井下水力通风换热机温升效果研究

龚孔成

(江苏省有色金属华东地质勘查局,江苏 南京 210007)

深部开采是矿业发展的必然[1-3]。而在金属矿山深部开采过程中,矿井通风系统出入端通风阻力增大，占比高达 60%以上，导致通风成本急剧增加，同时，深井高温导致工作面环境的恶化，为改善工作面温度环境，需要增加风量以排出更多的热量，对通风系统动力提出了更高的要求。深井热水一直被认为是不利因素而加以控制，没有从通风节能机理的角度研究温度势，实现高温深井通风节能；我国已有地热资源综合利用的相关报道[4-6]。本研究利用温差能驱动通风的原理，提出利用水力通风换热机将地下热水的势能和热能转换为风流的动能和内能，并利用MATLAB进行相关数值模拟研究，优化相关参数，从而增强深井通风系统内温差能驱动动力，以期达到深部矿井通风系统安全、高效、节能运转的目的。

1 水力通风换热原理

水力通风机基本结构如图1。

利用矿山内部的热源之一地下热水通过引流管向下引流至位于回风井的水力通风换热机，使其冲击水轮机，引起叶轮高速旋转并联动上方扇风机叶片转动，形成沿螺旋通道向上的风流。同时地热水从水轮机底部向下流动,在换热室内的螺旋曲面板片处积聚；已积聚的热水又从螺旋曲面板上的许多小孔向下一塔节流动,在螺旋通道中形成热水雨帘，并与沿螺旋通道向上的风流对流换热,实现有效的热交换过程。换热后的风流经风筒注入巷道内，换热后的热水则由井下排水系统处理[7-10]。

图1 水力通风换热机构造

2 换热风量确定

想要将换热机产生的热风来驱动深井通风系统，则必须要有一定的风量。根据位能转化，换热机的转速n1的计算公式为[11]

(1)

式中，n1为水轮机转速，r/min；ω为水轮机最优速度比，取ω=0.5[12-13]；φ为孔口流速系数，取0.97[14]；g为重力加速度，9.8 m/s2；H为地下热水水头，m；D1为水轮机转轮直径，0.35 m。

换热机理论风量的公式为[11]：

(2)

式中，Q为扇风机理论风量，m3/s；ε为风量系数，0.7；D2为扇风机叶轮外径，1 m；n2为扇风机转速， r/min。

设水轮机转速n1等于扇风机转速n2，因此联立式(1)、式(2)得

(3)

化简得

(4)

3 出风口温度数值研究

将换热机产生的热风注入矿内回风道，提升回风道温度，利用温差能作为辅助深井通风动力来驱动深井通风系统。热风温度越高，两股风流间的温差能越大，通风动力越强。

3.1 数学模型

风流与热水在换热室的换热过程包含了许多影响因素,但一些因素对模拟换热影响很小,因此，为了方便，可进行一些简化假设：①忽略风流中杂质及风流湿度的影响；②以湍流强迫对流传热形式换热；③换热过程无相变；④由于风流加热前后密度变化微小，故可认为换热器进出风口风量相等。

由牛顿冷却公式：

φ=ah·S·Δt，

(5)

(6)

其中，

；

和热平衡公式：

Qh=φT=mgcpgΔtg=mwcwgΔtw,

(7)

经过迭代运算可得：

；

(8)

上述式中，φ为对流换热热流量，kW；ah为对流换热系数，kW/ (m2·℃)；S为对流换热表面面积，m2；Δt为热水与井下风流平均温度之差，℃；tk、tkh分别为每次换热前后风流的温度，℃；ts、tsh分别为每次换热前后热水的温度，℃；Qh为总对流换热量，kJ；T为每次换热气液接触时间，s；mg、mw为在时间T内参与换热的风流、热水的质量，kg；cp为空气的定压比热容， 1 005 kJ/(kg·℃)；cw为水的定压比热容，4 200 kJ/(kg·℃)；Δtg换热前后风流的温差，℃；Δtw为换热前后水的温差，℃。

3.2 换热过程参数确定

3.2.1 螺旋曲面板流过热水的小孔的个数确定

换热机每块螺旋曲面板上含有60个半径5 mm的圆形小孔，但实际流过热水的小孔还需由热水流量与水的流速等因素确定。假设水流从水轮机底部流向曲面板时，水流分布均匀，即塔节上每块螺旋曲面板的水流量相等，则单个螺旋曲面板流过热水的小孔个数可由下式确定：

