節(jié)能型礦井排風(fēng)熱提取系統(tǒng)及風(fēng)—水參數(shù)耦合優(yōu)化探究

武夢(mèng)婷 范帥杰 吳漢 陳世強(qiáng)

摘 要：為了突破排風(fēng)與水壓運(yùn)行參數(shù)匹配的傳統(tǒng)試湊法，縮短參數(shù)優(yōu)化匹配耗時(shí)，達(dá)到更加高效地進(jìn)行熱濕交換，特設(shè)計(jì)礦井排風(fēng)熱提取系統(tǒng)。并進(jìn)行單噴嘴上噴液滴群實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用控制變量法，在不同的噴嘴壓差下，改變主通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，由馬爾文激光粒度分析儀測(cè)得在不同風(fēng)量條件下噴水室各點(diǎn)的噴霧液滴粒徑數(shù)據(jù)，繪制關(guān)聯(lián)曲線圖進(jìn)行分析，得出排風(fēng)與噴淋水的優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。

關(guān)鍵詞：礦井排風(fēng)熱提取系統(tǒng);單噴嘴上噴液滴群實(shí)驗(yàn);優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)

在礦井開采生產(chǎn)體系中，地面新鮮空氣傳輸至井下，稀釋瓦斯、煤塵并帶走余熱、余濕，經(jīng)排風(fēng)井排出。在極少數(shù)工程中，運(yùn)用礦井排風(fēng)熱提取裝置提取蘊(yùn)藏在排風(fēng)中的低品位熱能，用于礦區(qū)供熱或者井筒防凍等[1]。此裝置一般均將噴水管組布置在擴(kuò)散器頂部，向下噴出水滴，下噴式供給循環(huán)水[2-3]。但是，存在水苗阻力大、實(shí)際運(yùn)行效率低等問題。為了解決上述問題，有研究者提出了順流上噴式裝置，但是，對(duì)于該裝置內(nèi)的液滴形成、液滴群運(yùn)移過程與排風(fēng)流動(dòng)優(yōu)化等問題仍未完全解決。為此，本文主要從排風(fēng)參數(shù)-液滴群參數(shù)優(yōu)化的角度開展理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，并將得出的結(jié)論應(yīng)用到礦井排風(fēng)熱提取系統(tǒng)中，指導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)節(jié)。

1 礦井排風(fēng)熱提取系統(tǒng)的提出

順流上噴式礦井排風(fēng)熱提取裝置由擴(kuò)散器、主通風(fēng)機(jī)、噴淋排管、集水池、沉淀池、變頻水泵和熱品位提升設(shè)備（水源熱泵）共同構(gòu)成。風(fēng)-水參數(shù)耦合優(yōu)化控制裝置由風(fēng)速傳感器、信號(hào)處理器、自動(dòng)控制設(shè)備、變頻水泵和信號(hào)傳輸線纜構(gòu)成。風(fēng)-水參數(shù)耦合優(yōu)化控制裝置與礦井排風(fēng)熱提取裝置共同協(xié)作構(gòu)成礦排井風(fēng)熱提取系統(tǒng)。

2 單噴嘴上噴液滴群實(shí)驗(yàn)與風(fēng)水參數(shù)優(yōu)化

在溫差和濕度一定的情況下，液滴粒徑的大小是影響換熱效率的主導(dǎo)因素。而影響液滴粒徑大小的主要因素為排風(fēng)參數(shù)和噴淋水參數(shù)。為了探究上噴式裝置排風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速和噴嘴壓差與液滴粒徑大小之間的關(guān)系，特開展了單噴嘴上噴液滴群實(shí)驗(yàn)。在噴嘴水壓分別為0.15MPa、0.2MPa和0.25MPa三種工況下，通過馬爾文激光粒度分析儀測(cè)量噴水室內(nèi)七個(gè)測(cè)量點(diǎn)在不同風(fēng)量的情況下的粒徑變化，進(jìn)行分析從而獲得風(fēng)-水運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)所選風(fēng)量為30%、35%、40%、45%、50%、55%和60%，所對(duì)應(yīng)風(fēng)速分別為4.3m/s、4.4m/s、4.6m/s、5.1m/s、5.6m/s、5.8m/s、5.9m/s。所選測(cè)量點(diǎn)為沿噴霧流線距噴嘴35、45、55、65、75、85、95cm處，測(cè)量數(shù)據(jù)選取D[3][2]（索特平均直徑）作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖1～圖3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）以工況條件為壓力P=0.25MPa，風(fēng)速為30%為例，在距噴嘴30-100cm的范圍內(nèi)，噴霧粒徑呈現(xiàn)增大-減小-增大-減小的變化過程。由圖2可知液滴粒徑的變化趨勢(shì)基本一致，且對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴霧壓力在0.25MPa時(shí)液滴粒徑最小，0.15MPa時(shí)液滴粒徑最大。由此得到隨著壓力的增加，液滴粒徑減小。

（2）霧化噴頭的壓力為0.15MPa和0.25MPa時(shí)，風(fēng)速為30%時(shí)液滴的索特直徑最小;而在壓力為0.20MPa，風(fēng)速為35%時(shí)液滴的索特直徑最小。

4 結(jié)論

由研究可知，噴嘴壓差一定的情況，存在一個(gè)較為合理的排風(fēng)流速范圍，即風(fēng)-水參數(shù)之間耦合優(yōu)化。在噴霧壓差不變的情況下，從風(fēng)量的角度看，存在最佳風(fēng)量與之匹配;如果從噴嘴壓差的角度看，在礦井排風(fēng)量一定的情況，必定存在與該排風(fēng)匹配的最佳噴嘴壓差。從目前的數(shù)據(jù)來看，還無(wú)法得到最佳的風(fēng)量-水壓組合，但是可提供優(yōu)化值范圍，得出噴淋水壓的避免選擇方案。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在液滴粒徑相差不大的情況下，應(yīng)盡可能選擇噴嘴水壓小的工況。通過調(diào)節(jié)噴嘴壓差或調(diào)節(jié)運(yùn)行風(fēng)量，實(shí)際上，就是風(fēng)-水參數(shù)耦合優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳世強(qiáng)，陳友明，崔海蛟.上噴式礦井排風(fēng)熱回收裝置內(nèi)液滴運(yùn)動(dòng)模型及其優(yōu)化計(jì)算[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，15（04）：78-82.

[2]NIU Yongsheng（牛永勝），WANG Jianxue（王建學(xué)）.Recycling of mine waste heat in Zhujixi Coal Mine[J].Safety in Coal Mines（煤礦安全），2012，43（9）：194-196.

[3]LIU Jiangong（劉建功）.Study and practice of low-carbon ecologi-cal mining construction of Jizhong Energy Group[J].Journal of China Coal Society（煤炭學(xué)報(bào)），2011，36（2）：317-321.