呂向陽，趙 旭，翟 宇，張樹豐，呂高磊

(1.北京中礦賽力貝特節(jié)能科技有限公司，北京 100083；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046600)

1 概 況

在“碳中和、碳達(dá)峰”政策目標(biāo)和煤礦供暖淘汰燃煤鍋爐的背景下，采用清潔技術(shù)采暖成為礦井供熱迫切需要解決的問題[1，2]。近幾年，新型的礦井回風(fēng)余熱利用技術(shù)發(fā)展迅速，如：礦井回風(fēng)源熱泵技術(shù)[3，4]、整體式熱管換熱技術(shù)[5，6]。但在運(yùn)行過程中，熱泵技術(shù)同樣需要消耗大量的電能完成熱能的搬運(yùn)，而整體式熱管需要通風(fēng)管道完成熱風(fēng)輸送，工程量巨大。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)投資和實(shí)現(xiàn)熱能的高效轉(zhuǎn)移，礦方通過技術(shù)調(diào)研和方案論證后決定：結(jié)合風(fēng)井場地現(xiàn)狀，采用新型分離式熱管換熱技術(shù)，通過回收礦井回風(fēng)低溫余熱進(jìn)行進(jìn)風(fēng)井冬季井口防凍。

趙莊煤礦南蘇風(fēng)井位于長治市長子縣，風(fēng)井場地現(xiàn)有一進(jìn)風(fēng)井和一回風(fēng)井。礦井回風(fēng)低溫余熱一年四季通過回風(fēng)井排向外界，與此同時(shí)進(jìn)風(fēng)井冬季供暖由3臺(tái)燃?xì)忮仩t制取高溫?zé)崴⑼ㄟ^10臺(tái)井口加熱機(jī)組解決，燃?xì)鉄崴仩t同時(shí)提供風(fēng)井場地冬季建筑供暖。

雖然目前分體式熱管在數(shù)據(jù)中心、暖通空調(diào)以及其他工業(yè)已經(jīng)得到應(yīng)用[7-12]，但其規(guī)模較小，輸送距離短，而目前在煤礦熱回收中應(yīng)用很少。經(jīng)實(shí)測和調(diào)研：礦井回風(fēng)量21351m3/min，冬季風(fēng)溫16℃、相對(duì)濕度80%；進(jìn)風(fēng)量21048m3/min，當(dāng)?shù)貥O端平均溫度-16.2℃。分離式熱管技術(shù)依靠溫差作為換熱動(dòng)力，而進(jìn)/回風(fēng)設(shè)計(jì)溫差超過30℃，理論上完全具備技術(shù)可行性。文獻(xiàn)[10]介紹了分體式熱管的應(yīng)用，但僅僅是提出了設(shè)計(jì)思路，與實(shí)際工程相差較大，山西趙莊煤礦是國內(nèi)應(yīng)用分體式管技術(shù)解決井筒防凍問題的首個(gè)煤礦，筆者從方案設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 工藝流程和熱平衡分析

2.1 工藝流程

分離式熱管是一種高性能的換熱裝置，它區(qū)別于整體式熱管，其蒸發(fā)器和冷凝器相互分離，兩器之間由氣相上升管和液相下降管連通，通過專用介質(zhì)在兩器之間的相變傳熱，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離熱能輸送且設(shè)備布置靈活，適合復(fù)雜的現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境[11]。

針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，蒸發(fā)器和冷凝器分別布置在回風(fēng)井側(cè)和進(jìn)風(fēng)井側(cè)，氣相和液相管路采用不銹鋼材質(zhì)，經(jīng)過壓力測試并抽取真空后充入專用工作介質(zhì)。礦井回風(fēng)原是通過擴(kuò)散口排向外界，現(xiàn)新設(shè)置專用風(fēng)道將回風(fēng)余熱置換給蒸發(fā)器，變?yōu)榈蜏馗邼竦姆︼L(fēng)再由風(fēng)道排走；蒸發(fā)器內(nèi)部介質(zhì)提取熱量由液相變?yōu)闅庀啵?jīng)上升管路流向進(jìn)風(fēng)側(cè)冷凝器，在冷凝器內(nèi)釋放熱量由氣相變?yōu)橐合啵俳?jīng)下降管路流回蒸發(fā)器；礦井進(jìn)風(fēng)原通過進(jìn)風(fēng)格柵(部分風(fēng)量由熱風(fēng)機(jī)組加熱)進(jìn)入風(fēng)井，現(xiàn)經(jīng)專用風(fēng)道由冷凝器吸收熱量后，升至2℃以上送入井下。

