热泵与动力热管复合的深井热害控制试验研究

朱海亮 柳静献 常德强 初砚昊 曹雪曼 李元辉

（东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819）

随着社会不断进步，经济和技术水平的不断提高和发展，对于各类矿石和煤炭的需求量也在快速增加。现阶段，我国每年有色金属的生产和销售量可达1 000 万t 左右，而矿石更是存在每年高达5 000万t 的供应缺口［1］。在经过多年开采之后，较为容易开采的处于浅层之中的矿产资源已消耗殆尽，矿井开采深度日益增加，深部矿井逐渐增多［2-3］。20 世纪80 年代以来，很多学者源源不断地将国外矿井开采深度、深层矿井开采中存在的现象、深井开采中使用的相关技术等方面的信息介绍到国内，推动了国内深井开采技术的不断进步［4-6］。在我国，煤炭是非常重要的基础能源，在一次能源的构成中大约占比70%［7］，但根据相关预测数据，深埋于地下超过1 000 m的煤炭资源占比73%左右，所以深井开采已成为煤炭行业乃至整个矿业领域的一个必然趋势。目前，我国大部分的矿井都已经在800 m 以上的开采深度，辽宁省抚顺市红透山铜锌矿已经达到了地下1 100 m，冬瓜山铜矿也达到了约1 000 m 的开采深度［8］。从20 世纪末开始，我国逐渐进入到深部开采阶段，1980 年、1995 年和2000 年我国矿井平均开采深度分别为288、428、650 m，开采深度的增长速度为每年10 m左右。随着矿井开采深度逐步加大，井下工作环境也越来越恶劣，并且在一般情况下，地下温度会随着开采深度的增加呈现线性增长，因而井下热环境是造成井下工作环境恶劣最主要的因素之一。高温热害影响井下人员的工作状态和效率［9］，危害人员的身心健康和生命安全［10］。正常情况下人体会通过流汗蒸发的方式维持体温的相对平衡［11］，但是在高温高湿矿井环境中汗液难以蒸发，易打破人体的热量平衡［12］，引起头晕等一系列不良反应［13］，同时热害对工作人员身体的循环系统、神经系统、免疫系统以及心理会产生不良影响，并且有些影响是不可逆的［14-17］。这些危害严重影响了井下工作效率［18］，造成不必要的损失，影响安全生产，因此对于矿井热害进行客观科学的评价具有重要意义［19］。日本对于矿井工作面的统计分析表明，高温热害工作面发生事故的概率为正常温度工作面的3.6 倍以上［20］，严重影响人身安全。为保证井下工作人员的生命安全，同时保证深井开采时可以达到一个较高的生产效率，解决高温热害问题十分必要。目前，矿井热害问题防治方式主要分为机械式制冷技术和非机械式制冷技术两种，对于非机械式制冷技术而言，经济性是其优势所在，但是制冷效果一般，机械式制冷技术可以达到良好的降温效果但是成本较高。针对通风降温［21］无法满足要求，而现有的机械式降温技术系统庞大、投入较高等问题，利用热管原理对原有的热管系统进行改造，可适用于更广泛的井下环境，其降温效果不受井下位置及温差的影响，即使回风风温高于工作面温度，依然可以达到良好的降温效果。

