朱海亮 柳靜獻(xiàn) 常德強(qiáng) 初硯昊 曹雪曼 李元輝

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110819）

隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的不斷提高和發(fā)展，對(duì)于各類礦石和煤炭的需求量也在快速增加?，F(xiàn)階段，我國(guó)每年有色金屬的生產(chǎn)和銷售量可達(dá)1 000 萬(wàn)t 左右，而礦石更是存在每年高達(dá)5 000萬(wàn)t 的供應(yīng)缺口［1］。在經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采之后，較為容易開(kāi)采的處于淺層之中的礦產(chǎn)資源已消耗殆盡，礦井開(kāi)采深度日益增加，深部礦井逐漸增多［2-3］。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，很多學(xué)者源源不斷地將國(guó)外礦井開(kāi)采深度、深層礦井開(kāi)采中存在的現(xiàn)象、深井開(kāi)采中使用的相關(guān)技術(shù)等方面的信息介紹到國(guó)內(nèi)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)深井開(kāi)采技術(shù)的不斷進(jìn)步［4-6］。在我國(guó)，煤炭是非常重要的基礎(chǔ)能源，在一次能源的構(gòu)成中大約占比70%［7］，但根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，深埋于地下超過(guò)1 000 m的煤炭資源占比73%左右，所以深井開(kāi)采已成為煤炭行業(yè)乃至整個(gè)礦業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)必然趨勢(shì)。目前，我國(guó)大部分的礦井都已經(jīng)在800 m 以上的開(kāi)采深度，遼寧省撫順市紅透山銅鋅礦已經(jīng)達(dá)到了地下1 100 m，冬瓜山銅礦也達(dá)到了約1 000 m 的開(kāi)采深度［8］。從20 世紀(jì)末開(kāi)始，我國(guó)逐漸進(jìn)入到深部開(kāi)采階段，1980 年、1995 年和2000 年我國(guó)礦井平均開(kāi)采深度分別為288、428、650 m，開(kāi)采深度的增長(zhǎng)速度為每年10 m左右。隨著礦井開(kāi)采深度逐步加大，井下工作環(huán)境也越來(lái)越惡劣，并且在一般情況下，地下溫度會(huì)隨著開(kāi)采深度的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，因而井下熱環(huán)境是造成井下工作環(huán)境惡劣最主要的因素之一。高溫?zé)岷τ绊懢氯藛T的工作狀態(tài)和效率［9］，危害人員的身心健康和生命安全［10］。正常情況下人體會(huì)通過(guò)流汗蒸發(fā)的方式維持體溫的相對(duì)平衡［11］，但是在高溫高濕礦井環(huán)境中汗液難以蒸發(fā)，易打破人體的熱量平衡［12］，引起頭暈等一系列不良反應(yīng)［13］，同時(shí)熱害對(duì)工作人員身體的循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)以及心理會(huì)產(chǎn)生不良影響，并且有些影響是不可逆的［14-17］。這些危害嚴(yán)重影響了井下工作效率［18］，造成不必要的損失，影響安全生產(chǎn)，因此對(duì)于礦井熱害進(jìn)行客觀科學(xué)的評(píng)價(jià)具有重要意義［19］。日本對(duì)于礦井工作面的統(tǒng)計(jì)分析表明，高溫?zé)岷ぷ髅姘l(fā)生事故的概率為正常溫度工作面的3.6 倍以上［20］，嚴(yán)重影響人身安全。為保證井下工作人員的生命安全，同時(shí)保證深井開(kāi)采時(shí)可以達(dá)到一個(gè)較高的生產(chǎn)效率，解決高溫?zé)岷?wèn)題十分必要。目前，礦井熱害問(wèn)題防治方式主要分為機(jī)械式制冷技術(shù)和非機(jī)械式制冷技術(shù)兩種，對(duì)于非機(jī)械式制冷技術(shù)而言，經(jīng)濟(jì)性是其優(yōu)勢(shì)所在，但是制冷效果一般，機(jī)械式制冷技術(shù)可以達(dá)到良好的降溫效果但是成本較高。針對(duì)通風(fēng)降溫［21］無(wú)法滿足要求，而現(xiàn)有的機(jī)械式降溫技術(shù)系統(tǒng)龐大、投入較高等問(wèn)題，利用熱管原理對(duì)原有的熱管系統(tǒng)進(jìn)行改造，可適用于更廣泛的井下環(huán)境，其降溫效果不受井下位置及溫差的影響，即使回風(fēng)風(fēng)溫高于工作面溫度，依然可以達(dá)到良好的降溫效果。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)組成