分離式熱管的蒸發(fā)器和冷凝器均為翅片管結(jié)構(gòu)，以管束形式組成，系統(tǒng)另設(shè)置若干小型風(fēng)機(jī)以克服新增風(fēng)阻。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，工藝流程如圖1所示。

圖1 礦井回風(fēng)用分離式熱管工藝流程

2.2 熱平衡分析

熱平衡分析包括井口防凍負(fù)荷和礦井回風(fēng)余熱資源測算。

1)井口防凍負(fù)荷計(jì)算。井口防凍負(fù)荷計(jì)算公式為：

Q0=ρ1×VL×CP×(t1-t2)

(1)

式中，Q0為井口防凍負(fù)荷，kW；ρ1為礦井進(jìn)風(fēng)密度，1.29kg/m3；VL為進(jìn)風(fēng)量，350.80m3/s；CP為進(jìn)風(fēng)比熱容，1.01kJ/(kg·℃)；t1和t2分別為礦井進(jìn)風(fēng)加熱前后溫度，分別取2℃、-16.2℃。經(jīng)測算：考慮裕量，井口防凍負(fù)荷為8318.5kW。

2)礦井回風(fēng)余熱計(jì)算。礦井回風(fēng)余熱計(jì)算公式為：

QH=ρ2×VH×(h1-h2)

(2)

式中，QH為礦井回風(fēng)余熱，kW；ρ2為礦井回風(fēng)密度，1.1kg/m3；VH為礦井回風(fēng)量，355.85m3/s；h1和h2分別為回風(fēng)余熱提取前后焓值，分別為41.92、17.50kJ/kg。礦井回風(fēng)濕度較大，余熱提取過程包括潛熱和顯熱，故采用焓差法計(jì)算。礦井回風(fēng)提取溫度過低，冷凝水會(huì)有結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，安全起見暫按4℃計(jì)。經(jīng)測算：考慮熱損，礦井回風(fēng)可提取余熱8690kW。

分析表明：考慮負(fù)荷裕量和回風(fēng)熱損情況，低溫余熱可滿足井口防凍負(fù)荷需求。

3 系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 蒸發(fā)器和冷凝器設(shè)計(jì)

3.1.1 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算

作為礦井回風(fēng)余熱提取的核心裝置，分離式熱管的蒸發(fā)器采用軋制翅片管結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括翅片管管長、管徑、壁厚、翅高、翅厚、翅間距、翅片管束橫向和縱向間距等。針對(duì)風(fēng)量大、粉塵高、凝水析出及具有腐蝕性等特點(diǎn)，翅片間距及管束間距不能過小，翅片管材質(zhì)采用不銹鋼管及防腐鋁翅片，考慮加工方便蒸發(fā)器需設(shè)置為若干模塊。

該設(shè)計(jì)將蒸發(fā)器分為20個(gè)換熱模塊，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)回風(fēng)量1050m3/min，設(shè)計(jì)換熱量420kW，迎風(fēng)面高度和寬度為2.85m×1.8m，迎面風(fēng)速3.41m/s。每個(gè)換熱模塊按風(fēng)流方向分為A-B-C三組，每組之間預(yù)留0.5m寬檢修及清洗通道。結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 翅片管結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，通過計(jì)算確定蒸發(fā)器換熱面積并最終求出翅片管數(shù)量及管排數(shù)。

Q=K×F×ΔT

(3)

1/K=1/hO+DO/2λ×lnDO/Di+DO/Di×1/hi

(4)

ΔT=(T1-T2)/ln(T1-tL)/(T2-tL)

(5)

hO=h×ηf×β

(6)

