全风量降温系统运行效果影响因素分析

李继良 陈 军 杜昌昂

（1.兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 济宁 273500 2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）

随着矿井开采深度的增加，矿井地热和设备散发的热量增加，矿井下高温环境会对煤矿的安全开采造成影响，矿井热害最终将成为制约开采深度的决定性因素[1-3]。针对矿井热害问题，一些学者认为矿井的降温技术和矿用设备的发展水平将会决定未来煤矿的开采深度[4-6]。东滩煤矿地面气温对井下气温变化影响显著，因此，为解决矿井热害问题采用全风量降温系统。

1 空气换热器进风参数变化对运行效果的影响

1.1 全风量降温系统空气换热器选型

空气换热器按照有无动力可分为两类。有动力换热器相对来说换热量比较稳定，但风机产生的噪音会对井口安全造成影响，同时风机需具备防爆的功能。而无动力换热器则可以解决上述问题，但是是否可用仍需要进一步研究。（1）由于东滩煤矿采用抽出式通风，副井口会产生负压，所以，矿井通风机提供的通风动力可以被换热器利用。（2）由于副井口会承担行人运料任务，如果漏风严重，通风降温的效果会受到影响，在使用无动力换热器时要解决好副井口的密闭问题。（3）为了减小对矿井主通风机工况点的影响，选择通风阻力较小的换热器。

通过现场实测对可行性进行验证，对副井口房采用无动力换热器。系统冷负荷为10360kW。根据井口房实际情况和断面尺寸，共设计30台空气换热器，单台换热器的制冷量为600kW，总制冷能力18000kW，风量800m3/min，风阻力＜ 50Pa，可以实现空气热湿处理的目的。空气换热器安装于井口房两侧，副井口房空气换热器布置示意图如图1所示。

1.2 空气换热器进风参数变化对运行效果的影响

空气换热器进风参数的变化，会对降温系统运行造成影响，试验设计了5种进风工况（进风干球温度分别为35℃、32℃、27℃、24℃、20℃，相对湿度60%），换热器表面风速分别为1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s、3.0m/s，多个工况点进行测试，分析空气换热器进风参数变化对运行效果的影响。

图1 副井口房空气换热器布置示意图

1.2.1 空气换热器表面风速的变化对运行效果的影响

通过风机调节风量改变进入空气换热器空气流量，使其表面风速1.0～3.0m/s，在进风空气温度为35℃、相对湿度为60%的情况下，分析了表面风速的变化对出风参数的影响。分析结果如表1、图2所示。

表1 空气换热器表面风速的变化对出风参数的影响

图2 空气换热器表面风速变化对出风参数的影响

从图2中可以看出，空气换热器表面风增大时，其出风参数整体呈上升趋势，但上升的幅度逐渐变小。空气侧压降呈直线上升趋势，当表面风速超过2.0m/s时，上升幅度逐渐增大。系统运行时要控制换热器的风阻，必须控制换热器的表面风速。东滩煤矿设计要求空气侧压降小于50Pa，则换热器表面风速需小于1.5m/s，设计要求出风温度小于16℃，则换热器表面风速需小于1.3m/s，经现场测试，副井口换热器表面最佳风速1.0～1.2m/s。

1.2.2 进风空气温度的变化对运行效果的影响

空气换热器进风空气状态参数的变化也将影响其换热性能。在不同的试验工况下，分析了空气换热器进风空气温度对运行效果的影响，结果如图3、图4所示。分析测试数据可以得出以下结论：

换热器风阻受温度影响较小；换热器表面风速增加，其出风温度上升；空气换热量与进风空气温度成正比关系，换热量也随着换热器表面风速的增大而增大；当表面风速上升时，换热器的风阻也随之增大。

图3 换热器风阻与换热量随进风空气温度的变化曲线

图4 出风干球温度随进风空气温度的变化曲线

2 井口房漏风对运行效果的影响分析

2.1 理论分析

空气冷却器冷却空气时，井口构筑物是主要通道，构筑物两侧的风门有一定的漏风，经过空气换热器处理后的空气和通过风门和井架的漏风相混合后空气的状态参数能否满足矿井进风状态参数的要求，需要经过理论分析。

副井总风量为20000m3/min，假设漏风量为2000m3/min，18000m3/min的风量进入换热器送风口，经过空气换热器处理后的空气（状态1：18℃，90%）与漏风进入的空气（状态2：34.1℃，60%）混合后的空气状态可通过焓湿图计算。从焓湿图上可以读出该点的空气状态参数为：

干球温度=21.41℃，相对湿度=95.13%，焓=61.02kJ/kg。通过计算混合空气状态点的参数，空气的干球温度上升了3.4℃，可见漏风对矿井降温产生一定的影响，控制漏风是确保系统运行效果的关键技术。漏风率需要控制在10%以下。

2.2 数值模拟分析

按照东滩副井口构筑物实际情况建模，对夏季的工况进行模拟，并对模拟结果进行综合分析。

副井构筑物墙体侧面共布置30个空气换热器，风量18000m3/min，总冷量为18000kW。

夏季井口空气换热器全部开启，进入每台空气换热器的送风量为600m3/min，送风温度为16℃，漏入井口的风量为2000m3/min，温度为35℃。夏季工况模拟结果如图5所示。

通过分析以上模拟结果，夏季经过处理后空气（18000m3/min）与室外空气（2000m3/min）相混合，得到混风温度为21℃，空气温度上升了3℃。可见漏风对矿井降温产生一定的影响，控制漏风是确保系统运行效果的关键技术，漏风率需要控制在10%以下。

3 结论

通过对东滩煤矿全风量降温系统运行效果影响因素分析，得出如下结论：

全风量降温系统运行时需要控制换热器的风阻，必须控制换热器的表面风速。根据东滩矿设计要求空气侧压降小于50Pa，设计要求出风温度小于16℃，即在进风温度为35℃的情况下，副井口换热器表面最佳风速1.0～1.2m/s，此时全降温系统运行良好。通过理论分析和数值模拟结果可知，漏风对矿井降温产生一定的影响，控制漏风是确保系统运行效果的关键技术。为保证全风量降温系统有效运行，漏风率需要控制在10%以下。

图5 夏季工况模拟图