1 试验系统构建

1.1 系统组成

动力型分离式热管是分离式热管的一种［22］，是在重力型分离式热管的基础上优化改进而来。动力型分离式热管依靠泵产生的驱动力完成热管的循环，在实际应用中可根据现场情况任意布置。在某些矿井中，存在着工作面距离回风巷较远或者工作面温度低于回风风温等现象，此时利用现有技术解决工作面热害问题较为困难，本研究根据此类现象搭建试验平台，模拟井下工作环境。试验将热泵系统和动力型分离式热管系统相结合，具有原理简单、安装容易、便于布置、传热效率高、降温效果好等优点。通过热泵系统中工质在蒸发段蒸发吸热产生的冷量来降低工作面的温度，再通过热管系统将吸收的热量传递到距离工作面较远的地方。试验原理如图1 所示。整个装置两端分别为蒸发器和冷凝器与风机相连，左侧为热泵系统，用铜管将各个装置串联在一起成为一个闭合回路，右侧为动力型分离式热管系统，各个装置之间用聚四氟乙烯管串联成一个闭合回路。热泵系统和动力型分离式热管系统之间利用板式换热器进行耦合，板式换热器不仅为热泵系统的冷凝段，同时也是动力型分离式热管系统的蒸发段。两个系统中的工质不相通，各自分别为独立的闭合回路，在压缩机附近和磁力驱动泵附近分别有两个系统各自的工质充放阀门，试验开始前的系统抽真空和充装工质液体以及试验结束后系统回路中工质的排放都是通过这两个阀门来完成。在蒸发段风道内安装6 个功率为2 kW 的加热管，通过接通不同数量、不同位置的加热管，调整风道内达到不同的温度，来模拟矿井工作面的工作环境，在冷凝器前段均匀喷射水雾来实现冷凝段的不同温度。在蒸发器和冷凝器前后布置PT100热电阻进行温度测量，精度为0.1 ℃，每隔一段时间同时记录每个采集点的温度；利用多功能风速仪测量试验中风道内的风速和湿度，通过风机调节风道内风速大小；利用真空压力表和电子秤来控制充入工质的量，电子秤的精度为0.001 g；通过调节变频器的频率来控制磁力驱动泵的转速，从而控制泵给系统带来的动力。在矿井中应用时，可将热泵与动力型分离式热管复合系统的蒸发段布置在工作面之中，释放冷量改善环境，将冷凝段布置在回风巷中，将从工作面富集的热量传递到风流中。该系统解决了单纯动力型分离式热管系统只有存在驱动温差才能正常工作的不足，在特殊矿井中，当回风温度与工作面温度所差无几甚至高于工作面温度时，仍然可以使用该复合系统给工作面降温。

为了模拟工作面的高温环境，在热泵系统蒸发段的矩形风道顶端和侧面钻孔，在风道内部安装6根加热管，每次试验时通过接通不同位置和不同数量的加热管使蒸发段矩形风道内达到不同的温度，即调节系统蒸发段的温度。同时从孔洞下放温度传感器，测量蒸发段的实时温度。两个分系统回路中分别利用压缩机在气体工质管路中提供动力和利用磁力驱动泵在液体工质管路中提供动力，克服回路中的沿程阻力来推动管路中的工质完成循环，使系统能够运行起来。在压缩机前安装气液分离器，可以将通过蒸发段而未蒸发的液体工质和已经蒸发的气体工质分层，避免液体工质进入压缩机发生液击现象。同理在磁力驱动泵前安装储液罐，防止气体工质进入驱动泵出现气蚀现象，气液分离器和储液罐可对压缩机和磁力驱动泵产生一定的保护作用，避免发生损坏，同时储存气体和液体工质，使压缩机和磁力驱动泵在运行时能够有足够的气态工质和液态工质而不间断地运行，给系统回路提供动力。蒸发段的轴流风机和磁力驱动泵都与50 Hz 的变频器相连接，通过改变变频器的频率来改变蒸发段的风速和驱动泵给回路带来的动力。热泵系统为固定长度，可通过改变动力型分离式热管系统的长度来研究远距离传输热量的效果。将系统各个部分管路用保温管包裹，防止热量或冷量在传输过程中出现能量损失，影响换热效率。

1.2 试验步骤

对于本研究所搭建的系统而言，管路内部存在压力，因而良好的气密性极为重要，是整个系统得以稳定并进行长期正常工作的必要条件。在试验开始前一定要检查好装置是否完全密封，再进行试验，系统检漏工作可以利用肥皂水检测法及压力表法来完成。系统气密性检查完毕无漏气现象以及抽真空操作完成之后，进行工质充注，应将制冷剂倒置，确保充入系统的为液态工质。