式(3)—式(7)[13]中，Q為換熱量，kW；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為以基管外表面積為基準(zhǔn)的傳熱面積，m2；hO為以基管外表面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；DO和Di分別為翅片管外徑和內(nèi)徑，m；hi管內(nèi)介質(zhì)沸騰換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；T1和T2分別為回風(fēng)取熱前后溫度，℃；tL為管內(nèi)介質(zhì)相變溫度，℃；ηf和β分別為翅片效率和翅化比[13]；h為翅片管與外部氣流的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ為氣體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；G為翅片管最窄處質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；μ為氣流動(dòng)力粘度系數(shù)，kg/(m·s)；Pr為外部氣流普朗特?cái)?shù)；Y1、S1和H分別為翅間距、橫向管間距及翅高，m。

其中，翅化比和翅片效率詳見參考文獻(xiàn)[13]。蒸發(fā)模塊A-B-C組分別對(duì)應(yīng)冷凝模塊C-B-A組，每組翅片管外風(fēng)溫及介質(zhì)相變溫度并不相同，需分別計(jì)算。以B組為例，通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)[12，13]及上述公式計(jì)算，翅化比和翅片效率分別為9.87%和86.2%，翅片管與礦井回風(fēng)之間換熱系數(shù)為68.52W/(m2·℃)，以基管外表面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)為583.4W/(m2·℃)。在蒸發(fā)器傳熱過程中，管外對(duì)流換熱及管壁導(dǎo)熱作為主要控制熱阻，而管內(nèi)沸騰換熱熱阻很小可忽略不計(jì)[13]，經(jīng)計(jì)算傳熱系數(shù)K值為560.4W/(m2·℃)?？紤]外部污垢熱阻，求得以基管為基準(zhǔn)的外表面積F為96.5m2。

n=F/(π×DO×L)

(8)

式中，n為翅片管數(shù)量，其他參數(shù)見上文，單個(gè)模塊翅片管數(shù)量539根。翅片管束為等三角型排列，橫向和縱向間距分別為60mm與52mm，由蒸發(fā)模塊寬度可知橫向排列為30根，蒸發(fā)器縱向排數(shù)取整后為18排。

3.1.2 冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算

冷凝器同樣采用復(fù)合壓制翅片管結(jié)構(gòu)，室外空氣經(jīng)濾網(wǎng)后較礦井回風(fēng)干凈，且不存在凝水析出現(xiàn)象，翅片間距可適當(dāng)減小，設(shè)計(jì)取4mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及材質(zhì)與蒸發(fā)模塊相同。

設(shè)計(jì)遵循一一對(duì)應(yīng)原則，冷凝器同樣設(shè)計(jì)20個(gè)模塊，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)量1000m3/min，有效高度和寬度2.85m×1.8m，迎面風(fēng)速3.25m。每個(gè)模塊按風(fēng)流方向也分為A-B-C三組，每組之間預(yù)留0.5m通道。冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算與蒸發(fā)器類似，不再詳述。在冷凝器傳熱過程中，管內(nèi)凝結(jié)換熱熱阻同樣可忽略不計(jì)[13]，但由于翅片間距減小、翅化比增大至14.3，經(jīng)計(jì)算傳熱系數(shù)K為744.6W/(m2·℃)。以基管為基準(zhǔn)的外表面積為79.8m2，單個(gè)模塊翅片管數(shù)量446根，冷凝器縱向排數(shù)取整后為15排。

3.2 介質(zhì)管路及循環(huán)高差設(shè)計(jì)計(jì)算

本項(xiàng)目蒸發(fā)器和冷凝器均按20個(gè)模塊設(shè)計(jì)，每個(gè)換熱模塊按風(fēng)流方向分為3組、共計(jì)60組。為減少管路敷設(shè)數(shù)量，現(xiàn)以每5組設(shè)為1個(gè)系統(tǒng)，共計(jì)12個(gè)介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，即蒸發(fā)器①～⑤模塊A組、B組、C組對(duì)應(yīng)冷凝器①～⑤模塊C組、B組、A組，蒸發(fā)器⑥～⑩模塊A、B、C組對(duì)應(yīng)冷凝器⑥～⑩模塊C、B、A組(參見圖1)，以此類推。每個(gè)循環(huán)系統(tǒng)均由“蒸發(fā)側(cè)-上升管-冷凝側(cè)-下降管”構(gòu)成，每個(gè)系統(tǒng)理論傳輸熱量700kW，12個(gè)系統(tǒng)共計(jì)8400kW。

根據(jù)流體力學(xué)理論[14-18]，分離式熱管的循環(huán)動(dòng)力與兩器之間高差及介質(zhì)密度差成正比。

v=4Q介/[ρ(h2-h1)πd2]

