矿井排水在空气压缩机降低排气温度中的应用

何传超

（广东松山职业技术学院，广东韶关 512126）

0 引言

矿用空气压缩机是专为风动机械提供动力用风的设备。空气压缩机夏天排气温度常超标，有时高达160 ℃以上，排气温度过高一方面使活塞与气缸间的润滑油失效造成机械故障甚至停机；另一方面使得压缩机的压缩功剧增，耗电急剧增加。造成压缩机排气温度过高的主要原因是压缩机压循环冷却用水温度过高。空气压缩机压缩空气过程中产生的热量由冷水带走，水从空气压缩机吸热后成了热水进入冷却塔，由大气吸热后降温成冷水，循环使用，称为循环冷却水。夏天大气温度高循环冷却水温也高了，通入空气压缩机内吸热量减少，排气温度自然也就上升了。

矿山井下工作场地有地下水涌出，各工作面上的涌水汇集于水池中，由水泵排至地表直接流入江河中，这称为矿井排水。由于井下地温恒定，矿井排水的水温接近于恒温，常在22℃左右。矿井排水量大，一般矿井每小时排水量有数百吨，处于地下水层中的大型矿山，如广东凡口矿每小时排水量可达上千吨。这就给空气压缩机的循环冷却用水提供了夏天冷却介质。矿井排水含有泥尘和少量对金属有腐蚀性的介质，有时还含有硬水中的钙离子，不能直接用于空气压缩机的冷却。只能将其替代大气来冷却空气压缩机排出的热水。

1 空气压缩机简介

矿山用空气压缩机多为往复活塞式压缩机。它的工作原理和理论循环如图1所示，活塞1由动力机构经平面曲柄机构拖动，在气缸2 内作往复直线运动，当活塞1 从左向右移时，缸内容积加大，气压下降，压差作用下，吸气阀3 打开气缸进入吸气行程。当活塞移至右点时，吸气过程结束；开始左移，压缩已吸入的空气，压力上升至排气压力（略高于储气罐压力）时，排气阀4 在压差作用下打开，活塞左移推动缸内高压气体排入储气罐，完成一个循环，为节省压缩耗功和降低排气温度，矿用空气压缩机多为两级压缩，其理论循环图如图2所示。

图1 压缩机示意图

图2 理论循环图

大气状态空气吸入后压缩到中间压力px，排至中间冷却器，由循环冷却水将压缩空气冷却接近大气温度后再进入二级压缩到排空压力p，进入储气罐，完成一个循环。中间冷却使得进入二级压缩空气温度比一级排气温度降低很多，其比容也小（比容是指1 kg 空气所占的空间容积）。使得二级压缩过程所耗功比没有中间冷却时少很多，排气温度也低很多。因此中间冷却条件好坏是影响空气压缩机的关键。中间冷却减少压缩功的多少可从图2 中的阴影面积大小来反映。中间冷却条件好，进入二级压缩空气温度低，吸入二级压缩空气的比容低，阴影面积加大，其节省压缩功就大，二级压缩排气温度也低。矿用空气压缩机排气温度超标主要是二级压缩的排气温度，此外，气缸周围没有冷却水套，它将带走压气过程中产生的部分热量，气缸冷却好，空气压缩带走热量多，排气温度低，压缩空气过程消耗的功更小。

2 技术方案

现有的空气压缩机的循环冷却水系统组成为：冷水池→冷水泵→送水至空气压缩机内的冷却器（包括气缸水套、中间冷却器、压后冷却器）→热水池→热水泵→热水冷却塔→冷却池。热水冷却是将从空气压缩机出来的热水从热水池中用热水泵抽至冷却塔上面喷淋下浇，塔下部有常温空气进入沿塔身上升，上升过程中与热水交换热量变为热气，从塔顶冒出，热水放热降温后从塔底返入冷水池，夏天空气温度高，改用矿井排水冷却从热水池抽来的热水，取代热水冷却塔。