動(dòng)力型分離式熱管是分離式熱管的一種［22］，是在重力型分離式熱管的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)而來(lái)。動(dòng)力型分離式熱管依靠泵產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力完成熱管的循環(huán)，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況任意布置。在某些礦井中，存在著工作面距離回風(fēng)巷較遠(yuǎn)或者工作面溫度低于回風(fēng)風(fēng)溫等現(xiàn)象，此時(shí)利用現(xiàn)有技術(shù)解決工作面熱害問(wèn)題較為困難，本研究根據(jù)此類現(xiàn)象搭建試驗(yàn)平臺(tái)，模擬井下工作環(huán)境。試驗(yàn)將熱泵系統(tǒng)和動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)相結(jié)合，具有原理簡(jiǎn)單、安裝容易、便于布置、傳熱效率高、降溫效果好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)熱泵系統(tǒng)中工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)吸熱產(chǎn)生的冷量來(lái)降低工作面的溫度，再通過(guò)熱管系統(tǒng)將吸收的熱量傳遞到距離工作面較遠(yuǎn)的地方。試驗(yàn)原理如圖1 所示。整個(gè)裝置兩端分別為蒸發(fā)器和冷凝器與風(fēng)機(jī)相連，左側(cè)為熱泵系統(tǒng)，用銅管將各個(gè)裝置串聯(lián)在一起成為一個(gè)閉合回路，右側(cè)為動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)，各個(gè)裝置之間用聚四氟乙烯管串聯(lián)成一個(gè)閉合回路。熱泵系統(tǒng)和動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)之間利用板式換熱器進(jìn)行耦合，板式換熱器不僅為熱泵系統(tǒng)的冷凝段，同時(shí)也是動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)的蒸發(fā)段。兩個(gè)系統(tǒng)中的工質(zhì)不相通，各自分別為獨(dú)立的閉合回路，在壓縮機(jī)附近和磁力驅(qū)動(dòng)泵附近分別有兩個(gè)系統(tǒng)各自的工質(zhì)充放閥門(mén)，試驗(yàn)開(kāi)始前的系統(tǒng)抽真空和充裝工質(zhì)液體以及試驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)回路中工質(zhì)的排放都是通過(guò)這兩個(gè)閥門(mén)來(lái)完成。在蒸發(fā)段風(fēng)道內(nèi)安裝6 個(gè)功率為2 kW 的加熱管，通過(guò)接通不同數(shù)量、不同位置的加熱管，調(diào)整風(fēng)道內(nèi)達(dá)到不同的溫度，來(lái)模擬礦井工作面的工作環(huán)境，在冷凝器前段均勻噴射水霧來(lái)實(shí)現(xiàn)冷凝段的不同溫度。在蒸發(fā)器和冷凝器前后布置PT100熱電阻進(jìn)行溫度測(cè)量，精度為0.1 ℃，每隔一段時(shí)間同時(shí)記錄每個(gè)采集點(diǎn)的溫度；利用多功能風(fēng)速儀測(cè)量試驗(yàn)中風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速和濕度，通過(guò)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速大小；利用真空壓力表和電子秤來(lái)控制充入工質(zhì)的量，電子秤的精度為0.001 g；通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)控制磁力驅(qū)動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速，從而控制泵給系統(tǒng)帶來(lái)的動(dòng)力。在礦井中應(yīng)用時(shí)，可將熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)的蒸發(fā)段布置在工作面之中，釋放冷量改善環(huán)境，將冷凝段布置在回風(fēng)巷中，將從工作面富集的熱量傳遞到風(fēng)流中。該系統(tǒng)解決了單純動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)只有存在驅(qū)動(dòng)溫差才能正常工作的不足，在特殊礦井中，當(dāng)回風(fēng)溫度與工作面溫度所差無(wú)幾甚至高于工作面溫度時(shí)，仍然可以使用該復(fù)合系統(tǒng)給工作面降溫。

