毛乾宇 ，谭 震 ，王文学

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 神木 719300）

我国主要煤田地质构造复杂，多存在高瓦斯、高地应力、高地温等自然灾害。为预防灾害发生，煤矿大型钻机、抽采系统、防灭火注氮系统等在煤矿生产中装备数量不断增多。此类系统及装备井下生产作业时自身会产生大量热，需冷却降温保证设备正常平稳运行；冷却效果直接影响了设备能否高效工作以及使用寿命；因此高自动化机械化煤矿生产对冷却系统提出了更高的要求[1-4]。

目前煤矿井下大型设备主要冷却方式为将井下供水管路中的水通入待冷却设备换热器进行水冷。冷却水作为废水直接排放，废水不能及时冷却无法循环利用，造成了水资源的浪费，提高了生产成本。直通设备换热器的冷却水由于水中含有较多杂质及矿物质会在使用过程中在冷却器中形成水垢，缩短设备冷却器的使用寿命[5]。然而地面常用的冷却水塔，因体积大及防爆问题一直未在井下应用。为此，基于逆流闭式冷却热交换方式的研究与应用，提出了一种适用于煤矿井下环境的矿用冷却水塔，实现低耗水量、高效率的可靠冷却方式；并通过建立矿用冷却水塔三维模型进行流体力学及热力学模拟研究，对矿用冷却水塔耗水量的影响因素进行针对性优化。

1 技术研究

1.1 冷却水塔的选型

冷却水塔广泛应用于工业中，按循环水是否与空气直接接触可分为：密闭式冷却塔与敞开式冷却塔。由于煤矿井下空间小、环境恶劣、水质较差且空气中可能存在有煤尘、易燃易爆气体。闭式冷却塔因采用封闭式循环冷却，使用软水或乙二醇等冷却介质循环冷却，在高温时冷却管路内壁无结垢，可避免因冷却管路系统结垢影响冷却效果。被冷却介质因无光照射且不与空气接触，所以不会产生藻类和盐类结晶，“无须除藻、除盐”，从而保障系统高性能运行。另外，不存在杂物进入冷却管路系统，从而发生管路堵塞的现象；并且占地面积小，不需开挖水池，易址方便，用水少，能耗低。按照冷却水与空气的流动方式可分为：逆流式、横流式、混流式冷却塔。横流式与混流式冷却塔能源消耗相对较高，体积较大。因此逆流闭式冷却水塔结构紧凑，体积小，效率高更适合煤矿工况。

1.2 工作原理

逆流闭式冷却水塔原理图如图1。

图1 逆流闭式冷却水塔原理图Fig.1 Schematic diagram of counterflow closed cooling tower

逆流闭式冷却水塔工作时，待冷却的流体在热交换器蛇形盘管内部流动，外部有喷淋系统持续湿润盘管表面。干燥（低焓值）的空气经过风机自进风口进入冷却塔；饱和蒸汽压力大的高温水分子向压力低的空气流动，湿热（高焓值）的水自喷淋系统洒入塔内。当水滴和空气接触时，由于空气与水直接传热，同时因水蒸气表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走即蒸发吸热，从而达到降温目的。

1.3 总体方案设计

因煤矿井下巷道空间有限，设备及材料的运输主要依赖副井的矿车及平板车运输。因此逆流闭式矿用冷却水塔对体积、质量、移动及安装锚固方面提出了更高要求。总体设计时充分考虑各部件与整机上的相对位置及外形尺寸。并要考虑逆流闭式矿用冷却水塔在煤矿井下使用时散热问题。总体原则为在满足技术要求的前提下结构尽量紧凑，中型煤矿的井下冷却水塔长宽高应控制在4 m×1.5 m×2.5 m 内。逆流闭式矿用冷却水塔结构图如图2。

图2 逆流闭式矿用冷却水塔结构图Fig.2 Structure diagram of counterflow closed mine-used cooling water tower