(9)

λ=0.0055[1+(20000K/d+106/Re)1/3]

(10)

ΔH=λ×L/d×v2/2g

(11)

ΔP=g×(ρ液-ρ氣)×ΔZ

(12)

式(9)—式(12)[19，20]中，v為氣相或液相介質(zhì)流速，m/s；Q介為傳熱量，kW；ρ為氣相或液相介質(zhì)密度，kg/m3；h2和h1為對(duì)應(yīng)相變溫度下飽和液和飽和氣的焓值，kJ/kg；d為氣相或液相介質(zhì)管路內(nèi)徑，mm；λ為莫迪公式對(duì)應(yīng)阻力系數(shù)[19]，無因次量；K為絕對(duì)粗糙度，mm；Re為雷諾數(shù)，無因次量；ΔH為管路沿程阻力，m；L為管路長度，m；g為重力加速度，m/s2；ΔP為管路資用壓差也即循環(huán)動(dòng)力，Pa；ΔZ為兩器之間循環(huán)高差，m。

其中，雷諾數(shù)參見相關(guān)文獻(xiàn)[19]。氣相和液相管路分別指上升管和下降管，每個(gè)模塊3組之間的相變溫度及物性參數(shù)均不相同，需分別計(jì)算。本次設(shè)計(jì)上升管和下降管選用?127mm×3mm和?63mm×2.5mm，管材為不銹鋼無縫管，管長均按200m計(jì)。以B組循環(huán)為例，查詢相關(guān)文獻(xiàn)[19，20]并計(jì)算：兩者流速分別為13.2m/s和1.02m/s，并求得上升管和下降管沿程阻力為80227.7Pa?？紤]管路局部阻力占總阻力的比重[19]，該循環(huán)系統(tǒng)阻力損失為120341.5Pa，經(jīng)計(jì)算兩器之間資用高差ΔZ至少9.8m，另外兩個(gè)系統(tǒng)資用高差需10.1m和10.8m?？紤]冷凝水排出及后期維護(hù)，蒸發(fā)器底部距地面高度設(shè)計(jì)2.5m，經(jīng)計(jì)算冷凝器底部距地面高度至少需16.3m(蒸發(fā)器介質(zhì)管路上進(jìn)上出且設(shè)備高度為3m，Z=2.5m+3m+10.8m=16.3m)。

3.3 蒸發(fā)器及冷凝器風(fēng)阻設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 蒸發(fā)器風(fēng)阻計(jì)算

該系統(tǒng)在回風(fēng)側(cè)并聯(lián)設(shè)置20個(gè)蒸發(fā)模塊，每個(gè)模塊風(fēng)量1050m3/min，其他參數(shù)詳見前文。礦井通風(fēng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，為最大限度減少對(duì)原有通風(fēng)系統(tǒng)的影響，本方案在設(shè)計(jì)排數(shù)基礎(chǔ)上人為將管排數(shù)調(diào)減至12排。

f=18.93(DOG/μ)-0.316×(S1/DO)-0.927(S1/S2)-0.515

(13)

Δp=f×N×G2/(ρ回風(fēng)×g)

(14)

式(13)和(14)[12]中，f為摩擦阻力系數(shù)；S1和S2分別為翅片管橫向及縱向間距，mm；N為縱向管排數(shù)；其他參數(shù)意義詳見前文。經(jīng)代入計(jì)算：阻力系數(shù)f為0.441，取翅片管排數(shù)N為12排，最終求得設(shè)計(jì)工況下蒸發(fā)模塊風(fēng)阻為178.8Pa。

3.3.2 冷凝器器風(fēng)阻計(jì)算

該系統(tǒng)在進(jìn)風(fēng)側(cè)也并聯(lián)設(shè)置20個(gè)冷凝模塊，每個(gè)模塊進(jìn)風(fēng)量1050m3/min，除翅片間距不同外其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與蒸發(fā)模塊相同。由于蒸發(fā)模塊縱向管排調(diào)減為12排，換熱能力勢必下降，遵循一一對(duì)應(yīng)原則冷凝模塊縱向管排也調(diào)減至12排。