為了模擬工作面的高溫環(huán)境，在熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)段的矩形風(fēng)道頂端和側(cè)面鉆孔，在風(fēng)道內(nèi)部安裝6根加熱管，每次試驗(yàn)時(shí)通過(guò)接通不同位置和不同數(shù)量的加熱管使蒸發(fā)段矩形風(fēng)道內(nèi)達(dá)到不同的溫度，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)蒸發(fā)段的溫度。同時(shí)從孔洞下放溫度傳感器，測(cè)量蒸發(fā)段的實(shí)時(shí)溫度。兩個(gè)分系統(tǒng)回路中分別利用壓縮機(jī)在氣體工質(zhì)管路中提供動(dòng)力和利用磁力驅(qū)動(dòng)泵在液體工質(zhì)管路中提供動(dòng)力，克服回路中的沿程阻力來(lái)推動(dòng)管路中的工質(zhì)完成循環(huán)，使系統(tǒng)能夠運(yùn)行起來(lái)。在壓縮機(jī)前安裝氣液分離器，可以將通過(guò)蒸發(fā)段而未蒸發(fā)的液體工質(zhì)和已經(jīng)蒸發(fā)的氣體工質(zhì)分層，避免液體工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)發(fā)生液擊現(xiàn)象。同理在磁力驅(qū)動(dòng)泵前安裝儲(chǔ)液罐，防止氣體工質(zhì)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)泵出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，氣液分離器和儲(chǔ)液罐可對(duì)壓縮機(jī)和磁力驅(qū)動(dòng)泵產(chǎn)生一定的保護(hù)作用，避免發(fā)生損壞，同時(shí)儲(chǔ)存氣體和液體工質(zhì)，使壓縮機(jī)和磁力驅(qū)動(dòng)泵在運(yùn)行時(shí)能夠有足夠的氣態(tài)工質(zhì)和液態(tài)工質(zhì)而不間斷地運(yùn)行，給系統(tǒng)回路提供動(dòng)力。蒸發(fā)段的軸流風(fēng)機(jī)和磁力驅(qū)動(dòng)泵都與50 Hz 的變頻器相連接，通過(guò)改變變頻器的頻率來(lái)改變蒸發(fā)段的風(fēng)速和驅(qū)動(dòng)泵給回路帶來(lái)的動(dòng)力。熱泵系統(tǒng)為固定長(zhǎng)度，可通過(guò)改變動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)的長(zhǎng)度來(lái)研究遠(yuǎn)距離傳輸熱量的效果。將系統(tǒng)各個(gè)部分管路用保溫管包裹，防止熱量或冷量在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)能量損失，影響換熱效率。

1.2 試驗(yàn)步驟

對(duì)于本研究所搭建的系統(tǒng)而言，管路內(nèi)部存在壓力，因而良好的氣密性極為重要，是整個(gè)系統(tǒng)得以穩(wěn)定并進(jìn)行長(zhǎng)期正常工作的必要條件。在試驗(yàn)開(kāi)始前一定要檢查好裝置是否完全密封，再進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)檢漏工作可以利用肥皂水檢測(cè)法及壓力表法來(lái)完成。系統(tǒng)氣密性檢查完畢無(wú)漏氣現(xiàn)象以及抽真空操作完成之后，進(jìn)行工質(zhì)充注，應(yīng)將制冷劑倒置，確保充入系統(tǒng)的為液態(tài)工質(zhì)。