外壳布置在集水槽上方，外壳与集水槽中间布置进风格栅，风机模组布置在外壳上方。在风机运行时，风可通过外壳下方的进气格栅进入装置内再由风机口排出，形成热交换的风流。冷却循环水由循环泵压入喷淋管路从喷淋头喷出，对表冷器及其上方的空间进行均匀布水。喷淋时表冷器盘管上形成1 层水膜，对表冷器内封闭内循环冷却介质进行冷却。

1.4 节水性能

冷却水塔内排出的湿热空气中所携带的水分，一部分是混合于空气中的水蒸气，它不能通过机械的方法从空气中分离出来；另一部分是随气流带出的细小水滴，通常可用收水器来捕获这部分水分。收水器给上升气流所携带的飘散水滴提供了1 个可撞击表面，使水气产生惯性分离，撞击后的水摘由小变大，顺着收水器落回到集水槽中。据大量的资料证明，装收水器后冷却水塔的溢出水率（或风吹损失率）由无收水器的0.10%～0.30%（占循环水量的百分比）降到0.005%～0.010%[6]。使用收水器可减少外循环水使用量起到节水的目的。

逆流闭式矿用冷却水塔为有效节约井下水资源，减少冷却过程中的用水量，要减少水正常吸热蒸发为水蒸气后排出塔外过程中气流中夹带的液态水滴。重点对收水器进行研究设计，优化收水器结构提高效率。

逆流闭式矿用冷却水塔排出湿热空气中所挟带的水滴多少，与塔内的风速、风筒内风速和淋水密度有关。在选择收水器形式时，应根据对水量损失要求的严格程度和通风压力损失的要求等因素来确定，一般不允许有明显的飘水现象。收水器的设计原理是基于冷却塔内气流的抽力与阻力之间的相互协调。气流阻力增大会使冷却水温升高，而湿热空气中的水滴被拦截后，上升空气密度减小，因此冷却装置的抽力增大。抽力增大可使水汲降低，所以收水器装置起到抽力、阻力和冷却水温三者间进行自动协调平衡的作用，其作用的结果基本达到了抽力和阻力的平衡，而不会影响冷却水塔的正常经济运行。

为研究逆流闭式矿用冷却水塔收水器提高收水效率，使用Ansys Fluent 软件对不同种类收水器简化模型进行仿真模拟，对比分析模拟结果。收水器中液滴的游走速度对比图如图3，收水器转向区内设置导流板对比图如图4。

图3 收水器中液滴的游走速度对比图Fig.3 Comparison diagrams of travel velocity of droplets in a water collector

图4 收水器转向区内设置导流板对比图Fig.4 Comparison diagrams of setting guide plates in turning area of the water collector

由图3 可以看出：改良型收水器对折流板的边界进行钝化，出气流游走更加平缓，较少出现高速区，可以有效改善由于过快气流造成的再夹带水滴导致的收水器效率降低问题。

由图4 可以看出：安装导流板后可明显发现气流在接触导流板后出现第1 个高速区，所不同的是锐化边界的收水器模型中安装的导流板会导致多个高速流体区，一方面使得收水器产生较大的压降，另一方面也使得收水器中易产生再夹带；而钝化边界的收水器，即使安装导流板也仅仅出现第1 个高速区，而后续的流体则将会变得较为平缓，因此液滴在第1 个高速区间过程中被大量捕捉，不仅降低了收水器的压降同时也提高了收水器的收水效率。

综上，采用钝化的边界代替锐化边界可以有效降低冷却水塔的压降；通道内设置导流板可提高收水器收水效率。

1.5 方案仿真及优化

逆流闭式矿用冷却水塔从结构参数与运行参数2 方面考虑，首先分析了结构参数和运行参数对冷却性能的影响，从中选取性能优化的变量，建立性能优化模型。针对闭式冷却装置中蒸发冷却盘管，以盘管的换热面积作为目标函数，对方案进行优化。通过性能参数的调整，一方面旨在降低盘管的设计换热面积，达到节省换热材料降低制造成本的目的；另一方面降低换热部件的压降，使用功率更小的风机和水泵，达到节电节水节能的目的[7]。

