礦井排水在空氣壓縮機降低排氣溫度中的應用

何傳超

（廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126）

0 引言

礦用空氣壓縮機是專為風動機械提供動力用風的設備。空氣壓縮機夏天排氣溫度常超標，有時高達160 ℃以上，排氣溫度過高一方面使活塞與氣缸間的潤滑油失效造成機械故障甚至停機；另一方面使得壓縮機的壓縮功劇增，耗電急劇增加。造成壓縮機排氣溫度過高的主要原因是壓縮機壓循環冷卻用水溫度過高。空氣壓縮機壓縮空氣過程中產生的熱量由冷水帶走，水從空氣壓縮機吸熱后成了熱水進入冷卻塔，由大氣吸熱后降溫成冷水，循環使用，稱為循環冷卻水。夏天大氣溫度高循環冷卻水溫也高了，通入空氣壓縮機內吸熱量減少，排氣溫度自然也就上升了。

礦山井下工作場地有地下水涌出，各工作面上的涌水匯集于水池中，由水泵排至地表直接流入江河中，這稱為礦井排水。由于井下地溫恒定，礦井排水的水溫接近于恒溫，常在22℃左右。礦井排水量大，一般礦井每小時排水量有數百噸，處于地下水層中的大型礦山，如廣東凡口礦每小時排水量可達上千噸。這就給空氣壓縮機的循環冷卻用水提供了夏天冷卻介質。礦井排水含有泥塵和少量對金屬有腐蝕性的介質，有時還含有硬水中的鈣離子，不能直接用于空氣壓縮機的冷卻。只能將其替代大氣來冷卻空氣壓縮機排出的熱水。

1 空氣壓縮機簡介

礦山用空氣壓縮機多為往復活塞式壓縮機。它的工作原理和理論循環如圖1所示，活塞1由動力機構經平面曲柄機構拖動，在氣缸2 內作往復直線運動，當活塞1 從左向右移時，缸內容積加大，氣壓下降，壓差作用下，吸氣閥3 打開氣缸進入吸氣行程。當活塞移至右點時，吸氣過程結束；開始左移，壓縮已吸入的空氣，壓力上升至排氣壓力（略高于儲氣罐壓力）時，排氣閥4 在壓差作用下打開，活塞左移推動缸內高壓氣體排入儲氣罐，完成一個循環，為節省壓縮耗功和降低排氣溫度，礦用空氣壓縮機多為兩級壓縮，其理論循環圖如圖2所示。

圖1 壓縮機示意圖

圖2 理論循環圖

大氣狀態空氣吸入后壓縮到中間壓力px，排至中間冷卻器，由循環冷卻水將壓縮空氣冷卻接近大氣溫度后再進入二級壓縮到排空壓力p，進入儲氣罐，完成一個循環。中間冷卻使得進入二級壓縮空氣溫度比一級排氣溫度降低很多，其比容也小（比容是指1 kg 空氣所占的空間容積）。使得二級壓縮過程所耗功比沒有中間冷卻時少很多，排氣溫度也低很多。因此中間冷卻條件好壞是影響空氣壓縮機的關鍵。中間冷卻減少壓縮功的多少可從圖2 中的陰影面積大小來反映。中間冷卻條件好，進入二級壓縮空氣溫度低，吸入二級壓縮空氣的比容低，陰影面積加大，其節省壓縮功就大，二級壓縮排氣溫度也低。礦用空氣壓縮機排氣溫度超標主要是二級壓縮的排氣溫度，此外，氣缸周圍沒有冷卻水套，它將帶走壓氣過程中產生的部分熱量，氣缸冷卻好，空氣壓縮帶走熱量多，排氣溫度低，壓縮空氣過程消耗的功更小。

2 技術方案

現有的空氣壓縮機的循環冷卻水系統組成為：冷水池→冷水泵→送水至空氣壓縮機內的冷卻器（包括氣缸水套、中間冷卻器、壓后冷卻器）→熱水池→熱水泵→熱水冷卻塔→冷卻池。熱水冷卻是將從空氣壓縮機出來的熱水從熱水池中用熱水泵抽至冷卻塔上面噴淋下澆，塔下部有常溫空氣進入沿塔身上升，上升過程中與熱水交換熱量變為熱氣，從塔頂冒出，熱水放熱降溫后從塔底返入冷水池，夏天空氣溫度高，改用礦井排水冷卻從熱水池抽來的熱水，取代熱水冷卻塔。