以上工作完成后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)蒸發(fā)段和冷凝段的溫差變化來(lái)分析熱管系統(tǒng)溫度、驅(qū)動(dòng)溫差、動(dòng)力泵流量等因素對(duì)系統(tǒng)換熱性能的影響。完成測(cè)量后，改變熱管系統(tǒng)管路的長(zhǎng)度來(lái)分析長(zhǎng)距離熱管的性能以及距離對(duì)熱管性能的影響。具體試驗(yàn)步驟為：①對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢漏和抽真空操作后，充入工質(zhì)；②接通加熱器并調(diào)節(jié)蒸發(fā)段和冷凝段風(fēng)機(jī)達(dá)到一定的風(fēng)速，待溫度穩(wěn)定后記錄；③開(kāi)啟壓縮機(jī)，同時(shí)不斷提高溶液泵頻率，直至50 Hz，在每次變頻的同時(shí)記錄蒸發(fā)段和冷凝段的溫度；④改變蒸發(fā)段風(fēng)道內(nèi)的溫度，重復(fù)步驟③；⑤加注制冷劑工質(zhì)R134a，重復(fù)步驟②至④；⑥增加熱管系統(tǒng)管路的長(zhǎng)度，重復(fù)步驟①至⑤。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

熱泵與動(dòng)力型熱管復(fù)合系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是系統(tǒng)內(nèi)部存在壓縮機(jī)和動(dòng)力泵，是整個(gè)系統(tǒng)正常工作持續(xù)不斷的動(dòng)力來(lái)源，這樣的設(shè)計(jì)可以使本套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱，并且在傳熱過(guò)程中不受井下工作面地理位置及工作面與回風(fēng)巷溫差的影響。在動(dòng)力型熱管不同長(zhǎng)度下，研究溫度、驅(qū)動(dòng)溫差和動(dòng)力泵流量對(duì)系統(tǒng)換熱量的影響，從而可以得到熱泵與動(dòng)力型熱管在不同傳熱距離下傳熱性能的差別。

2.1 不同距離下溫度對(duì)熱管性能的影響

試驗(yàn)設(shè)定在系統(tǒng)充液率為50%時(shí)，蒸發(fā)段風(fēng)速為1.5 m/s，溫度變化范圍為29.2～50.6 ℃，濕度為75%，冷凝段風(fēng)速為2.4 m/s，溫度變化范圍為19.6～26.3 ℃，濕度為75%，動(dòng)力泵流量為0.9 m3/h，測(cè)得熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度分別為20、40、60、80、100 m 時(shí)的蒸發(fā)段和冷凝段換熱量，繪制出了在不同溫度下熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度與蒸發(fā)段和冷凝段換熱量的關(guān)系曲線，分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知：熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)的換熱量與蒸發(fā)段和冷凝段的迎風(fēng)風(fēng)溫之間表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，而在不同的充液率或者長(zhǎng)度下，這種規(guī)律趨勢(shì)相同。蒸發(fā)溫度為26～52 ℃時(shí)，蒸發(fā)段溫度越高，工質(zhì)流過(guò)蒸發(fā)器時(shí)蒸發(fā)速率越快，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的工質(zhì)增多，吸收熱量變大，導(dǎo)致?lián)Q熱效果更好；冷凝溫度為19～26 ℃時(shí)，冷凝段溫度越低，工質(zhì)在冷凝器中的冷凝效果越好，釋放熱量變大，系統(tǒng)換熱量增多。同時(shí)在相同的溫度條件下，系統(tǒng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部存在的沿程阻力越大，能量損失越大，在同等動(dòng)力條件下?lián)Q熱效率降低，換熱效果變差。