(9)

式中，Qs为通过水轮机的总水流量，m3/s，其大小可由喷嘴处射流速度与喷嘴半径确定；nl为1个塔节的塔板个数，18；rk为塔板孔半径，0.005 m；vsl为水流从水轮机底部流向曲面板后的垂直向下速度， m/s。

忽略换热机与热水的摩擦阻力，并认为水流刚通过水轮机后，不具备向下的初速度，水流做自由落体运动由水轮机底部流向螺旋曲面板，则：

(10)

式中，tsl为水从水轮机底部到曲面板表面所用时间，s；hsl为水轮机底部到曲面板孔的垂直距离，0.2 m。

3.2.2 换热总面积确定

热水从螺旋曲面板小孔流出,形成液柱，进而流到下一塔节，液柱与风流接触，完成一次换热过程。液柱总的侧面积就是换热面积。设小孔直径d，单个塔节高度为h，则换热总面积S与小孔半径rk、流过热水的小孔个数nk、单个塔节高度h的关系为

S=nk·2πrkh.

(11)

3.2.3 气液接触时间T与风流的螺旋流速u确定

单个螺旋塔节展开图为矩形，矩形对角线即为单个塔节所在的螺旋线[16]，矩形长为换热机圆形机身周长，换热机机身直径为b,则每次换热时风流流经的距离L为

(12)

换热器通道流动截面积为一个圆环，其面积

rz为换热机机柱半径。则换热室风流在竖直方向上的流动速度vs=Q/S,Q为换热机风量大小；每个塔节内气液接触时间

；

风流的螺旋流速

3.2.4 T时间内换热的风流和水的质量

风流量可以用在T时间内扇风机产生风流质量进行计算：mg=QggT，其中p为空气密度；水的质量以T时间内喷嘴流过的水的质量计算：mw=QwgT。

3.3 换热效果模拟计算

利用计算机软件MATLAB7.0编写了一个计算程序，用以实现换热过程的迭代运算。基本参数：水头H为260 m、地热水温度为55 ℃、空气初始温度为24 ℃，结果如表2所示。

表2 各层塔节风流温度模拟计算结果

扇风机风量为54 m3/s；同时风流经过对流换热，温度最终上升到34 ℃左右。换热室风流与风流换热高度拟合曲线及拟合公式见图2。观察图2可知，风温随换热高度的增加而升高，且曲线的拟合程度接近于1，可认为换热室风流温度与换热高度的变化为线性增加关系。

图2 风流温度随换热高度增加的变化曲线

4 不同因素对换热机空气升温效果影响研究

为了确定各因素对换热机内风流升温效果的影响程度，进行了正交试验[17]。选取了热水水头H、热水温度T1、换热室进风温度T23个因素，各个因素取3个水平，表3为各因素及其水平值。

表3 因素水平

研究采用L9(34)正交表，其评价指标为换热室出风温度，共进行了9次模拟试验，表4为模拟结果。

表4 正交试验设计方案直观分析

由表4可知：若A、B、C分别代表热水水头、热水温度、进风温度，取每个因素出风温度最高的为优水平，则A3B1C1为最优水平组合，即换热机最优外部环境条件为热水水头390 m，热水温度55 ℃，进风温度为26 ℃。

观察3个因素的极差值R可知，R(A)>R(C)>R(B)，因此换热室出风温度影响因素排序为A>C>B，其中影响最大的因素是热水水头。由表可看出，A、B、C3因素在表中呈现明显的正相关关系；也就是说，通常情况下，其他条件不变，热水水头越大，换热室出风温度越高。热水温度、进风温度这2因素也是如此。

5 结 论

(1)水力通风换热机输出风量与通风机的结构参数和水头有关。因此对同一换热机而言，输出风量与热水水头成正比，换热机输出风量可达50 m3/s，可以明显提升矿井通风系统中的温差能。

(2)运用MATLAB软件对特定参数下的换热机风流升温效果进行数值研究，空气温度升高了10 ℃，升温效果良好。

(3)换热机内风流升温重要度排序为地下热水水头>进风温度>地下热水温度>换热高度。

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