以上工作完成后开始进行试验，记录试验数据，通过蒸发段和冷凝段的温差变化来分析热管系统温度、驱动温差、动力泵流量等因素对系统换热性能的影响。完成测量后，改变热管系统管路的长度来分析长距离热管的性能以及距离对热管性能的影响。具体试验步骤为：①对系统进行检漏和抽真空操作后，充入工质；②接通加热器并调节蒸发段和冷凝段风机达到一定的风速，待温度稳定后记录；③开启压缩机，同时不断提高溶液泵频率，直至50 Hz，在每次变频的同时记录蒸发段和冷凝段的温度；④改变蒸发段风道内的温度，重复步骤③；⑤加注制冷剂工质R134a，重复步骤②至④；⑥增加热管系统管路的长度，重复步骤①至⑤。

2 试验结果与讨论

热泵与动力型热管复合系统最大的特点就是系统内部存在压缩机和动力泵，是整个系统正常工作持续不断的动力来源，这样的设计可以使本套系统实现远距离传热，并且在传热过程中不受井下工作面地理位置及工作面与回风巷温差的影响。在动力型热管不同长度下，研究温度、驱动温差和动力泵流量对系统换热量的影响，从而可以得到热泵与动力型热管在不同传热距离下传热性能的差别。

2.1 不同距离下温度对热管性能的影响

试验设定在系统充液率为50%时，蒸发段风速为1.5 m/s，温度变化范围为29.2～50.6 ℃，湿度为75%，冷凝段风速为2.4 m/s，温度变化范围为19.6～26.3 ℃，湿度为75%，动力泵流量为0.9 m3/h，测得热管系统长度分别为20、40、60、80、100 m 时的蒸发段和冷凝段换热量，绘制出了在不同温度下热管系统长度与蒸发段和冷凝段换热量的关系曲线，分别如图2、图3所示。

由图2、图3可知：热泵与动力型分离式热管复合系统的换热量与蒸发段和冷凝段的迎风风温之间表现出一定的规律性，而在不同的充液率或者长度下，这种规律趋势相同。蒸发温度为26～52 ℃时，蒸发段温度越高，工质流过蒸发器时蒸发速率越快，单位时间内蒸发的工质增多，吸收热量变大，导致换热效果更好；冷凝温度为19～26 ℃时，冷凝段温度越低，工质在冷凝器中的冷凝效果越好，释放热量变大，系统换热量增多。同时在相同的温度条件下，系统长度越长，其运行时系统内部存在的沿程阻力越大，能量损失越大，在同等动力条件下换热效率降低，换热效果变差。

2.2 不同距离下驱动温差对热管性能的影响

在2.1 节中分析了温度对系统换热量具有一定的影响，其实一端温度不变，另一端温度变化，就是在改变蒸发段和冷凝段之间的温度差，本研究将蒸发段环境温度与冷凝段环境温度之间的差值称为驱动温差。试验设定在系统充液率为50%时，蒸发段风速为1.5 m/s，湿度为75%，冷凝段风速为2.4 m/s，湿度为75%，动力泵流量为0.9 m3/h，通过不断改变蒸发段和冷凝段的温度来实现热管系统不同的驱动温差，测得热管系统长度分别为20、40、60、80、100 m 时的蒸发段和冷凝段换热量，并绘制出了不同驱动温差下热管系统长度与蒸发段和冷凝段换热量的关系曲线，分别如图4、图5所示。

由图4、图5 可知：在热管系统的不同长度下，随着驱动温差的不断增加，系统换热量也不断增加，换热量最终会达到一个相对稳定的数值，而非持续不断升高，但是热管系统长度越小，其换热量越率先达到这个饱和值，长度大的系统则需要更大的驱动温差才能达到与长度小的系统相同的换热量，实现相同的换热效率。长度大的系统需要克服比长度小的系统更大的阻力来完成整个系统的运行。同时系统长度越长，运行时系统中因阻力带来的能量损失及系统本身的热量损失越大。可见，要确保长度更长的热管系统达到一定的换热效率，可以通过提高两换热器的驱动温差来实现。

