煤矿井下工作面设备循环冷却水系统设计

朱 毅

（1.河南理工大学，河南 焦作 454000；2.晋城煤业集团 成庄矿，山西 晋城 048021）

0 引言

晋煤集团成庄矿5310 工作面是大采高工作面，走向长度2540m，倾斜长度246m，平均煤层厚度5.75m，煤层倾角2～8°，主要配套设备有采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、皮带等，其中需要用水冷却的设备有采煤机（用水量471 L/min）、电动机（用水量180L/min）、减速器（用水量 130L/min）、 偶合器（用水量240L/min），合计用水量达到1021L/min，其中冷却用水495L/min，喷雾用水526 L/min。

目前该工作面采用的冷却和喷雾系统为单向直流系统，出于保护电机和减速器的目的，冷却水处在长开状态，只有少部分在设备运转时用作喷雾，其余的冷却水通过排水管或专用冷却回水管直接流到集中排水管中。按工作面设备每天工作18小时计算，冷却水用水量约为534.6m3。冷却水经过设备后直接排放，造成以下问题：①水资源的大量浪费；②废水需要通过水泵提升到地面，耗费大量电能，造成资源的二次浪费；③为了避免电机过热，现场工作人员利用红外测温仪人工测量电机温升，效率较低；④被浪费的水与煤粉混合形成水煤，严重影响生产，造成排水系统堵塞和水泵损坏。

结合工作面配套设备和喷雾用水量分析，设计一套冷却系统循环利用井下水资源具有非常重要的意义。

1 循环冷却水系统设计

1.1 设计方案

以工作面电机为例，防爆型水冷电机定子外壳设计有冷却水套，冷却水从入水口进入，依次通过所有水道冷却电机。改变冷却水流速，温度场边界条件发生变化，电机的温度分布也就有所不同。根据理论计算及实验，设计方案如图1所示。

图1 循环冷却水系统控制工艺图

系统由冷却水主回路、辅助回路组成，其中主回路包括水箱、主循环水泵和电磁阀组成。由主循环水泵提供的冷却水在被冷却电机中快速循环，从而把电机运行产生的热量迅速带走，防止电机过热损坏。主回路同时担负着供支架喷雾和采煤机喷雾用水的任务，加快水箱内冷却水循环速度，确保冷却效果。

辅助回路由补水阀、排水阀和热交换器组成。设计时将冷却管穿过水箱，利用井下主供水管中的冷水对水箱中的热水进行冷却。为提高热交换效率，冷却管采用双排并列安装的形式，增加热交换面积。

1.2 水箱容积设计

（1）电机发热量计算。电机温度升高主要是运行中的电动机铁心处在交变磁场中产生铁损，绕组通电后产生铜损，还有其他杂散损耗及机械摩擦损耗等，这些都会使电动机温度升高。电机的损耗可以用电机额定功率的10%进行估算。5310 工作面电动机额定功率400kW/台，单台损耗近似为40kW。

（2）温升计算。假设使用2m3的水对电机进行循环冷却，两台400kW 电机1小时产生的热量使得水温升高计算如下：

式中：Q—发热量（J）；Cp—冷却介质的定压比热（J/Kg℃），水为4.2kJ/Kg℃；ρ—冷却介质的比重（Kg/m3）；V—冷却介质体积（m3）； ΔT=T2-T1—冷却介质进出温度差（℃）。

Q=40×1000×2×3600=4.2×1000×1000×2×△T

两台电机1小时产生的热量可使2m3的水升高34℃。

（3）水箱及热交换管设计计算。由于井下安装空间的限制，水箱的高度、宽度为限定值，长度可以调节。根据现场实际情况，设计水箱高度1m，宽度1m，不考虑壁厚，容积为2m3的水箱长度为2m。

水箱内安装的冷凝器为公称直径400mm的列式冷凝器，每组冷凝器由110根冷凝管并列组成，冷凝管内径/外径 12.7/13mm，长度 1500mm，公称压力 2.5Mpa，冷凝器进出口均为DN100 法兰。两套冷凝器的近似体积为： π×R2×l=3.14×0.22×1.5=0.1884m3。

为保证冷却水体积为2m3，水箱体积需再增加184.4mm，即长度为2200mm。

2 冷却效果分析

热传递的形式主要有三种：热传导、热对流和热辐射，液体和气体因具有流动的特性，热传递方式除导热外主要是热对流。对流传热的基本计算如下：

式中：Φ—热流量，单位时间内的对流传热量（W）；A—与流体接触的壁面面积（m2）；α—对流传热系数（W／（m2·K））； Tw—壁面温度（K）； Tf—流体平均温度（K）。如果把温差记为△T，并约定取正值，则Φ=αA△T。

对流传热系数α简称为传热系数，它不仅取决于流体的物理性质以及传热表面的形状与布置，而且还与流速有密切的关系。α的定性计算非常复杂，强制对流时，可采用经验公式：

空气中传热系数： α=20～100W/m2·K

水中传热系数： α=1000～15000W/m2·K

冷凝器热交换面积：

其中： F=nπdl=2×110×π×0.013×1.5＝13.47m2；Q—热交换量；△t—进出口水温差，这里取34℃；K—换热系数， 取 8000w/m2℃。 则： Q=1.32×107kJ。

通过上述计算，工作面所有设备装机功率为10175kW，温升34℃时的总发热量为3.663×106kJ，远小于理论热交换量，反之推算出实际的温升t=9.44℃。

3 结论

根据该工作面的实际冷却用水和喷雾用水量计算，设备正常供水可以实现温升小于10℃的恒温差强制对流热交换，从而保证工作设备的冷却效果。

在实际应用中，通过在水箱和电机的进出水口加上温度传感器，对冷却水的运行情况进行实时监测，一旦水温出现异常情况能够及时发现，尽早处理，避免因设备冷却问题对生产带来的影响。