刘　轶



高寒地区煤矿井筒防冻加热器的研究

刘轶

摘要对全国首个适应-30℃高寒地区、10℃以下低风温矿井回风工况的井筒防冻热泵技术示范工程作了简单介绍，重点介绍了该项目的大温差换热井筒防冻加热器的研制和应用效果。

关键词高寒地区矿井井筒防冻水源热泵大温差井口防冻加热器

矿井回风源热泵技术用于回风温度10℃以上矿井的井筒防冻已在我国部分煤矿成功应用，并已取得显著的节能减排效益。2013年，同煤集团四台矿马家村风井进行了热泵技术井筒防冻的技术研究和改造，该风井的井筒位于主工业广场十多公里以外的山顶上，有相邻的1个回风井和1个进风井，户外最低气温-30℃，矿井回风温度为10℃以下。在此之前，用于-30℃高寒环境、矿井回风温度10℃以下情况的矿井回风源热泵技术还未有先例。该项目于同年年底改造完成并开始运行，系统运行2年来，工作正常、系统稳定，各项指标达到了使用、安全、经济的要求，填补了10°C及以下低风温工况矿井回风废热利用的空白。

1　工艺系统简介

图1为四台矿马家村风井废热回收利用热泵系统。系统由能量采集系统、能量提升系统和末端能量释放系统三部分组成。能量采集系统是提取矿井回风中的热能，关键部件是喷淋式换热器，在回风换热扩散塔中将矿井回风中所蕴含的低温热能通过喷淋换热方式转移到循环水中，在喷淋循环泵的作用下连续换热，作为热泵系统的低温热源，并用热源循环泵经过滤器送到热泵机组。能量提升系统的核心是热泵机组，热泵机组在电能的驱动下，将矿井回风中所提取的低温热能转变为可利用的热能（约+45℃）供末端能量释放系统使用。末端能量释放系统的核心是井筒防冻加热器，用供暖循环泵将热泵提供的热能输送到井筒防冻加热器中用于井筒防冻。

热泵将低温热能转变为可利用的热能的结构原理

图1四台矿马家村风井废热回收利用热泵系统

如图2所示，热泵主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置、制冷剂及辅助部件等组成。从工作原理来说热泵就是制冷机（与冰箱原理相似），利用冷凝器放出的热量来加热水温的制冷系统。制冷剂也称为循环工质或冷媒，是不含氯的氟利昂即氢氟化碳（HFC）的无公害物质。从节流装置（也称膨胀阀或节流阀）出来的低温低压液态制冷剂进入蒸发器后，制冷剂吸收来自循环水池水的低温热能后呈低温低压蒸汽状态，同时降温后的低温水在低温热源循环泵的作用下回循环水池重新热交换获得热能，低温低压蒸汽状态的制冷剂进入压缩机后，压缩机耗电做功将其压缩成高温高压蒸汽状态进入冷凝器中放出热量被供暖侧用水吸收并升高为约+45℃的热水，同时升温后的热水在采暖循环泵的作用下进入井筒防冻加热器加热冷空气并循环进行，此时制冷剂在冷凝器中放热后冷却成高温高压液体状态，进入节流装置后制冷剂又呈低温低压液态，如此循环在冷凝器中获得水温升高的供暖侧用水。可见制冷剂在其中起到了传递热能的载体作用，由液态转变为汽态时会吸收大量的热量，由汽态变为液态时释放大量的热量。

图2热泵工作原理

高寒地区使用热泵回收矿井回风热能用于井筒防冻技术，主要是解决以下三个方面的关键技术：

一是解决10℃及以下低风温矿井回风工况下回风换热器实现高效换热，使换热出水温度满足热泵机组进水温度要求。此项目的技术措施是：通过对国内外矿井回风废热回收利用的各种方式的优缺点的综合分析比较，选择了在矿井回风扩散塔顶部设置喷淋式换热器的方式，采用这种方式热湿交换，换热量大，换热效率高，对矿井回风阻力小，还具有适应矿井回风高湿、粉尘大、不影响矿井反风的特点。并对现行的喷淋式换热器做了优化设计又进一步提高了换热效果。加装喷淋换热器后，经现场实测通风阻力增加不超过50Pa，对主通风机性能未造成影响。喷淋换热器的部件选用不锈钢材质，避免了回风中腐蚀性气体对其造成的损害。喷淋换热器对回风中的粉尘有湿润降尘功能，使粉尘对其部件的冲击极小，粉尘煤泥虽喷淋水进入循环水池沉淀，同时扩散塔出风口风流也得到了净化。经现场实测主通风机出风口噪音也降低了30dB。