礦井排水冷卻器由沉入礦井排水渠的鋼管束組成，礦井排水從副井（或運輸井）出來，壓氣管也從此井送入井下，因此空氣壓縮機房在副井周圍。礦井排水至地表后常由明渠排至江河中，排水明渠離壓氣房不遠。將一段排水明渠設一閘板，使渠內水層加深，換熱管束沉于礦井排水層中，管束內流過循環熱水，管束外流過礦井排水，兩者逆流布置。空氣壓縮機排出的熱水匯入熱水池，由熱水泵從熱水池中抽至管束內流過，換熱后流回空氣壓縮機的冷卻水池中供空氣壓縮機冷卻用。換熱管束沉于礦井排水層下，水較深，從礦井送來的冷水經管束吸熱后上浮由閘板溢出，圖3為示意圖。

圖3 換熱管束示意圖

3 換熱管束設計計算

3.1 設計計算內容

換熱管束是管內熱水與管外礦井水之間的換熱裝置。設計計算時，要根據其要求循環水的溫差和流量確定換熱量，再根據結構尺寸與換熱狀態計算傳熱系數K，由K計算定下換熱管束的表面積，最后確定管束的長度和單根管道的直徑。

計算傳熱系數K 按管內壓力水流和管外無壓流動的狀態近似計算。計算時要確定管內熱水對管內壁的對流換熱系數α1，以及管外壁礦井排水無壓流動時對外壁的對流放熱系數α2，為了計算上述內容，還需要現運行空氣壓縮機的參數，如二級壓縮過程指數、中間冷卻器的參數等。

3.2 空氣壓縮機運行參數確定

3.2.1 二級壓縮過程平均指數確定

如二級壓縮的進氣溫度T1和壓力p1以及排空溫度T2和壓力p2，則二級過程平均指數：

3.2.2 中間冷卻器換熱系數和換熱面積之乘積KF確定

v0——理論排氣量；

ρ0——大氣狀態（標準）空氣密度。

3.2.3 確保二級排氣溫度T2-2達標

應確保二級吸氣溫度T2-1，空氣壓縮機二級排氣溫度行業規定t2-2≤160℃，即已知為T2-2=t2-2＋273℃=433K 。

3.3 空氣壓縮機循環冷卻水工作溫度確定

中間冷卻器工作計算溫差Δtmz由下式計算：

3.4 礦井排水換熱管束設計

3.4.1 換熱管束結構確定

3.4.2 換熱管束傳熱系數的確定

換熱管束傳熱過程為：循環熱水對管內壁表面放熱，再通過管壁導熱，傳到管壁外表面對管束外的礦井排水對流放熱。其熱阻由三部分組成：內壁對流熱阻、壁厚導熱阻、管外壁對流熱阻。根據傳熱計算公式傳熱系數：

其中：α1為內壁對流放熱系數; α2為外壁對流放熱系數; λ 為管壁材料導熱系數。

α1、α2通過相似準則方程計算：

3.4.3 礦井排水換熱管束耗熱量確定

3.4.4 管束長度確定

前面已確定了管束中管子根數Z 和內徑d ，為便于計算，管束外礦井排水溫按定溫處理，這主要是礦井排水量大，換熱時間短，這樣也便于分析，其換熱對數溫差Δtms為：

4 效果及注意事項

經改造大氣溫為36 ℃時，循環冷卻水工作溫度為27 ℃～29 ℃，空氣壓縮機二級排氣溫度為148 ℃～152 ℃，控制了排氣溫度超標現象。據粗略統計可省電5.1%，因為每天實際排風量均在變化，故節電數字對比只是一個粗略參考值。

此項改造時，要保留原有的空氣壓縮機的循環水冷卻系統，季節變化時，當礦井排水溫度高于大氣溫度時，宜用原來的循環水冷卻系統。

礦井排水換熱管束外表易結泥塵，影響傳熱效果，要常清洗，設置時應考慮方便清洗外表泥塵。礦井排水明渠置放換熱管束的區段，最好用一溢流閘門，正常工作時礦井排水溢過閘門，以確保換熱管束所需沉沒的水層深度，清洗外積泥塵時，將閘門全開，泥塵可順流沖走。

由于礦井排水中的成分復雜，一般通常不宜將其直接用于礦用空氣壓縮機的冷卻，盡管這樣冷卻效果好，且設備改動小，但會對空氣壓縮機產生腐蝕和結垢，這類故障很難處理。只有經化驗其成分達到冷卻水要求時方可真接用于空氣壓縮機的冷卻。

［1］蔡文娟.物理化學［M］.北京：冶金工業出版社，1995.

［2］朱光俊.傳輸原理［M］.北京：冶金工業出版社，2009.