节能型矿井排风热提取系统及风—水参数耦合优化探究

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　　摘 要：为了突破排风与水压运行参数匹配的传统试凑法，缩短参数优化匹配耗时，达到更加高效地进行热湿交换，特设计矿井排风热提取系统。并进行单喷嘴上喷液滴群实验，运用控制变量法，在不同的喷嘴压差下，改变主通风机风量，由马尔文激光粒度分析仪测得在不同风量条件下喷水室各点的喷雾液滴粒径数据，绘制关联曲线图进行分析，得出排风与喷淋水的优化运行参数。
　　关键词：矿井排风热提取系统;单喷嘴上喷液滴群实验;优化运行参数
　　 在矿井开采生产体系中，地面新鲜空气传输至井下，稀释瓦斯、煤尘并带走余热、余湿，经排风井排出。在极少数工程中，运用矿井排风热提取装置提取蕴藏在排风中的低品位热能，用于矿区供热或者井筒防冻等[1]。此装置一般均将喷水管组布置在扩散器顶部，向下喷出水滴，下喷式供给循环水[2-3]。但是，存在水苗阻力大、实际运行效率低等问题。为了解决上述问题，有研究者提出了顺流上喷式装置，但是，对于该装置内的液滴形成、液滴群运移过程与排风流动优化等问题仍未完全解决。为此，本文主要从排风参数-液滴群参数优化的角度开展理论分析、数值计算和实验实测，并将得出的结论应用到矿井排风热提取系统中，指导系统的运行和调节。
　　1 矿井排风热提取系统的提出
　　顺流上喷式矿井排风热提取装置由扩散器、主通风机、喷淋排管、集水池、沉淀池、变频水泵和热品位提升设备（水源热泵）共同构成。风-水参数耦合优化控制装置由风速传感器、信号处理器、自动控制设备、变频水泵和信号传输线缆构成。风-水参数耦合优化控制装置与矿井排风热提取装置共同协作构成矿排井风热提取系统。
　　2 单喷嘴上喷液滴群实验与风水参数优化
　　在温差和湿度一定的情况下，液滴粒径的大小是影响换热效率的主导因素。而影响液滴粒径大小的主要因素为排风参数和喷淋水参数。为了探究上喷式装置排风风量、风速和喷嘴压差与液滴粒径大小之间的关系，特开展了单喷嘴上喷液滴群实验。在喷嘴水压分别为0.15MPa、0.2MPa和0.25MPa三种工况下，通过马尔文激光粒度分析仪测量喷水室内七个测量点在不同风量的情况下的粒径变化，进行分析从而获得风-水运行参数优化点。本实验所选风量为30%、35%、40%、45%、50%、55%和60%，所对应风速分别为4.3m/s、4.4m/s、4.6m/s、5.1m/s、5.6m/s、5.8m/s、5.9m/s。所选测量点为沿喷雾流线距喷嘴35、45、55、65、75、85、95cm处，测量数据选取D[3][2]（索特平均直径）作为统计数据，数据统计见图1～图3。
　　3 实验结果与分析
　　（1）以工况条件为压力P=0.25MPa，风速为30%为例，在距喷嘴30-100cm的范围内，喷雾粒径呈现增大-减小-增大-减小的变化过程。由图2可知液滴粒径的变化趋势基本一致，且对比发现，当喷雾压力在0.25MPa时液滴粒径最小，0.15MPa时液滴粒径最大。由此得到随着压力的增加，液滴粒径减小。
　　（2）雾化喷头的压力为0.15MPa和0.25MPa时，风速为30%时液滴的索特直径最小;而在压力为0.20MPa，风速为35%时液滴的索特直径最小。
　　4 结论
　　由研究可知，喷嘴压差一定的情况，存在一个较为合理的排风流速范围，即风-水参数之间耦合优化。在喷雾压差不变的情况下，从风量的角度看，存在最佳风量与之匹配;如果从喷嘴压差的角度看，在矿井排风量一定的情况，必定存在与该排风匹配的最佳喷嘴压差。从目前的数据来看，还无法得到最佳的风量-水压组合，但是可提供优化值范围，得出喷淋水压的避免选择方案。因此根据实验结果，在液滴粒径相差不大的情况下，应尽可能选择喷嘴水压小的工况。通过调节喷嘴压差或调节运行風量，实际上，就是风-水参数耦合优化方法。
　　参考文献：
　　[1]陈世强，陈友明，崔海蛟.上喷式矿井排风热回收装置内液滴运动模型及其优化计算[J].安全与环境学报，2015，15（04）：78-82.
　　[2]NIU Yongsheng（牛永胜），WANG Jianxue（王建学）.Recycling of mine waste heat in Zhujixi Coal Mine[J].Safety in Coal Mines（煤矿安全），2012，43（9）：194-196.
　　[3]LIU Jiangong（刘建功）.Study and practice of low-carbon ecologi-cal mining construction of Jizhong Energy Group[J].Journal of China Coal Society（煤炭学报），2011，36（2）：317-321.
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