二是解决回风换热循环水防冻问题。此项目的技术措施是：研制了专用防冻反腐剂，加入回风换热系统循环水中形成防冻液以适应冬季低温工作环境，解决了换热器结霜、循环水结冰、管路腐蚀问题。

三是解决-30℃高寒环境下、供水温度约+45℃时井筒加热器高效换热和自身防冻问题。

2　大温差换热井筒防冻加热器研制

国内常用的井筒加热形式是采用锅炉提供热源，出热温度较高，再利用空气加热器将热风送入井口以下。相比之下，采用热泵系统供热时，热泵系统制热工况时出水温度较低（40℃～45℃），在环境温度-30℃的情况下，使用传统的盘管换热器会造成管路结冰、弯头处易冻裂的问题，因此需要研制与热泵系统配合使用的适应低水温、大温差的井筒防冻加热器。为此研制使用了新型的先预热后加热的双级换热防冻加热器，其结构组成如图3所示，主要由预热段（换热器）、风机段、再热段（换热器）组成。将换热器设计为预热器与再热器两级结构，解决了单个换热器的换热量过大与换热温差过大而造成换热器冻坏的问题，相比单级换热器而言间接地提高了换热器的换热温差，满足了换热温差要求，同时也减小了换热器的换热面积使体积减小。两级换热器由热泵同时提供约45℃的低温循环热水，外部的冷空气在风机的牵引下通过进风口进入过滤网，过滤掉空气中的大颗粒杂质，进入预热换热器，与预热换热器中通过的低温热水换热后，温度升高后的空气通过风机进入再热换热器，再次与换热器中通过的低温热水进行热交换，空气被加热到26℃～36℃，再经过消音器消声降噪噪音未超过50 dB，最后通过出风口送入井筒。

图3新型井筒双级换热防冻加热器送风原理

在具体结构上还采取了以下技术措施：（1）将两级换热器均设计成集箱式结构，见图4（a），集箱式结构具有使换热管水力平衡、水量分配相同的功能，使每根换热管进水量相同和增加了管道的过流量，提高了换热管、管道的防冻能力。（2）预热段采用防冻能力强的钢翅片钢管换热器，再热段采用换热能力强的铝翅片铜管换热器，并采用宽翅片设计起到降低灰分的阻塞作用，这样的结构设计能克服寒冷环境进风温度低的特点，也保证了换热量，能很好地适应寒冷环境；（3）换热器管束的排列形式见图4（b），两级均采用顺排方式，管束顺排时气体绕流管束，虽换热效果较错排方式稍差，但阻力小，适合在煤矿中使用。顺排方式有正方形排列和转角正三角形排列两种形式，研究和工程经验表明，正方形顺排换热效果低于转角正三角形顺排。这里预热段采用正方形顺排，再热段为转角正三角形顺排，这使得预热段水温降低小有利于防冻。

3　应用效果

自2013年运行以来，井筒混风温度随井口加热器进出水温度变化而变化，在井口加热器供水温度在40℃～45℃条件下，井筒混风温度为8℃以上，达到了《煤矿安全规程》规定的混风温度不低于2℃的要求。目前，井口加热器运行情况良好，并随着天气变化调整运行台数，实现系统节能运行。

参考文献

［1］王会勤.矿井回风余热在平煤三矿的应用［J］.煤炭加工与综合利用，2011（6）：57-59.

［2］王秋红.换热器管束排列方式对流场影响的数值分析［J］.华北水利水电学院学报，2007（12）：45-47.

［3］陈国卿.东工流线型扩散塔在煤矿中的应用［J］.煤炭工程，1990 （12）:18-19.

刘轶，男，1982年1月出生，山西大同人。现在同大科技研究院从事矿山机电研究工作，工程师。

Study on Mine Shaft Antifreezing Heater in Extremely Cold Area

Liu Yi

Abstract：The paper shortly introduces the country's first demonstration project of mine shaft antifreezing heat pump technology that adapts to -30℃extremely cold area and the working condition of the low air temperature mine re⁃turn air under 10℃，and mainly introduces the development and and application effect of the large temperature difference heat transfer mine shaft antifreezing heater of the project.

Keywords：extremely cold area；mine shaft cold prevention；water source heat pump；wellhead antifreezing heater of large temperature difference

收稿日期：2015-10-20

作者简介

中图分类号TK11+5

文献标识码B

文章编号1000-4866（2016）02-0014-03