2.3 不同距离下工质动力泵流量对热管性能的影响

试验设定在系统充液率为50%时，蒸发段风速为1.5 m/s，温度为38.2 ℃，湿度为75%，冷凝段风速为2.4 m/s，温度为23.3 ℃，湿度为75%，溶液泵频率变化范围为0～50 Hz，通过旋转变频器的旋钮不断改变溶液泵频率，从而改变动力泵流量，测得热管系统长度分别为20、40、60、80、100 m 时的蒸发段和冷凝段换热量，并绘制出了曲线图，如图6、图7所示。

由图6、图7 可知：当动力泵流量不断增加时，不同长度下热管系统的换热量先随之增加而后趋于稳定，在上升阶段溶液泵频率的增加意味着系统动力的增加，流量的增加，管内工质流速的增加，单位时间内经过蒸发段的工质增加，受热蒸发的工质增加，可以吸收的热量变多，导致换热量变大。在此工况下，蒸发段能够受热蒸发的工质达到饱和状态后，再次增加溶液泵频率对系统换热量几乎无影响。同时可以看到热管系统长度越小其达到这个稳定值所需要的流量越小，反之，则需要溶液泵提供更大的动力来克服沿程阻力，以保证工质通过蒸发段时的流量足以使换热量达到这个稳定值。

动力型分离式热管系统因为其动力的存在，其主要目的是为了实现远距离的热量传输，随着热管系统长度的增加，整个系统的沿程阻力不断增加，需要克服的阻力不断变大，实现系统有效运行所需要的动力也随之提高。并且系统管路并不是完全处于绝热状态，系统长度的增加使得系统在传热过程中热量损失不断增加，影响换热效果。在热管系统长度不断增加的情况下，可以通过提高蒸发段温度或降低冷凝段温度，增大整个热管系统的驱动温差和增大工质动力泵流量的方法使动力型分离式热管系统达到更佳的换热效率。

2.4 工程应用设计方案

2.4.1 计算沿程阻力

由上述分析可知，随着动力型分离式热管系统管道长度不断增加，想要达到与其相比更短管路中所提供的换热量，就需要通过增加驱动温差或者提高溶液泵频率来实现。这说明系统中的管路内壁并不是绝对光滑的，存在着一定的沿程阻力，并且随着传热路径变长，沿程阻力也逐渐增加。系统管路中沿程阻力的计算公式为

式中，R 为沿程阻力，Pa；λ 为沿程阻力系数；d 为管道内径，m；ρ 为工质密度，kg/m³；v 为流速，m/s；L 为管路长度，m。

有关液体工质在管路中流动时的沿程阻力计算问题，必然会涉及到相关沿程阻力系数的计算，沿程阻力系数λ可进行如下计算

式中，k 为管道内壁绝对粗糙度，不同类别的管道的绝对粗糙度也不同，本研究k=0.03 mm；Re为雷诺数，无量纲量，可用下式计算：

式中，μ为黏性系数，计算公式为

?

2.4.2 需冷量确定

某矿井800 m 深度的工作面长10 m、宽3 m、高2 m，井下风流速度为2 m/s，经过工作面之后风温升高3 ℃。该工作面中导致工作环境温度上升的主要热源有围岩放热Q1、机电设备放热Q2、运输中的矿石放热Q3、矿井水放热Q4、氧化放热Q5、人员放热Q6等，则工作面总放热量Q可表示为

