礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)

紀(jì)海維 張進(jìn) 范紅 陳柳

摘 要：隨著礦井開采深度加深，深部熱害現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，影響了深部礦井的安全生產(chǎn)。提出了一種新型礦井涌水冷熱利用的深井降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空氣處理單元、再生空氣單元、低溫涌水系統(tǒng)及高溫涌水系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)從礦井低溫涌水中提取冷量用于空氣處理單元的三級(jí)空氣冷卻器。系統(tǒng)從礦井高溫涌水提取熱量用于兩級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的除濕再生，轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的深度除濕。再生熱回收器回收了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的吸附熱，進(jìn)一步提高了高溫涌水的溫度。應(yīng)用TRNSYS軟件建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)和能耗模擬，模擬獲得系統(tǒng)的降溫除濕性能和能耗性能。模擬結(jié)果表明：當(dāng)?shù)V井空氣溫度為30～40 ℃，相對(duì)溫度為60%～90%，低溫涌水溫度為22 ℃時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口溫差大于10 ℃，進(jìn)出口含濕量差大于15.0 g/kg，能滿足不同深部礦井降溫除濕的需要，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)大于1.60。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需制冷機(jī)組，能耗低，適用于有涌水充足的礦區(qū)對(duì)工作面進(jìn)行降溫。關(guān)鍵詞：礦井;涌水;降溫;除濕 中圖分類號(hào)：TD 727

文章編號(hào)：1672-9315（2022）01-0083-08?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0112開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Development of mine cooling system with mine

influx water cold-heat method

JI Haiwei，ZHANG Jin，F(xiàn)AN Hong，CHEN Liu

（College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：With the increasing of mine exploitation depth，the heat-harm is becoming more serious，and the mining safety is threatened.A new mine cooling system with mine influx water cold-heat utilization is proposed.The system consists of air cooler，desiccant wheel，regenerative air system，low-temperature influx water system and high-temperature influx water system.Air cooler of air handling system draws cold energy from the low-temperature influx water system.Regenerative air system draws regenerative thermal energy from the high-temperature influx water system.Regenerative recovery heat exchanger recovers adsorption heat of desiccant wheel through heat exchange between the high-temperature influx water and the regenerative exhaust air.The TRNSYS software is adopted to build the simulation model of the mine cooling system with mine influx water cold-heat method.Through the simulation of thermodynamic and the energy consumption of system，the performance of cooling and dehumidifying and the performance of energy consumption were analyzed.The simulation results show that when the mine air temperature is between 30? ℃ and 40 ℃，the mine air relative humidity is between 60% and 90%，and the low-temperature influx water temperature is 22 ℃，the temperature difference between inlet and outlet of the system is greater than 10 ℃，the humidity ratio difference between inlet and outlet of the system is greater than 15 g/kg，and thermal coefficient of performance is greater than 1.60.The system is simple in structure

with dailer units undesired and energy consumption lower.Key words：deep mine;influx water;cooling;dehumidification