計(jì)算方法同上。由于翅片間距縮小，經(jīng)計(jì)算每個(gè)冷凝模塊在設(shè)計(jì)工況下的風(fēng)阻為194.6Pa。

3.3.3 風(fēng)道設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)通過鋼制風(fēng)道將礦井回風(fēng)引入20臺(tái)蒸發(fā)模塊，風(fēng)道由4mm鋼板焊接并敷設(shè)50mm巖棉保溫。主風(fēng)道斷面尺寸10m×3m，平均風(fēng)速11.1m/s，通過異形漸擴(kuò)風(fēng)道與20臺(tái)并聯(lián)蒸發(fā)模塊連接，蒸發(fā)器并聯(lián)斷面尺寸36m×3m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，冷凝模塊距地面高度至少16.3m(本方案定為17m)。為實(shí)施方便，設(shè)計(jì)采用10路圓形風(fēng)管將冷凝模塊與進(jìn)風(fēng)井室連通，風(fēng)管材質(zhì)為鍍鋅板，斷面尺寸?2000mm×1.5mm(直徑×壁厚)，每路對(duì)應(yīng)2個(gè)冷凝模塊，平均風(fēng)速10.6m/s。

3.4 輔助設(shè)備計(jì)算

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，蒸發(fā)器和冷凝器縱向管排各需18排和15排，經(jīng)調(diào)減后兩器的換熱量將會(huì)減少。經(jīng)對(duì)換熱模塊重新校核計(jì)算(不再詳述)，單個(gè)蒸發(fā)模塊理論換熱量降至315kW。冷凝模塊在相同管排下理論換熱量大于蒸發(fā)模塊，保守起見每個(gè)冷凝模塊換熱量也按315kW計(jì)，這樣分離式熱管系統(tǒng)的理論換熱量將降至6300kW。

為確保井口防凍負(fù)荷達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，需通過其他方式對(duì)熱能缺口進(jìn)行補(bǔ)充。經(jīng)和礦方溝通，本方案考慮回收瓦斯抽采真空泵余熱，并配置少量熱水型熱風(fēng)幕以減少冷風(fēng)直接混入。經(jīng)調(diào)研：該風(fēng)井場地現(xiàn)有4臺(tái)高壓真空泵和2臺(tái)低壓真空泵，4臺(tái)運(yùn)行2臺(tái)備用，單臺(tái)額定功率900kW。真空泵通過冷卻水對(duì)設(shè)備進(jìn)行降溫釋熱，配有2個(gè)100m3散熱水池，冬季出水水溫≤30℃，進(jìn)水水溫≤20℃。瓦斯真空泵運(yùn)行效率很低，正常運(yùn)行時(shí)約50%的電功率以熱能形式由冷卻水排向外界。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)按照提取1500kW余熱進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)將冷卻水引至井口側(cè)，通過降溫設(shè)備釋熱后再返回冷卻水池，為此需配置2臺(tái)循環(huán)水泵(1用1備)并敷設(shè)相應(yīng)管路，井口新設(shè)置2臺(tái)加熱機(jī)組。井口加熱機(jī)組按照低溫工況設(shè)計(jì)，進(jìn)出水溫30/20℃，設(shè)計(jì)工況下每臺(tái)制熱量750kW，風(fēng)量1500m3/min，風(fēng)機(jī)功率11kW。此外，在進(jìn)風(fēng)井室門口配置6臺(tái)熱水型熱風(fēng)幕，單臺(tái)額定加熱量100kW，熱風(fēng)幕由現(xiàn)有燃?xì)忮仩t(冬季還需少量開啟，提供建筑供暖)提供循環(huán)熱水。

3.5 各種設(shè)備選型參數(shù)

1)蒸發(fā)模塊和冷凝模塊。蒸發(fā)模塊和冷凝模塊技術(shù)參數(shù)見表2。

2)其他設(shè)備或設(shè)施。其他設(shè)備包括：回風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)側(cè)各10臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，2臺(tái)冷卻水循環(huán)泵，2臺(tái)低溫工況井口加熱機(jī)組，6臺(tái)熱水型熱風(fēng)幕等。核心配套設(shè)施還有：12路氣相上升管和12路液相下降管，進(jìn)風(fēng)側(cè)10路圓形鍍鋅風(fēng)管，2套季節(jié)轉(zhuǎn)換風(fēng)門(冬季關(guān)閉，其他季節(jié)敞開)。具體技術(shù)參數(shù)見表3。

