不同取热方式对矿井通风系统阻力的影响研究

文_霍海红 司瑞江 关小枝

1 北京中矿赛力贝特节能科技有限公司 2 晋能控股煤业集团赵庄煤业有限责任公司

1 喷淋换热系统阻力分析

喷水室是一种直接接触式的热、湿处理设备。冷冻水由喷水室的喷嘴喷出,使喷水室中充满喷雾，与矿井回风的空气进行热湿交换。空调系统中主要目的为对空气进行降温、除湿处理，同时对空气起一定的净化作用，而应用于矿井回风余热利用系统时主要目的为对冷冻水的温度进行提升，从而达到回收回风热量的目的。喷水室由喷嘴、喷嘴排管、前、后挡水板、外壳、底池、水泵、循环水系统及附属设备组成。通常的喷淋换热系统的阻力主要由以下部分组成：

水苗阻力

喷嘴管排阻力

式中Z-管排数；v-喷水室断面风速，m/s。

挡水板阻力

式中 -挡水板阻力系数。

目前喷淋换热系统的配置，b取值0.075，喷水系数通常为1.0，喷嘴压力0.1MPa，管排数为2，挡水板阻力系数10，空气密度取值1.28。将上式带入数据进行计算整理得到公式（4），根据公式（4）计算喷淋换热系统阻力如图1所示，可以得知，喷淋系统的阻力主要和过风风速有关，只要控制喷淋换热区域风速在3.0m/s以下，则喷淋系统的阻力附加值80Pa以下。

图1 喷淋换热系统阻力图

2 间壁式换热器阻力分析

2.1 间壁式换热器的技术原理

间壁式取热器通常是充分利用乙二醇溶液在低温下不易凝固，仍然具备很好的流动性能，因此采用乙二醇溶液作为取热载体，矿井回风专用乙二醇间壁式溶液换热器与矿井回风相连，低温乙二醇溶液通过间壁式换热吸取矿井回风余热，之后进入热泵机组，热泵机组制取40～50℃热水供采暖。

2.2 技术特点

不同乙二醇溶液浓度不同其冰点也不同，30%乙二醇溶液-14.1℃；在低温运行取热工况下，乙二醇溶液温度低于0℃，本身不会冻结凝固，加大了取热温差，矿井回风冷凝释放潜热；乙二醇溶液在低温运行过程中，对矿井回风进行了冷凝除湿过程，回收了矿井回风显热的同时也回收了潜热。对于回风温度较高时也可以直接通水进行换热，此时设计工况要求供水温度大于0℃，不可使得系统结冰。

间壁式换热器的流动阻力可以根据下式（5）进行计算。

式中 P2—间壁式阻力，Pa；Re—雷诺数，2000～50000; S1—纵间距，50mm；S2—横间距，50mm；db—基管直径，25mm；N—管排数，6～8；qm—质量流量，6～8 kg/s。

通过分析数据计算，间壁式换热系统的阻力主要取决于管排数和过风流道的质量流速，通常控制管排数为6～8排，质量流速处于8 kg/s以下，则系统附加阻力在200 Pa左右。

3 热管换热器阻力分析

3.1 热管工作过程

蒸发段的液态工质吸收热源的热量后在气液分界面上迅速蒸发汽化；汽态工质在微小的压差下经绝热段迅速到达冷凝段；冷凝段的气态工质向被加热介质放出热量后迅速冷凝成液态；液态工质经吸液芯回流至蒸发段，再次在蒸发段吸热汽化，如此循环不已，热量便从一端传到了另一端。

3.2 热管特性

很高的导热性；优良的等温性；热流密度可变性；热流方向的可逆性；热二极管与热开关性能；恒温特性（可控热管）。

3.3 热管换热器阻力计算

热管换热的本体也是翅片管式换热器，因此其阻力计算可以参考间壁式翅片式换热进行计算，但是由于热管换热器通常是蒸发段和冷凝段的过风流量不相同，因此需要对蒸发段和冷凝段进行分开计算。根据热管定型尺寸进行计算后得出图2及图3所示的阻力曲线图。从两图可以得知，热管换热器的主要阻力和过风风量密切相关，冷凝段的阻力在额定工况其阻力可以控制在200Pa以下，蒸发段的阻力在额定工况其阻力可以控制在150Pa以下。

图2 冷凝段阻力图

图3 蒸发段阻力图

4 结语

通过上述分析证明喷淋式换热系统的阻力在喷淋换热系统装置内部设备定型时，主要取决于喷淋断面的过风风速，控制喷淋换热区域风速在3.0m/s以下，则喷淋系统的阻力附加值可以有效控制在80Pa以下。间壁式换热器和热管换热器都是翅片式换热器组成形式，两者阻力附加值和众多因素相关，对附加阻力起决定性作用的参数为管排数和过风风速，其中间壁式换热器的附加阻力通常控制管排数为6～8排，质量流速处于8kg/s以下，则系统附加阻力在200Pa左右。热管换热器的附件阻力需要分蒸发段和冷凝段分别分析，在热管换热器的额定过分风速下，冷凝段附加阻力可以控制在200Pa以下，蒸发段的附加阻力不超过150Pa。因此，在设计喷淋换热系统和间壁式换热系统时，间壁式系统的附加阻力相对较大需要针对性分析其对原有矿井通风主扇的影响并采取一定的措施。设计热管式换热器时其附加阻力介于喷淋系统与间壁式系统之间，相对而言冷凝段的附加阻力稍大，可以设置局部送风机进行正压送风，蒸发段的附加阻力不大设计时可考虑由通风主扇克服不再另行配置局扇。

本文主要对现有余热回收系统中三种不同取热方式对矿井通风系统阻力起决定性影响因子进行了分析讨论，热回收系统对于矿井通风系统形成附加阻力尚有众多限制因素与附加影响，尚需进一步分析论证。