逆流闭式矿用冷却水塔模拟的速度场和压力场如图5 和图6。

图6 压力场模拟图Fig.6 Pressure field simulation diagram

从图5 中可以看出，在每支管束上侧均形成明显背风区域，在这个区域中空气几乎不经过盘管背面，因此这个区域中流体很难被蒸发。

从图6 中可以看出，空气在管束中运动，会形成较大的压降，这个压降随着管束层数的增加逐渐增加，并且以阶梯性的趋势递增；此外，管束的压力降随管束之间纵向高度的影响最为明显，当二者之间的距离增加时，压降明显降低。

当管径变大时，在其他结构参数和运行参数不变的前提下，管径增大导致空气掠过盘管表面的时间增加，使喷淋水在塔体内的蒸发量增加，即蒸发冷却能力增强，传质系数提高；与此同时，由于管径变大，在循环冷却水量和盘管表面积不变的前提下，水的流速减小，使得流体湍流度降低，盘管内水与管壁间的换热能力下降，换热系数减小。因此，在对盘管进行优化时，要同时考虑管径的变化分别对传热系数和传质系数的影响，使其在某一范围内达到最优值[8-9]。据以上2 种模拟仿真对逆流闭式矿用冷却水塔进行了整体结构优化布局。

2 井下试验

工业试验选择山西晋城某煤矿，该矿目前有多套煤矿用移动式膜分离制氮装置及空压机，目前冷却方式采用的是直通静压水冷却，空压机技术要求单台冷却水流量为30 m3/h[10]。目前矿井供排水系统负荷较大，急需解决目前空压机冷却用水量大、换热器结垢严重的问题。

为保证逆流闭式矿用冷却水塔冷却效果，需要将其布置在通风良好风量充足的巷道里内，使冷却水塔排出带有热量的水蒸气被巷道内风流带走，否则会导致冷却水塔周边温度及空气湿度增高影响散热效果。

安装调试后在制氮机空压机连续运转标准工况下，观察冷却水塔的使用效果。对冷却水温度与主机温度的变化进行监测，冷却水温度与主机温度关系如图7。

图7 冷却水温度与主机温度关系Fig.7 Relationship between cooling water temperature and host temperature

为准确计算冷却水塔耗水量，每隔1 h 人工对冷却水塔集水槽进行补水，在8 h 内补水量总计为5.3 m³。经每日3 班多日测试，实际日补水量平均值在15 m³左右。补水量随时间变化图如图8。

图8 补水量随时间变化图Fig.8 Diagram of water replenishment amount over time

在试验中逆流闭式矿用冷却水塔对空压机进行行冷却连续运转1 个月期间，各设备运行稳定。冷却效果达到预期，冷却塔设计流量40 t/h，冷却水热平衡温度稳定在35 ℃左右。喷淋冷却水消耗量为0.66 m³/h。原有直通静压水冷却每小时耗水约30 m³/h，日耗水约720 m³。因此新型冷却装置的使用每日可节水约700 t。因采用了封闭式冷却水循环，并对冷却水进行了软化延缓了结垢速度，目前冷却器内无明显结垢。闭式冷却循环内几乎无冷却水损耗，在使用时定期观察冷却水水位如有损耗进行少量补充即可[9-10]。

3 结 语

将逆流闭式换热原理矿用冷却水塔引入煤矿井下，可有效解决煤矿井下高发热量设备冷却过程耗水量大、井下供排水系统负担沉重、设备换热器易结垢寿命短的技术难题；实现了煤矿井下适用范围广、低消耗、高效率的冷却方式，可为煤矿井下空压机、液压、泵送系统的冷却提供技术保障。