井下移动瓦斯抽放泵站循环水分级冷却系统实验研究

摘 要：针对井下移动瓦斯抽放泵循环水高温问题，提出了利用矿井防尘水对抽放泵循环水分级冷却的解决方案。运用迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）、茹卡乌斯卡斯（Zhukauskas）关联式对两级冷却系统进行了传热计算，并对两级水冷却系统开展了实验研究。结果表明，运用上述两个关联式进行传热计算的精度较高，验证了两级水冷却系统设计方案的可行性。

关键词：煤矿瓦斯；瓦斯抽放泵；循环水冷却；对流传热

中图分类号：TD82 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.19.007

煤矿瓦斯是矿井的五大（水、火、瓦斯、煤尘、顶板）自然灾害之一，对煤矿的生产安全造成了威胁。国家在2004 年提出煤矿安全生产的“12字方针”——先抽后采，以风定产，监测监控，其中，“先抽后采”居于首位，充分说明了煤矿瓦斯抽放的重要性。抽放瓦斯不仅可以降低瓦斯涌出量，消除瓦斯突出危险，也可以变害为利、变废为宝，同时还有利于保护环境。

瓦斯抽放泵是抽放系统的心脏。目前，瓦斯抽放泵的类型有水环式真空泵、离心式鼓风机和回转式鼓风机，我国矿井常用的瓦斯抽放泵为水环式真空泵。由于抽放泵是连续运转的，且抽放泵电机功率大，无功损耗比较严重，抽放时，气体受到压缩产生大量热量，造成泵体温度升高，对抽放泵和电机造成损伤，导致无法正常运转。这是当前国内外煤矿普遍存在的问题，也是迫切需要解决的问题。

山西某煤矿目前使用3台井下移动式瓦斯抽放泵。所用瓦斯抽放泵为2BFC72型真空泵，电机功率为1 000 kW，最大吸气量为630 m3/min，极限压力为160 hPa，转速为340 r/min。其中，瓦斯抽放泵利用循环水降温。通过对该煤矿瓦斯抽放泵站现场测量，测得抽放泵循环水流量为60 m3/h，进水温度为20 ℃，进水表压为0.47 MPa，出水温度为50 ℃。

由于循环水出水温度太高，目前只能将循环水出水送至地面处理后再使用。这种开式循环设计使得井下瓦斯抽放泵站的运行操作不便，泵站设备连续运行的可靠性下降，设备工作时受外部其他干扰因素的影响较大，对井下安全生产极其不利。因此，必须对抽放泵循环水实施冷却降温，解决抽放泵循环水高温问题，以满足煤矿井下瓦斯抽放系统安全、高效运行的要求。

本文在煤矿现有瓦斯抽放泵循环水冷却系统的基础上，设计了利用井下防尘水对循环水分级冷却的冷却系统，并对冷却系统换热器的传热特性进行了实验研究，以验证设计方案是否可行。

1 瓦斯抽放泵循环水分级冷却系统设计

由于井下防尘水温度在17 ℃左右，流量为70 m3/h，考虑将防尘水作为冷源对瓦斯抽放泵循环水冷却降温。防尘水的主要功能是除尘。抽放泵站到采掘工作面的距离较远，防尘水在管道内与井下通风系统自然换热，等到达工作面时温度会降低，但不影响除尘效果，可以保证采掘工作的正常开展。

由于硐室内瓦斯抽放泵站现场已分别设置冷、热水池，因此，可以在热水池内布置换热管束，当井下防尘水从换热管束内流过时，对瓦斯抽放泵循环水的出水进行冷却。根据现场测得的水池尺寸以及相关参数，校核、计算了热负荷，发现根据现有的水池大小布置管束无法满足热负荷的需求。从对瓦斯抽放站的现场勘查来看，在硐室内还有诸多空余空间，因此可以考虑在空余部分增设水箱，再在箱内布置换热管束。当管内有防尘水流过时，水箱内循环热水流动，对循环水换热降温，使其承担一定的热负荷。水箱可以增设两级并串联使用，从而实现两级水冷降温。分级冷却系统管路流程如图1所示。

考虑到井下空间有限，为了节省空间，在设计时就要求二级水冷却器尽可能多地承担热负荷，并且尽可能使用尺寸较小的一级水冷却器。二级水冷却器换热管的布置情况如图2所示。图2中，中间黑色实线表示用金属隔板将水池人为分隔成间距为0.1 m的曲折流动通道，通道内布置蛇形换热管，其中，防尘水与管外循环水为逆流。

