矿井回风换热器数值模拟与优化

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1、河北工程大学硕士学位论文度的回风巷道换热；在冬季，大气环境温度相对较低，其热湿交换过程与夏季类似；虽然夏季与冬季进风温度相差甚远，但是最终从回风井排出的矿井回风温度一般在20℃左右，相对湿度在90％【4J上下波动，表1．2为我国部分地区煤矿的回风参数。由此可知，矿井回风基本不受大气温度的波动以及季节的交换而受到影响，其回风温度远高于冬季室外温度，又低于夏季的室外温度，是热泵机组很好的冷热源。但目前矿井的回风一般都是直接排入大气，大量余热资源没有得到利用。尤其是现今绝大部分的煤矿企业的供热环节都是由燃煤锅炉来

2、提供热源，不仅要消耗大量的煤炭资源，而且燃煤过程中会有大量碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物等气体以及烟尘的排放，会造成矿区的环境污染。表1．2我国典型煤矿回风参数一河南平煤三山东福兴煤山西曙光煤新汶矿业孙回风状态参数＼矿10抖井矿村煤矿干球温度夏季25．42118．222(℃)冬季21181520相对湿度80％95％90％95％回风量(m3／s)9560125158而在冬季寒冷的地区，矿区地面工作区域的建筑(办公楼、食堂、宿舍等)采暖、井筒的防冻以及职工的洗浴热水都依靠传统的燃煤锅炉提供热源。采用燃煤锅炉不仅没

3、有改善矿区的工作环境，而且由于煤炭不完全燃烧，还加大了污染物的排出，造成了一次能源的浪费；在夏季，办公区域大多采用分体式空调来降低室内温度，由于室外温度较高，分体式空调器制冷效果不明显，不能维持良好的室内空气状态，为人们提供适宜工作的环境，同时耗电量将增大，这样造成了二次能源的浪费。为了应对全球气候的变暖及恶化，我国政府在制定了节能减排“十一五”规划后又提出了“十二五”规划15】。“十一五”期间，我国国民经济年均11．2％的增长以年均6．6％的能耗增长为代价，“十一五’’时期，我国节约了相当于6．3亿吨标煤

4、，这使能源消费弹性指数从“十五"时期1．04下降了0．45。重点工程节能减排的实施使3．4亿吨标煤被节约，其中，燃煤电厂脱硫机组容量占全部火电机组容量的82．6％，达5．78亿千瓦。节能减排政策的实施减少了14．6亿吨二氧化碳的排放，不仅为改善我国的生态环境作为了贡献，还履行了我国对保护全球环境的义务，在国际社会上得到了一致好评。国务院新闻办公室2012年10月24日发表《中国的能源政策(2012)》白皮书。规划指出，中国将坚定不移地大力发展新能源(核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、氢能等)和可

5、再生能源，到“十二五”末，非化石能源消费占一次能源消费比重将达到11．4％，非化石能源发电装机比重达到30％。第1章绪论由以上分析可见，矿井回风是与地热能作用后的一种低品位的可再生能源。所以通过矿井回风换热器和水源热泵系统耦合，可以将矿井回风中储存的低品味的能量进行转换，从而实现矿井地面作业区的冬季供暖、井口防冻、矿工洗浴以及夏季供冷和矿工洗浴。因此，有效地利用回风中的余热，既能减少能源的浪费，节省经济上的投资，又能降低对环境的污染，改善和提高煤矿周围的生产工作环境。在保证煤矿安全生产的前提下，有效地、最大

6、化地回收回风中蕴含的低品位能量，矿井回风换热器的合理设计是至关重要的。通过对换热器的数值模拟能够准确得到其内部温度、速度场的分布，进而优化设计换热器，使其内部空气与水的热湿交换更加充分。随着对地下矿产资源开采量的增大，矿井生产活动对进风量的需求也会随之加大，向矿井源源不断地供给新鲜空气是维持煤矿安全生产的最基本保障。随着开采量的增加，矿井生产活动对进风量的需求也随之加大，因此回风井就会有大量回风产生。1．2矿井回风换热装置矿井回风中蕴藏着较为优质的余热资源。主要依靠空气一水换热器通过喷淋换热方式将回风中的余

7、热转移到循环水里面，循环水作为热泵系统的低温热源。目前主要有间壁式和直接接触式两种换热方式。矿井回风余热回收装置与水源热泵系统联合使用的工作原理图如图1-1所示。0)一：爪专IW号l副井f+图1．1矿井回风余热回收装置与热泵耦合系统1．2．1矿井回风余热回收装置研究现状及存在问题河北工程大学硕十学位论文根据资料显示，目前国内有关矿井回风余热回收装置主要有以下三种：11中国南京好捷煤电设计咨询有限公司开发的矿井回风热回收利用装置【6J朱晓彦于2006年提出了矿井回风废热回收技术该装置并申报了该装置的专利，其原

8、理如图1．2所示。该装置属于间壁式换热器，换热器安装在旁通风道中，通过蝶阀的来控制引入旁通风道的换热风量，来自热泵机组的高温或低温水通过热交换器间接与回风进行换热。图1．2矿井同风热同收利用装置由于该装置属于间壁式换热，为了获取足够多的热量，在换热管传热系数不变的情况下就得需要足够大的换热面积，出水温度才能达到满足值，所以该技术受到旁通风道的面积的限制。由矿井通风基本的任务可得，回风属于相对湿度大，含尘浓度相对较