0 引 言

隨著采礦業(yè)的發(fā)展，深部采礦是不可避免的。隨著現(xiàn)有礦山開采深度的增加，急需解決深部開采產(chǎn)生的高溫?zé)岷栴}。高溫?zé)岷Φ拇嬖趪?yán)重影響礦工身心健康，還會(huì)誘發(fā)瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重威脅了礦山生產(chǎn)安全[1-4]。礦井熱害不僅是目前急需解決的問題，而且從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，它對(duì)我國(guó)今后進(jìn)一步開發(fā)深部礦產(chǎn)資源具有戰(zhàn)略意義。深部高溫?zé)岷Ψ乐沃饕?個(gè)方法，一種是采用非人工制冷降溫措施，如通風(fēng)降溫;另一種是采取人工制冷降溫技術(shù)。在深井降溫系統(tǒng)中，主要采用人工制冷降溫技術(shù)，原理是通過制冷機(jī)組制備低溫載冷劑（冰或低溫冷水），經(jīng)保冷管道輸送到空氣冷卻器，深井高溫高濕風(fēng)流通過空氣冷卻器與低溫載冷劑進(jìn)行熱濕交換，降低風(fēng)流溫度和濕度后送到工作面，從而達(dá)到深部礦井熱害控制的目的[5-7]。深井降溫系統(tǒng)空氣冷卻器性能直接影響了系統(tǒng)降溫效果[8-9]。盡管對(duì)空氣冷卻器進(jìn)行了除垢、提高傳熱系數(shù)等措施，但設(shè)備降溫除濕能力有限，造成礦井工作面溫度和濕度過高[10-12]。此外，空氣冷卻器采用的介質(zhì)均來自低溫制冷機(jī)組，礦井機(jī)械制冷系統(tǒng)能耗很大，礦井冷卻系統(tǒng)最多可占礦井總耗電量的25%[13-16]，導(dǎo)致很多礦區(qū)雖然安裝了礦井機(jī)械制冷系統(tǒng)，但實(shí)際卻不運(yùn)行。因此，急需研究新型礦井降溫系統(tǒng)。GUO等提出回收深井降溫系統(tǒng)冷凝器的熱量，并將回收的熱量供給地上熱泵系統(tǒng)，與其它礦井的冷卻系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的能效比COP比其它礦井高30%[17]。陳柳等利用充填體提取圍巖地?zé)狎?qū)動(dòng)吸附制冷系統(tǒng)治理高溫礦井的熱害，實(shí)現(xiàn)了地?zé)狎?qū)動(dòng)礦井降溫系統(tǒng)[18]。TRAPANI等評(píng)估了2 500 m深的礦井各種降溫系統(tǒng)的能耗，結(jié)果表明利用地?zé)岬慕禍叵到y(tǒng)的運(yùn)行成本較低[19]。深部礦井在不同水平下，有不同水溫的涌水，幾乎不隨季節(jié)變化，可從低溫涌水中提取冷源，從高溫涌水中提取熱源[20-23]。通過使用高水平礦井涌水的熱泵系統(tǒng)可以比傳統(tǒng)方法每年減少67%的采暖成本和50%的冷卻成本[24-25]。因此，如能將礦井涌水的冷量和熱量合理用于深井吸附制冷系統(tǒng)中[18]，必將減少深井降溫系統(tǒng)的能耗。因此，文中提出采用吸附制冷原理利用高水平高溫涌水驅(qū)動(dòng)除濕，利用低水平低溫涌水冷卻降溫的新型礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)，應(yīng)用TRNSYS瞬態(tài)模擬軟件對(duì)系統(tǒng)并進(jìn)行熱力學(xué)分析，探討系統(tǒng)的降溫能力。

1 礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理文中提出的礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)由空氣處理系統(tǒng)、再生空氣系統(tǒng)、低溫涌水系統(tǒng)及高溫涌水系統(tǒng)組成，如圖1所示。

空氣處理系統(tǒng)由一級(jí)空氣冷卻器、一級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)除濕區(qū)、二級(jí)空氣冷卻器、二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)除濕區(qū)、三級(jí)空氣冷卻器和處理風(fēng)機(jī)組成。轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)分為除濕區(qū)和再生區(qū)2部分。除濕區(qū)用于對(duì)礦井空氣除濕，除濕后達(dá)到飽和后在電機(jī)作用下移動(dòng)到再生區(qū)。由于除濕會(huì)放出吸附熱，空氣溫度會(huì)進(jìn)一步升高，系統(tǒng)采用三級(jí)空氣冷卻器的方式進(jìn)行降溫。一級(jí)空氣冷卻器用于對(duì)空氣初步冷卻，二級(jí)和三級(jí)空氣冷卻器用于空氣的深度冷卻，制備出低溫低濕空氣，送至工作面，實(shí)現(xiàn)工作面的降溫除濕。再生空氣系統(tǒng)由再生空氣加熱器、輔助電加熱器、轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生區(qū)、熱回收器和再生風(fēng)機(jī)組成。再生空氣加熱器的熱源是來自高溫涌水系統(tǒng)的熱水。設(shè)置了熱回收器將轉(zhuǎn)輪除濕再生排風(fēng)和低溫涌水供水進(jìn)行換熱，換熱后的高溫回水送入高溫涌水水倉(cāng)。經(jīng)熱回收器的再生空氣排風(fēng)溫度降低，可直接排入巷道直接將排風(fēng)送入巷道或引入回風(fēng)巷。低溫涌水系統(tǒng)包括：低溫涌水水倉(cāng)、水質(zhì)處理裝置、板式換熱器及水泵。低溫涌水系統(tǒng)分為2部分，一次側(cè)水系統(tǒng)及二次側(cè)水系統(tǒng)，系統(tǒng)分區(qū)為2部分的目的是降低低溫涌水系統(tǒng)承壓能力。低溫涌水水倉(cāng)的低溫水經(jīng)水處理設(shè)備處理后送入板式換熱器，與二次側(cè)水換熱后經(jīng)水泵加壓送回低溫涌水水倉(cāng)。二次側(cè)水系統(tǒng)與板式換熱器換熱后的冷水送入空氣處理單元的一級(jí)空氣冷卻器和二級(jí)空氣冷卻器，與空氣進(jìn)行熱濕交換后升溫。高溫涌水系統(tǒng)包括：高溫涌水水倉(cāng)、水質(zhì)處理裝置及水泵。高溫涌水水倉(cāng)的高溫水經(jīng)水處理設(shè)備處理后送入再生空氣加熱器，與轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生區(qū)后高溫空氣進(jìn)行熱交換，水溫升高后，經(jīng)水泵送回高溫涌水水倉(cāng)。