表2 蒸發(fā)(冷凝)模塊技術(shù)參數(shù)

表3 其他設(shè)備技術(shù)參數(shù)

4 系統(tǒng)運(yùn)行測試

該項(xiàng)目于2022年2月10日進(jìn)入試運(yùn)行階段，系統(tǒng)每天啟用8～10h。筆者對(duì)運(yùn)行期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

4.1 風(fēng)量監(jiān)測及對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)影響分析

通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)至關(guān)重要，因“疫情管控”技術(shù)人員無法進(jìn)場，系統(tǒng)運(yùn)行由現(xiàn)場值守人員負(fù)責(zé)。為安全起見，礦方要求擴(kuò)散口上部轉(zhuǎn)換風(fēng)門敞開，開啟進(jìn)/回風(fēng)側(cè)20臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)并監(jiān)測是否對(duì)原通風(fēng)造成影響，同時(shí)監(jiān)測換熱模塊進(jìn)/回風(fēng)量。

1)回風(fēng)側(cè)10臺(tái)風(fēng)機(jī)啟運(yùn)后，對(duì)主扇監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)測：電壓、電流、風(fēng)壓等參數(shù)無波動(dòng)，在轉(zhuǎn)換風(fēng)門敞開情況下本系統(tǒng)對(duì)原通風(fēng)系統(tǒng)未造成任何影響。

2)通過分離式熱管系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以及值守人員采用手持式風(fēng)速儀進(jìn)行校核，蒸發(fā)模塊平均迎面風(fēng)速1.64～1.8m/s，折合風(fēng)量500～550m3/min。

3)經(jīng)調(diào)取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及手持式風(fēng)速儀反復(fù)校核，冷凝側(cè)圓形風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速僅5.15m/s左右，即每個(gè)冷凝模塊平均過風(fēng)量不足設(shè)計(jì)風(fēng)量的50%。

通過分析：由于轉(zhuǎn)換風(fēng)門尚未關(guān)閉，蒸發(fā)模塊通過軸流風(fēng)機(jī)引入的回風(fēng)量不足55%，其余回風(fēng)均通過轉(zhuǎn)換風(fēng)門排向大氣。而進(jìn)風(fēng)側(cè)是因系統(tǒng)啟運(yùn)較晚，本年度尚未替代燃?xì)忮仩t，進(jìn)風(fēng)室格柵及兩側(cè)大門處于敞開狀態(tài)，大量冷風(fēng)由此混入。待下個(gè)供暖季關(guān)閉季節(jié)轉(zhuǎn)換風(fēng)門，并對(duì)進(jìn)風(fēng)井格柵進(jìn)行封堵，進(jìn)一步監(jiān)測分離式熱管系統(tǒng)蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)的實(shí)際進(jìn)/回風(fēng)量以及對(duì)原主扇通風(fēng)系統(tǒng)的影響。

4.2 換熱效果測試分析

試運(yùn)行期間兩側(cè)風(fēng)量均未達(dá)到設(shè)計(jì)工況，但在現(xiàn)有風(fēng)量條件下可通過對(duì)回風(fēng)側(cè)焓差和進(jìn)風(fēng)側(cè)溫升的計(jì)算，分析蒸發(fā)模塊和冷凝模塊實(shí)際換熱能力，同時(shí)檢驗(yàn)上升管和下降管熱能輸送能力，以驗(yàn)證理論計(jì)算和實(shí)測效果的吻合度。

針對(duì)2月10日至3月15日試運(yùn)行期間，隨機(jī)調(diào)取了12天07∶00時(shí)(當(dāng)日氣溫最低時(shí)刻)該系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)換熱前后溫度(回風(fēng)包含濕度)共計(jì)48組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

分析結(jié)果如下：

1)礦井回風(fēng)換熱之前溫濕度相對(duì)恒定，基本保持在15～16℃和82%～86%(相對(duì)濕度)之間；換熱之后溫度在8.8～13℃之間浮動(dòng)。根據(jù)兩側(cè)相對(duì)濕度可推算前后焓差，在2月17號(hào)07∶00室外氣溫最低-13.5℃時(shí)，蒸發(fā)模塊前后焓差13.8kJ/kg，根據(jù)監(jiān)測風(fēng)量推算此時(shí)蒸發(fā)模塊平均換熱量158kW。