要实现井下瓦斯抽放泵冷却水的闭式循环利用，就需要将循环水从50 ℃冷却至20 ℃，冷却系统所需的换热量为2 019 kW。

对于蛇形管管内流动传热过程可通过迪图斯-贝尔特公式进行理论计算，得到管内努赛尔数：

. （1）

蛇形管管外流动传热过程可近似为流体横掠管束传热过程，管外努赛尔数Nu可用茹卡乌斯卡斯关联式估算：

. （2）

表面传热系数：

. （3）

式（3）中：h为表面传热系数。

总传热系数：

. （4）

式（4）中：kth为总传热系数；h2为管内表面传热系数；h1为管外表面传热系数。

依据已知参数和上述4个公式，对分级冷却系统进行设计计算，可得到分级冷却系统的设计参数，如表1所示。

2 实验装置与方法

本文主要针对二级水冷却器的传热性能进行实验研究，二级冷却系统用均等间距的隔板隔开，每个隔板间布置换热管。对于本实验而言，可以只研究其中一个隔板槽道的流动性和传热特性。

1—热水箱；2—换热器；3—流量计；4—球阀；5—水泵；6—冷水箱

实验系统图如图3所示。热水箱内加装加热器对水加热，加热后的水经水泵和流量计由换热器槽道的底部流入换热器内；同时，另一端冷水器内储存的冷水经水泵和流量计流入蛇形管内，与换热器槽道内的热水逆流换热，降低槽道内热水的温度。图3中，黑点表示布置温度传感器的位置。温度传感器用于测量蛇形管壁与进出口的温度。换热器参数如表2所示。

实验热水温度共设置3个温度值（40 ℃、45 ℃和50 ℃），冷却水温度为17 ℃，热水进口流量为4个工况（10 L/min、17 L/min、20 L/min和22.5 L/min），冷水进口流量共4个工况（10 L/min、21 L/min、24 L/min、26 L/min）。实验过程中保持其中

两个参数不变，改变其中一个参数，分析变化规律。

3 实验结果分析

3.1 热水流速对传热性能的影响

通过实验数据可得到不同热水流速下的管外表面传热系数和总传热系数，分别如图4和图5所示。

由图4和图5可以看出，当流速低于0.071 m/s时，随着管外热水流速的增加，管外表面传热系数和总传热系数明显增大。这是因为在其他条件不变的情况下，增大热水流速，雷诺数也随之增加，使得换热能力增强。在工程应用中，可根据实际情况适当提高热水的流速。

3.2 冷水流速对传热性能的影响

对不同冷水流速下的管内表面传热系数和总传热系数进行整理，可得到不同冷水流速下的管内表面传热系数，如图6所示。

由图6可以看出，当冷水流速低于1.11 m/s时，管内表面传热系数随冷水流速的增加上升较为明显；当冷水流速高于1.11 m/s后，管内表面传热系数增幅较小。因此，在实际应用中保持冷水流速在1.11 m/s左右较为合理。

3.3 实验与理论计算对比分析

根据循环水冷却系统所选择的关联式可对各实验工况进行理论计算。通过对工况（热水进口温度为45 ℃，冷水进口温度为17 ℃，热水流量为24 L/min，冷水流量为20 L/min）的实验结果与理论计算结果进行对比，可得到表3.

由表3可以看出，将实验计算得出的表面传热系数和总传热系数与理论计算得出的结果相对比，误差均在5%以内。验证了分级水冷却系统设计计算选用的迪图斯-贝尔特、茹卡乌斯卡斯关联式是比较准确、合适的。

4 结论

通过本文的论述，可得出以下结论：①根据迪图斯-贝尔特、茹卡乌斯卡斯关联式对瓦斯抽放泵循环水分级冷却系统进行设计计算，得出分级冷却系统设计换热量为2 021.476 kW。②当热水流速低于0.071 m/s时，随着管外流速的增加，冷却系统管外表面传热系数和总传热系数明显增大。③当冷水流速低于1.11 m/s时，管内表面传热系数随冷水流速的增加上升较为明显；当冷水流速高于1.11 m/s后，管内表面传热系数增幅较小。④对比实验与理论计算结果得出，误差在5%以内，得出分级水冷却系统设计计算选用的关联式是准确、合适的，验证了该分级水冷却系统设计方案的可行性。

参考文献

[1]王兆丰，刘军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J].煤矿安全，2003（4）.

[2]彭成.我国煤矿瓦斯抽采与利用的现状及问题[J].中国煤炭，2007（2）.

[3]高广忠.瓦斯抽放泵的水垢处理[J].煤矿机电，2010（2）.

[4]钱颂文.换热器设计手册[M].北京：化学工业出版社，2006.

〔编辑：刘晓芳〕

Experimental Study on the Circulating Water Classification Cooling

System of the Underground Mobile Gas Drainage Pump Station

He Guangyan， Liang Xiaobo， Chao Yang， Wang Taotao

Abstract： In this paper， aiming at the underground mobile gas drainage pump circulating water heating， the utilization of mine dust water gas drainage pump circulating water cooling stage solutions. In this paper， the correlations Dittus-Boelter， Zhukauskas of two-stage cooling system for heat transfer calculations， and the two stage water cooling system experimental study has been carried out. The results show that the accuracy of heat transfer calculation is high， and the feasibility of the design scheme of the two level water cooling system is verified by using the above two correlation formula.

Key words： coal mine gas； gas drainage pump； circulating water cooling； convection heat transfer