1.2 系統(tǒng)空氣處理過程礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)的空氣處理單元將井下用風(fēng)點(diǎn)的空氣處理成低溫低濕空氣送入礦井工作面。再生空氣單元用于提供轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生所需的再生空氣?？諝馓幚磉^程如圖2焓濕圖所示，礦井要處理的高溫高濕空氣A在處理風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入一級(jí)空氣冷卻器，與二次側(cè)冷水進(jìn)行熱交換，空氣的露點(diǎn)溫度一般高于冷水溫度，經(jīng)一級(jí)空氣冷卻器實(shí)現(xiàn)冷卻減濕空氣處理過程。冷卻減濕后的空氣B進(jìn)入轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)，實(shí)現(xiàn)增焓減濕的空氣處理過程。經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)增焓減濕后的空氣C進(jìn)入二級(jí)空氣冷卻器，在二級(jí)空氣冷卻器中，由于空氣露點(diǎn)溫度較低，低于冷水溫度，空氣被等濕減濕，處理后的空氣為低溫低濕空氣。經(jīng)二級(jí)空氣冷卻器冷卻后的低溫低濕的空氣D進(jìn)入采掘工作面對(duì)工作面降溫除濕。

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型建立及模擬

2.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型建立利用瞬態(tài)仿真程序TRNSYS對(duì)礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)進(jìn)行建模和模擬。根據(jù)圖1所示的礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)建模，所用部件主要有一級(jí)和二級(jí)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)用Type 683，一級(jí)、二級(jí)及三級(jí)表冷器用Type 508，風(fēng)機(jī)用Type 112，空氣加熱器用Type 91，輔助電加熱器用Type 643，模擬模型如圖3所示。如圖3所示。圖中一級(jí)空氣加熱器和二級(jí)空氣加熱器的熱水來自高溫涌水系統(tǒng)，圖中一級(jí)表冷器、二級(jí)表冷器和三級(jí)表冷器的冷水來自低溫涌水系統(tǒng)。處理空氣與再生空氣的流量比為3∶1。

2.2 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)的降溫除濕性能用系統(tǒng)出口溫度和濕度進(jìn)行評(píng)價(jià)，系統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)用系統(tǒng)熱力性能系數(shù)TCOP評(píng)價(jià)，TCOP定義如下

TCOP=QQr

1）式中 Q為系統(tǒng)制冷量;Qr為兩級(jí)輔助電加熱器的總加熱量，kW。

（2）式中

qA為處理空氣質(zhì)量流量，kg/s;hA為處理空氣入口焓值，kJ/kg;hF為處理空氣出口焓值，kJ/kg。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 處理空氣溫度影響分析處理空氣的相對(duì)濕度為75%，低溫涌水供水溫度為18 ℃，高溫涌水供水溫度為50 ℃，再生溫度為70 ℃。為了分析礦井空氣溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，處理空氣溫度tA從30 ℃變化到40 ℃，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖4～5所示。

系統(tǒng)出口溫度tF和系統(tǒng)出口含濕量dF模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，礦井空氣溫度越高，系統(tǒng)出口溫度越高，出口含濕量越大。這是因?yàn)楸砝淦鲗?duì)高溫空氣的冷卻能力下降，以及高溫會(huì)不利于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)中硅膠材料的物理吸附作用。系統(tǒng)的進(jìn)出口最小溫差為11.1 ℃，系統(tǒng)進(jìn)出口最小含濕量差為15.6 g/kg。相比傳統(tǒng)礦井降溫系統(tǒng)，系統(tǒng)降溫除濕能力更強(qiáng)[13]。由圖5可知，礦井空氣溫度從30 ℃增加到40 ℃，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從1.70增加到2.55，因此，文中提出的礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)在高溫礦井條件下具有很好的節(jié)能性。

2.3.2 處理空氣濕度影響分析處理空氣的溫度為34 ℃，低溫涌水供水溫度為18 ℃，高溫涌水供水溫度為50 ℃，再生溫度為70 ℃。為了分析礦井空氣濕度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在處理空氣相對(duì)濕度φA從60%變化到90%，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖6～7所示。