2.2 不同距離下驅(qū)動(dòng)溫差對(duì)熱管性能的影響

在2.1 節(jié)中分析了溫度對(duì)系統(tǒng)換熱量具有一定的影響，其實(shí)一端溫度不變，另一端溫度變化，就是在改變蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫度差，本研究將蒸發(fā)段環(huán)境溫度與冷凝段環(huán)境溫度之間的差值稱為驅(qū)動(dòng)溫差。試驗(yàn)設(shè)定在系統(tǒng)充液率為50%時(shí)，蒸發(fā)段風(fēng)速為1.5 m/s，濕度為75%，冷凝段風(fēng)速為2.4 m/s，濕度為75%，動(dòng)力泵流量為0.9 m3/h，通過(guò)不斷改變蒸發(fā)段和冷凝段的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)熱管系統(tǒng)不同的驅(qū)動(dòng)溫差，測(cè)得熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度分別為20、40、60、80、100 m 時(shí)的蒸發(fā)段和冷凝段換熱量，并繪制出了不同驅(qū)動(dòng)溫差下熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度與蒸發(fā)段和冷凝段換熱量的關(guān)系曲線，分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5 可知：在熱管系統(tǒng)的不同長(zhǎng)度下，隨著驅(qū)動(dòng)溫差的不斷增加，系統(tǒng)換熱量也不斷增加，換熱量最終會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，而非持續(xù)不斷升高，但是熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度越小，其換熱量越率先達(dá)到這個(gè)飽和值，長(zhǎng)度大的系統(tǒng)則需要更大的驅(qū)動(dòng)溫差才能達(dá)到與長(zhǎng)度小的系統(tǒng)相同的換熱量，實(shí)現(xiàn)相同的換熱效率。長(zhǎng)度大的系統(tǒng)需要克服比長(zhǎng)度小的系統(tǒng)更大的阻力來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同時(shí)系統(tǒng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)中因阻力帶來(lái)的能量損失及系統(tǒng)本身的熱量損失越大?？梢?jiàn)，要確保長(zhǎng)度更長(zhǎng)的熱管系統(tǒng)達(dá)到一定的換熱效率，可以通過(guò)提高兩換熱器的驅(qū)動(dòng)溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 不同距離下工質(zhì)動(dòng)力泵流量對(duì)熱管性能的影響

試驗(yàn)設(shè)定在系統(tǒng)充液率為50%時(shí)，蒸發(fā)段風(fēng)速為1.5 m/s，溫度為38.2 ℃，濕度為75%，冷凝段風(fēng)速為2.4 m/s，溫度為23.3 ℃，濕度為75%，溶液泵頻率變化范圍為0～50 Hz，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變頻器的旋鈕不斷改變?nèi)芤罕妙l率，從而改變動(dòng)力泵流量，測(cè)得熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度分別為20、40、60、80、100 m 時(shí)的蒸發(fā)段和冷凝段換熱量，并繪制出了曲線圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7 可知：當(dāng)動(dòng)力泵流量不斷增加時(shí)，不同長(zhǎng)度下熱管系統(tǒng)的換熱量先隨之增加而后趨于穩(wěn)定，在上升階段溶液泵頻率的增加意味著系統(tǒng)動(dòng)力的增加，流量的增加，管內(nèi)工質(zhì)流速的增加，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)段的工質(zhì)增加，受熱蒸發(fā)的工質(zhì)增加，可以吸收的熱量變多，導(dǎo)致?lián)Q熱量變大。在此工況下，蒸發(fā)段能夠受熱蒸發(fā)的工質(zhì)達(dá)到飽和狀態(tài)后，再次增加溶液泵頻率對(duì)系統(tǒng)換熱量幾乎無(wú)影響。同時(shí)可以看到熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度越小其達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定值所需要的流量越小，反之，則需要溶液泵提供更大的動(dòng)力來(lái)克服沿程阻力，以保證工質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)段時(shí)的流量足以使換熱量達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定值。

動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)因?yàn)槠鋭?dòng)力的存在，其主要目的是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的熱量傳輸，隨著熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度的增加，整個(gè)系統(tǒng)的沿程阻力不斷增加，需要克服的阻力不斷變大，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效運(yùn)行所需要的動(dòng)力也隨之提高。并且系統(tǒng)管路并不是完全處于絕熱狀態(tài)，系統(tǒng)長(zhǎng)度的增加使得系統(tǒng)在傳熱過(guò)程中熱量損失不斷增加，影響換熱效果。在熱管系統(tǒng)長(zhǎng)度不斷增加的情況下，可以通過(guò)提高蒸發(fā)段溫度或降低冷凝段溫度，增大整個(gè)熱管系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)溫差和增大工質(zhì)動(dòng)力泵流量的方法使動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)達(dá)到更佳的換熱效率。