矿井排水冷却器由沉入矿井排水渠的钢管束组成，矿井排水从副井（或运输井）出来，压气管也从此井送入井下，因此空气压缩机房在副井周围。矿井排水至地表后常由明渠排至江河中，排水明渠离压气房不远。将一段排水明渠设一闸板，使渠内水层加深，换热管束沉于矿井排水层中，管束内流过循环热水，管束外流过矿井排水，两者逆流布置。空气压缩机排出的热水汇入热水池，由热水泵从热水池中抽至管束内流过，换热后流回空气压缩机的冷却水池中供空气压缩机冷却用。换热管束沉于矿井排水层下，水较深，从矿井送来的冷水经管束吸热后上浮由闸板溢出，图3为示意图。

图3 换热管束示意图

3 换热管束设计计算

3.1 设计计算内容

换热管束是管内热水与管外矿井水之间的换热装置。设计计算时，要根据其要求循环水的温差和流量确定换热量，再根据结构尺寸与换热状态计算传热系数K，由K计算定下换热管束的表面积，最后确定管束的长度和单根管道的直径。

计算传热系数K 按管内压力水流和管外无压流动的状态近似计算。计算时要确定管内热水对管内壁的对流换热系数α1，以及管外壁矿井排水无压流动时对外壁的对流放热系数α2，为了计算上述内容，还需要现运行空气压缩机的参数，如二级压缩过程指数、中间冷却器的参数等。

3.2 空气压缩机运行参数确定

3.2.1 二级压缩过程平均指数确定

如二级压缩的进气温度T1和压力p1以及排空温度T2和压力p2，则二级过程平均指数：

3.2.2 中间冷却器换热系数和换热面积之乘积KF确定

v0——理论排气量；

ρ0——大气状态（标准）空气密度。

3.2.3 确保二级排气温度T2-2达标

应确保二级吸气温度T2-1，空气压缩机二级排气温度行业规定t2-2≤160℃，即已知为T2-2=t2-2＋273℃=433K 。

3.3 空气压缩机循环冷却水工作温度确定

中间冷却器工作计算温差Δtmz由下式计算：

3.4 矿井排水换热管束设计

3.4.1 换热管束结构确定

3.4.2 换热管束传热系数的确定

换热管束传热过程为：循环热水对管内壁表面放热，再通过管壁导热，传到管壁外表面对管束外的矿井排水对流放热。其热阻由三部分组成：内壁对流热阻、壁厚导热阻、管外壁对流热阻。根据传热计算公式传热系数：

其中：α1为内壁对流放热系数; α2为外壁对流放热系数; λ 为管壁材料导热系数。

α1、α2通过相似准则方程计算：

3.4.3 矿井排水换热管束耗热量确定

3.4.4 管束长度确定

前面已确定了管束中管子根数Z 和内径d ，为便于计算，管束外矿井排水温按定温处理，这主要是矿井排水量大，换热时间短，这样也便于分析，其换热对数温差Δtms为：

4 效果及注意事项

经改造大气温为36 ℃时，循环冷却水工作温度为27 ℃～29 ℃，空气压缩机二级排气温度为148 ℃～152 ℃，控制了排气温度超标现象。据粗略统计可省电5.1%，因为每天实际排风量均在变化，故节电数字对比只是一个粗略参考值。

此项改造时，要保留原有的空气压缩机的循环水冷却系统，季节变化时，当矿井排水温度高于大气温度时，宜用原来的循环水冷却系统。

矿井排水换热管束外表易结泥尘，影响传热效果，要常清洗，设置时应考虑方便清洗外表泥尘。矿井排水明渠置放换热管束的区段，最好用一溢流闸门，正常工作时矿井排水溢过闸门，以确保换热管束所需沉没的水层深度，清洗外积泥尘时，将闸门全开，泥尘可顺流冲走。

由于矿井排水中的成分复杂，一般通常不宜将其直接用于矿用空气压缩机的冷却，尽管这样冷却效果好，且设备改动小，但会对空气压缩机产生腐蚀和结垢，这类故障很难处理。只有经化验其成分达到冷却水要求时方可真接用于空气压缩机的冷却。

［1］蔡文娟.物理化学［M］.北京：冶金工业出版社，1995.

［2］朱光俊.传输原理［M］.北京：冶金工业出版社，2009.