由圖6可知，隨著礦井空氣相對(duì)溫度的增加，系統(tǒng)出口溫度迅速增加，而系統(tǒng)出口含濕量變化不大，說明系統(tǒng)中轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的對(duì)高濕空氣的除濕能力強(qiáng)。原因在于高濕空氣增加了轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的傳質(zhì)推動(dòng)力，除濕量增加，放出吸附熱也隨之增加。隨著礦井空氣相對(duì)濕度從60%增加到90%，系統(tǒng)進(jìn)出口溫差從14.6 ℃降低到11.7 ℃，系統(tǒng)進(jìn)出口含濕量差從15.6 g/kg升高到26.7 g/kg。由圖7可知，隨著礦井空氣相對(duì)濕度從60%增加到90%，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從1.84增加到2.67，因此，文中提出的礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)在高濕礦井條件下具有深度除濕和能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

2.3.3 低溫涌水溫度影響分析處理空氣的溫度為34 ℃，處理空氣的相對(duì)濕度為75%，高溫涌水供水溫度為50 ℃，再生溫度為70 ℃。為了分析低溫涌水溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，低溫涌水溫度twl從14 ℃變化到22 ℃，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖8～9所示。

℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)出口溫差為10.9 ℃，系統(tǒng)進(jìn)出口含濕量差為21.6 g/kg。因此，當(dāng)?shù)蜏赜克疁囟葹?2 ℃時(shí)，可滿足大多數(shù)高溫礦井的降溫除濕要求。由圖9可知，隨著低溫涌水溫從16 ℃增加到22 ℃，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從2.43降低到2.03，低溫涌水溫度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響并不大。

2.3.4 高溫涌水溫度影響分析處理空氣的溫度為34 ℃，處理空氣的相對(duì)濕度為75%，低溫涌水供水溫度為18 ℃，再生溫度為70 ℃。高溫涌水溫度不影響系統(tǒng)降溫除濕性能。高溫涌水溫度twh從40 ℃變化到60 ℃，分析高溫涌水溫度對(duì)系統(tǒng)能耗的影響，模擬結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，隨著高溫涌水溫從40 ℃增加到60 ℃，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從1.83升高到2.91，高溫涌水溫度對(duì)系統(tǒng)能耗有較大影響，當(dāng)?shù)V井有可用的高溫涌水時(shí)，可大大降低系統(tǒng)能耗。

2.3.5 再生溫度影響分析再生溫度為一級(jí)輔助電加熱器和二級(jí)輔助電加熱器的出口溫度，再生溫度對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的除濕性能影響很大，因此有必要分析再生溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。處理空氣的溫度為34 ℃，處理空氣的相對(duì)濕度為75%，低溫涌水供水溫度為18 ℃，高溫涌水供水溫度為50 ℃。為了分析再生溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，再生溫度tr從60 ℃變化到100 ℃，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖11～12所示。

由圖11可知，隨著再生溫度的增加，系統(tǒng)出口溫度增加，系統(tǒng)出口含濕量降低，原因在于再生溫度增加引起轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)除濕量的增加，同時(shí)，除濕過程釋放吸附熱也增加。隨著再生溫度從60 ℃升高到100 ℃，系統(tǒng)進(jìn)出口溫差從15.5 ℃降低到12.2 ℃，系統(tǒng)進(jìn)出口含濕量差從22.0 g/kg升高到23.2 g/kg。由圖12可知，隨著再生溫度從60 ℃升高到100 ℃，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從2.77降低到1.60，再生溫度的增加增大了系統(tǒng)的能耗。綜上所述，在滿足系統(tǒng)出口溫度和濕度的情況下，應(yīng)盡可能降低再生溫度。

3 結(jié) 論

1）系統(tǒng)設(shè)有除濕量大的轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，解決了井下除濕難題，因此具有舒適性高的優(yōu)點(diǎn)。2）系統(tǒng)從礦井低溫涌水中提取冷量用于表冷器的冷卻處理。從礦井高溫涌水提取熱量用于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的除濕再生，再生熱回收器回收轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)的吸附熱。充分利用了涌水冷量、熱量及吸附熱。3）礦井空氣溫度從30 ℃增加到40 ℃，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從1.70增加到2.55。礦井空氣相對(duì)濕度從60%增加到90%，系統(tǒng)熱力性能系數(shù)從1.84增加到2.67。系統(tǒng)對(duì)高溫高濕礦井具有降溫除濕能力強(qiáng)，能耗低的優(yōu)點(diǎn)?？傊?，文中所提出了礦井涌水冷熱利用深井降溫系統(tǒng)，可有效滿足深部礦井降溫濕系統(tǒng)的需要，并能充分利用涌水，從而降低降溫系統(tǒng)的能耗，系統(tǒng)適用于同時(shí)有低溫涌水和高溫涌水的礦井，是一種值得推廣的新型礦井降溫系統(tǒng)。

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