2.4 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

2.4.1 計(jì)算沿程阻力

由上述分析可知，隨著動(dòng)力型分離式熱管系統(tǒng)管道長(zhǎng)度不斷增加，想要達(dá)到與其相比更短管路中所提供的換熱量，就需要通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)溫差或者提高溶液泵頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。這說(shuō)明系統(tǒng)中的管路內(nèi)壁并不是絕對(duì)光滑的，存在著一定的沿程阻力，并且隨著傳熱路徑變長(zhǎng)，沿程阻力也逐漸增加。系統(tǒng)管路中沿程阻力的計(jì)算公式為

式中，R 為沿程阻力，Pa；λ 為沿程阻力系數(shù)；d 為管道內(nèi)徑，m；ρ 為工質(zhì)密度，kg/m3；v 為流速，m/s；L 為管路長(zhǎng)度，m。

有關(guān)液體工質(zhì)在管路中流動(dòng)時(shí)的沿程阻力計(jì)算問(wèn)題，必然會(huì)涉及到相關(guān)沿程阻力系數(shù)的計(jì)算，沿程阻力系數(shù)λ可進(jìn)行如下計(jì)算

式中，k 為管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，不同類別的管道的絕對(duì)粗糙度也不同，本研究k=0.03 mm；Re為雷諾數(shù)，無(wú)量綱量，可用下式計(jì)算：

式中，μ為黏性系數(shù)，計(jì)算公式為

?

2.4.2 需冷量確定

某礦井800 m 深度的工作面長(zhǎng)10 m、寬3 m、高2 m，井下風(fēng)流速度為2 m/s，經(jīng)過(guò)工作面之后風(fēng)溫升高3 ℃。該工作面中導(dǎo)致工作環(huán)境溫度上升的主要熱源有圍巖放熱Q1、機(jī)電設(shè)備放熱Q2、運(yùn)輸中的礦石放熱Q3、礦井水放熱Q4、氧化放熱Q5、人員放熱Q6等，則工作面總放熱量Q可表示為

通過(guò)計(jì)算可以得到該工作面總放熱量為200 kW，而工作面所需冷量應(yīng)為總放熱量減去風(fēng)流可以吸收帶走的熱量，即：

放熱量Q可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Cm為比熱容，kJ/（kg·℃）；Δt 為降溫前后溫度差，℃；m為質(zhì)量流量，kg/s，可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，A為換熱面積，m2。

因此，放熱量計(jì)算公式可以換算為

計(jì)算得到風(fēng)流吸收的熱量為65 kW，所以工作面需冷量為135 kW，考慮到在實(shí)際情況中的誤差，存在10%左右的備用系數(shù)，所以該工作面需冷量為148.5 kW。

2.4.3 關(guān)鍵組件選擇與參數(shù)確定

我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下回采工作面的溫度不得超過(guò)26 ℃，如果超過(guò)這一溫度就必須停止生產(chǎn)，采取降溫措施對(duì)井下空氣進(jìn)行降溫操作。顯然通過(guò)上述計(jì)算，可知僅利用現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)該工作面進(jìn)行降溫，流過(guò)工作面的風(fēng)流無(wú)法帶走工作面產(chǎn)生的熱量，因而需要額外的降溫系統(tǒng)進(jìn)行輔助。利用本研究熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)為該工作面進(jìn)行降溫，同時(shí)將熱量傳遞到300 m外的回風(fēng)巷中。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算出在該工作面放置的系統(tǒng)可以使用功率為6 500 W 左右的壓縮機(jī)以及換熱面積約為55 m2的板式換熱器，通過(guò)下式計(jì)算得到的冷凝器換熱面的面積為190～260 m2。