通过计算可以得到该工作面总放热量为200 kW，而工作面所需冷量应为总放热量减去风流可以吸收带走的热量，即：

放热量Q可以用下式进行计算：

式中，Cm为比热容，kJ/（kg·℃）；Δt 为降温前后温度差，℃；m为质量流量，kg/s，可进行如下计算：

式中，A为换热面积，m2。

因此，放热量计算公式可以换算为

计算得到风流吸收的热量为65 kW，所以工作面需冷量为135 kW，考虑到在实际情况中的误差，存在10%左右的备用系数，所以该工作面需冷量为148.5 kW。

2.4.3 关键组件选择与参数确定

我国《煤矿安全规程》规定，井下回采工作面的温度不得超过26 ℃，如果超过这一温度就必须停止生产，采取降温措施对井下空气进行降温操作。显然通过上述计算，可知仅利用现有的通风系统对该工作面进行降温，流过工作面的风流无法带走工作面产生的热量，因而需要额外的降温系统进行辅助。利用本研究热泵与动力型分离式热管复合系统为该工作面进行降温，同时将热量传递到300 m外的回风巷中。

通过试验数据推算出在该工作面放置的系统可以使用功率为6 500 W 左右的压缩机以及换热面积约为55 m2的板式换热器，通过下式计算得到的冷凝器换热面的面积为190～260 m2。

设计蒸发器和冷凝器为长1 m、高1 m、宽220 mm 的长方体，每个散热器中有100 根直径20 mm 的铜管，500 个厚1 mm 的翅片，通过计算得到有效的换热面积为220 m2左右，符合要求。在热管系统中使用功率为3 000 W 的磁力驱动泵，调节变频器的频率在40 Hz，使管内流量达到20 m3/h。根据式（1）可以计算出系统中管路的沿程阻力，系统管路内径从8 mm升高到40 mm，管路长度从60 m 提升到300 m，两者变化的倍数相同，可以认为管路参数改变之后的沿程阻力与原有的沿程阻力大致相同，所以对于新系统来说可以稍稍提高变频器的频率来克服不算很大的沿程阻力。

根据试验数据可知，充液率为50%～58%时，系统效率较高，故向系统充注工质时使其充液率在此范围内，可取得最佳的降温达效果。通过查阅资料了解到该工作面温度为33 ℃，井下通风系统可以使工作面温度下降3 ℃，通过推算本研究设计的系统可以使工作面温度下降6 ℃左右，即该系统可以使井下温度从33 ℃降低到24 ℃，由于井下不确定因素及误差的存在，该系统能够使井下温度维持在23～26 ℃范围内，该温度区间比较适合井下作业，有利于提高井下作业效率，尽可能避免安全事故发生。

3 结 论

针对矿井热害日益严重的问题，本研究提出并研究了热泵与动力型分离式热管复合系统，在实验室条件下，自行搭建试验装置，模拟井下工作环境，进行了测试分析，研究了系统长度在20～100 m 时温度、驱动温差、动力泵流量对系统换热性能的影响，测得大量试验数据，对比分析了不同长度时系统的换热性能，得出了以下结论：

（1）热泵与动力型分离式热管复合系统的换热量随着蒸发段温度的升高而增大，随着冷凝段温度的升高而减小，在相同温度条件下，系统长度越长其换热量越低，系统换热效果越差。

（2）系统换热量随着驱动温差的增加呈现先增加后趋于稳定的状态，当达到一定的驱动温差后，系统换热量随着驱动温差的增加无明显变化趋势，未达到稳定状态前在相同驱动温差下，系统长度越长换热量越小，同时长距离系统可以通过增大驱动温差的方式来改善换热效果。

（3）工质动力泵流量也在一定程度上影响着系统换热性能，随着动力泵流量的增加，蒸发段和冷凝段的制冷量呈现先增大后基本保持不变的趋势，系统长度越长，则需要更大的动力泵流量来克服系统的阻力以及热量损失。

（4）热泵与动力型分离式热管复合系统具有高效、可控、适应性强等特点，自身存在动力装置，两个换热器的安装不受位置限制，可以根据实际情况任意布置。该系统最主要的特点是热泵系统提供冷量，热管系统传递热量，复合系统的正常运行不必受限于工作面与回风之间的温度差，使用条件更为广泛；动力型分离式热管能够远距离传输热量，实现井下远距离的热量转移。因此，本研究提出的热泵与动力型分离式热管复合系统可以应用于矿井工作面降温。