2)隨著室外氣溫變化，礦井進(jìn)風(fēng)換熱之后平均溫度上下浮動(dòng)明顯，測試期間基本保持在-2.5～5.5℃之間。在室外氣溫最低為-13.5℃時(shí)，蒸發(fā)模塊換熱后平均溫度-1℃，根據(jù)監(jiān)測風(fēng)量推算此時(shí)冷凝模塊平均換熱量139.5kW。

3)隨著室外氣溫降低，回風(fēng)換熱前后焓差增大，這表明余熱提取量隨著負(fù)荷需求增加明顯增大。同時(shí)，進(jìn)風(fēng)前后換熱溫差也同步增大，但換熱之后溫度有所下降、部分模塊甚至低于-3℃，這表明隨著室外氣溫降低冷凝側(cè)換熱量與蒸發(fā)模塊取熱量呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，但各模塊之間換熱并不均勻。

4)對(duì)測試風(fēng)量條件下蒸發(fā)模塊的換熱量進(jìn)行校核計(jì)算，計(jì)算結(jié)果蒸發(fā)模塊理論換熱量174.5kW，和測試數(shù)據(jù)推導(dǎo)的換熱量偏差10%左右?？紤]測試誤差影響，這表明方案設(shè)計(jì)中的理論計(jì)算方法基本合理，但在類似設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大富裕系數(shù)以滿足工程要求。進(jìn)一步推斷：當(dāng)進(jìn)/回風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)工況時(shí)，該系統(tǒng)的換熱能力應(yīng)該能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5)冷凝側(cè)實(shí)測平均換熱量普遍小于蒸發(fā)側(cè)換熱量，當(dāng)室外氣溫最低時(shí)僅為蒸發(fā)側(cè)換熱量的88.3%；這表明循環(huán)管路能夠完成熱量輸送，但有可能“熱損”較大、或者存在“汽阻”等其他因素，導(dǎo)致冷凝側(cè)換熱量普遍下降。在同1個(gè)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，各組之間換熱量(共5組)也不一致，這也可能因“汽阻”導(dǎo)致管路內(nèi)介質(zhì)分配不均。

5 結(jié) 語

1)該項(xiàng)目在國內(nèi)首次通過回收礦井回風(fēng)低溫余熱，將分離式熱管技術(shù)應(yīng)用在煤礦井口防凍系統(tǒng)，為解決井口防凍提供了一個(gè)新的技術(shù)路線，具有很大的借鑒和參考價(jià)值。

2)該項(xiàng)目通過方案設(shè)計(jì)及理論計(jì)算，并以此為依據(jù)對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行了選型配置，經(jīng)過1個(gè)月的運(yùn)行測試，實(shí)測換熱量和理論計(jì)算結(jié)果在正常偏差范圍之內(nèi)。分離式熱管技術(shù)應(yīng)用于井口防凍理論可行并得到了實(shí)測驗(yàn)證，值得大力推廣。

3)由于各種原因，該項(xiàng)目實(shí)際供熱效果尚未達(dá)到設(shè)定工況預(yù)期目標(biāo)。通過在部分負(fù)荷條件下校核計(jì)算和實(shí)測驗(yàn)證，當(dāng)兩側(cè)風(fēng)量及室外氣溫達(dá)到設(shè)定條件時(shí)分離式熱管系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期目標(biāo)，最終效果有待于下一個(gè)供暖季進(jìn)一步驗(yàn)證。

4)作為解決井口防凍的新型工藝，該技術(shù)路線不僅流程簡單、免于維護(hù)，而且無任何污染物產(chǎn)生、幾乎不產(chǎn)生運(yùn)行費(fèi)用。經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益十分明顯，順應(yīng)“碳中和、碳達(dá)峰”的政策目標(biāo)。

5)該方案的理論計(jì)算可作為類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)依據(jù)，但在確定換熱面積時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大富裕量。該系統(tǒng)存在因人為調(diào)整導(dǎo)致的負(fù)荷缺口，為此配置了瓦斯真空泵余熱回收系統(tǒng)，在極端氣溫條件下整套系統(tǒng)也有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。為安全起見，類似項(xiàng)目建議增加其他輔助方式。