設(shè)計(jì)蒸發(fā)器和冷凝器為長(zhǎng)1 m、高1 m、寬220 mm 的長(zhǎng)方體，每個(gè)散熱器中有100 根直徑20 mm 的銅管，500 個(gè)厚1 mm 的翅片，通過(guò)計(jì)算得到有效的換熱面積為220 m2左右，符合要求。在熱管系統(tǒng)中使用功率為3 000 W 的磁力驅(qū)動(dòng)泵，調(diào)節(jié)變頻器的頻率在40 Hz，使管內(nèi)流量達(dá)到20 m3/h。根據(jù)式（1）可以計(jì)算出系統(tǒng)中管路的沿程阻力，系統(tǒng)管路內(nèi)徑從8 mm升高到40 mm，管路長(zhǎng)度從60 m 提升到300 m，兩者變化的倍數(shù)相同，可以認(rèn)為管路參數(shù)改變之后的沿程阻力與原有的沿程阻力大致相同，所以對(duì)于新系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以稍稍提高變頻器的頻率來(lái)克服不算很大的沿程阻力。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，充液率為50%～58%時(shí)，系統(tǒng)效率較高，故向系統(tǒng)充注工質(zhì)時(shí)使其充液率在此范圍內(nèi)，可取得最佳的降溫達(dá)效果。通過(guò)查閱資料了解到該工作面溫度為33 ℃，井下通風(fēng)系統(tǒng)可以使工作面溫度下降3 ℃，通過(guò)推算本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以使工作面溫度下降6 ℃左右，即該系統(tǒng)可以使井下溫度從33 ℃降低到24 ℃，由于井下不確定因素及誤差的存在，該系統(tǒng)能夠使井下溫度維持在23～26 ℃范圍內(nèi)，該溫度區(qū)間比較適合井下作業(yè)，有利于提高井下作業(yè)效率，盡可能避免安全事故發(fā)生。

3 結(jié) 論

針對(duì)礦井熱害日益嚴(yán)重的問(wèn)題，本研究提出并研究了熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，自行搭建試驗(yàn)裝置，模擬井下工作環(huán)境，進(jìn)行了測(cè)試分析，研究了系統(tǒng)長(zhǎng)度在20～100 m 時(shí)溫度、驅(qū)動(dòng)溫差、動(dòng)力泵流量對(duì)系統(tǒng)換熱性能的影響，測(cè)得大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了不同長(zhǎng)度時(shí)系統(tǒng)的換熱性能，得出了以下結(jié)論：

（1）熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)的換熱量隨著蒸發(fā)段溫度的升高而增大，隨著冷凝段溫度的升高而減小，在相同溫度條件下，系統(tǒng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)其換熱量越低，系統(tǒng)換熱效果越差。

（2）系統(tǒng)換熱量隨著驅(qū)動(dòng)溫差的增加呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到一定的驅(qū)動(dòng)溫差后，系統(tǒng)換熱量隨著驅(qū)動(dòng)溫差的增加無(wú)明顯變化趨勢(shì)，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前在相同驅(qū)動(dòng)溫差下，系統(tǒng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)換熱量越小，同時(shí)長(zhǎng)距離系統(tǒng)可以通過(guò)增大驅(qū)動(dòng)溫差的方式來(lái)改善換熱效果。

（3）工質(zhì)動(dòng)力泵流量也在一定程度上影響著系統(tǒng)換熱性能，隨著動(dòng)力泵流量的增加，蒸發(fā)段和冷凝段的制冷量呈現(xiàn)先增大后基本保持不變的趨勢(shì)，系統(tǒng)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則需要更大的動(dòng)力泵流量來(lái)克服系統(tǒng)的阻力以及熱量損失。

（4）熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)具有高效、可控、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，自身存在動(dòng)力裝置，兩個(gè)換熱器的安裝不受位置限制，可以根據(jù)實(shí)際情況任意布置。該系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)是熱泵系統(tǒng)提供冷量，熱管系統(tǒng)傳遞熱量，復(fù)合系統(tǒng)的正常運(yùn)行不必受限于工作面與回風(fēng)之間的溫度差，使用條件更為廣泛；動(dòng)力型分離式熱管能夠遠(yuǎn)距離傳輸熱量，實(shí)現(xiàn)井下遠(yuǎn)距離的熱量轉(zhuǎn)移。因此，本研究提出的熱泵與動(dòng)力型分離式熱管復(fù)合系統(tǒng)可以應(yīng)用于礦井工作面降溫。