例；水源熱泵另一側(cè)連接用戶側(cè)的供、回水管道；礦井涌水沉降池還用管道與集水坑相連?？諝庠礋岜米酉到y(tǒng)包括置于熱交換塔間接接觸式換熱段入口處的除塵擋水板以及置于間接接觸式換熱段內(nèi)部的銅管翅片管式換熱器，以及通過(guò)制冷劑管道與間接接觸式換熱段相連的空氣源熱泵，空氣源熱泵的另一側(cè)連接用戶的供、回水管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣源熱泵是分體式的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述水源熱泵與空氣源熱泵均是能制熱、制冷的雙工況熱泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，在所述礦井涌水沉降池底部設(shè)有潛水排污泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于，所述銅管翅片管式換熱器采用大間距的銅管翅片管式換熱器，換熱器內(nèi)的制冷工質(zhì)為R22，R143a制冷劑；大間距銅管翅片管式換熱器采用V字型排列的翅片管或W字型排列的翅片管或V字型與W字型排列的翅片管的組合的翅片，翅片間距為4 6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1 5任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換塔為立式或臥式結(jié)構(gòu)；熱交換塔的擴(kuò)散段的橫截面為漸擴(kuò)的圓形或正方形結(jié)構(gòu)，直接接觸式 熱段和間接接觸式換熱段橫截面為圓形或矩形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種煤礦低位次生熱能資源化利用系統(tǒng)，屬于余熱資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括熱交換塔，礦井涌水利用子系統(tǒng)與礦井排風(fēng)利用子系統(tǒng)三部分；熱交換塔由依次連通的擴(kuò)散段、直接接觸式換熱段和間接接觸式換熱段組成；礦井涌水水源熱泵子系統(tǒng)包括礦井涌水沉降池；通過(guò)管道連接的礦井涌水經(jīng)提升泵，依次連接在礦井涌水沉降池的下部的旋流除污器、噴淋循環(huán)泵和水源熱泵；礦井排風(fēng)空氣源熱泵子系統(tǒng)包括置于熱交換塔間接接觸式換熱段入口處的除塵擋水板以及置于間接接觸式換熱段內(nèi)部的銅管翅片管式換熱器，以及通過(guò)制冷劑管道與間接接觸式換熱段相連的空氣源熱泵。兩個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)直接接觸式換熱段的噴淋過(guò)程實(shí)現(xiàn)了礦井涌水和礦井排風(fēng)的搭配互補(bǔ)使用，該系統(tǒng)不僅節(jié)能，而且具有減少礦井排風(fēng)的粉塵污染與腐蝕性氣體排放的環(huán)保功能。
文檔編號(hào)F28C3/06GK102518461SQ20111039735
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者吳華新, 夏萬(wàn)峽 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 重慶同方國(guó)新能源規(guī)劃研究院有限公司