矿井涌水冷热利用深井降温系统

纪海维 张进 范红 陈柳

摘 要：随着矿井开采深度加深，深部热害现象日趋严重，影响了深部矿井的安全生产。提出了一种新型矿井涌水冷热利用的深井降温系统。该系统由空气处理单元、再生空气单元、低温涌水系统及高温涌水系统构成。系统从矿井低温涌水中提取冷量用于空气处理单元的三级空气冷却器。系统从矿井高温涌水提取热量用于两级转轮除湿机的除湿再生，转轮除湿机实现对空气的深度除湿。再生热回收器回收了转轮除湿机的吸附热，進一步提高了高温涌水的温度。应用TRNSYS软件建立系统仿真模型，对系统进行热力学和能耗模拟，模拟获得系统的降温除湿性能和能耗性能。模拟结果表明：当矿井空气温度为30～40 ℃，相对温度为60%～90%，低温涌水温度为22 ℃时，系统可实现进出口温差大于10 ℃，进出口含湿量差大于15.0 g/kg，能满足不同深部矿井降温除湿的需要，系统热力性能系数大于1.60。该系统结构简单，不需制冷机组，能耗低，适用于有涌水充足的矿区对工作面进行降温。关键词：矿井;涌水;降温;除湿 中图分类号：TD 727

文章编号：1672-9315（2022）01-0083-08           文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0112开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Development of mine cooling system with mine

influx water cold-heat method

JI Haiwei，ZHANG Jin，FAN Hong，CHEN Liu

（College of Energy Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）Abstract：With the increasing of mine exploitation depth，the heat-harm is becoming more serious，and the mining safety is threatened.A new mine cooling system with mine influx water cold-heat utilization is proposed.The system consists of air cooler，desiccant wheel，regenerative air system，low-temperature influx water system and high-temperature influx water system.Air cooler of air handling system draws cold energy from the low-temperature influx water system.Regenerative air system draws regenerative thermal energy from the high-temperature influx water system.Regenerative recovery heat exchanger recovers adsorption heat of desiccant wheel through heat exchange between the high-temperature influx water and the regenerative exhaust air.The TRNSYS software is adopted to build the simulation model of the mine cooling system with mine influx water cold-heat method.Through the simulation of thermodynamic and the energy consumption of system，the performance of cooling and dehumidifying and the performance of energy consumption were analyzed.The simulation results show that when the mine air temperature is between 30  ℃ and 40 ℃，the mine air relative humidity is between 60% and 90%，and the low-temperature influx water temperature is 22 ℃，the temperature difference between inlet and outlet of the system is greater than 10 ℃，the humidity ratio difference between inlet and outlet of the system is greater than 15 g/kg，and thermal coefficient of performance is greater than 1.60.The system is simple in structure

with dailer units undesired and energy consumption lower.Key words：deep mine;influx water;cooling;dehumidification

0 引 言

随着采矿业的发展，深部采矿是不可避免的。随着现有矿山开采深度的增加，急需解决深部开采产生的高温热害问题。高温热害的存在严重影响矿工身心健康，还会诱发瓦斯爆炸事故，严重威胁了矿山生产安全[1-4]。矿井热害不仅是目前急需解决的问题，而且从长远看，它对我国今后进一步开发深部矿产资源具有战略意义。深部高温热害防治主要有2个方法，一种是采用非人工制冷降温措施，如通风降温;另一种是采取人工制冷降温技术。在深井降温系统中，主要采用人工制冷降温技术，原理是通过制冷机组制备低温载冷剂（冰或低温冷水），经保冷管道输送到空气冷却器，深井高温高湿风流通过空气冷却器与低温载冷剂进行热湿交换，降低风流温度和湿度后送到工作面，从而达到深部矿井热害控制的目的[5-7]。深井降温系统空气冷却器性能直接影响了系统降温效果[8-9]。尽管对空气冷却器进行了除垢、提高传热系数等措施，但设备降温除湿能力有限，造成矿井工作面温度和湿度过高[10-12]。此外，空气冷却器采用的介质均来自低温制冷机组，矿井机械制冷系统能耗很大，矿井冷却系统最多可占矿井总耗电量的25%[13-16]，导致很多矿区虽然安装了矿井机械制冷系统，但实际却不运行。因此，急需研究新型矿井降温系统。GUO等提出回收深井降温系统冷凝器的热量，并将回收的热量供给地上热泵系统，与其它矿井的冷却系统相比，该系统的能效比COP比其它矿井高30%[17]。陈柳等利用充填体提取围岩地热驱动吸附制冷系统治理高温矿井的热害，实现了地热驱动矿井降温系统[18]。TRAPANI等评估了2 500 m深的矿井各种降温系统的能耗，结果表明利用地热的降温系统的运行成本较低[19]。深部矿井在不同水平下，有不同水温的涌水，几乎不随季节变化，可从低温涌水中提取冷源，从高温涌水中提取热源[20-23]。通过使用高水平矿井涌水的热泵系统可以比传统方法每年减少67%的采暖成本和50%的冷却成本[24-25]。因此，如能将矿井涌水的冷量和热量合理用于深井吸附制冷系统中[18]，必将减少深井降温系统的能耗。因此，文中提出采用吸附制冷原理利用高水平高温涌水驱动除湿，利用低水平低温涌水冷却降温的新型矿井涌水冷热利用深井降温系统，应用TRNSYS瞬态模拟软件对系统并进行热力学分析，探讨系统的降温能力。

1 矿井涌水冷热利用深井降温系统

1.1 系统原理文中提出的矿井涌水冷热利用深井降温系统由空气处理系统、再生空气系统、低温涌水系统及高温涌水系统组成，如图1所示。

空气处理系统由一级空气冷却器、一级转轮除湿机除湿区、二级空气冷却器、二级转轮除湿机除湿区、三级空气冷却器和处理风机组成。转轮除湿机分为除湿区和再生区2部分。除湿区用于对矿井空气除湿，除湿后达到饱和后在电机作用下移动到再生区。由于除湿会放出吸附热，空气温度会进一步升高，系统采用三级空气冷却器的方式进行降温。一级空气冷却器用于对空气初步冷却，二级和三级空气冷却器用于空气的深度冷却，制备出低温低湿空气，送至工作面，实现工作面的降温除湿。再生空气系统由再生空气加热器、辅助电加热器、转轮除湿机再生区、热回收器和再生风机组成。再生空气加热器的热源是来自高温涌水系统的热水。设置了热回收器将转轮除湿再生排风和低温涌水供水进行换热，换热后的高温回水送入高温涌水水仓。经热回收器的再生空气排风温度降低，可直接排入巷道直接将排风送入巷道或引入回风巷。低温涌水系统包括：低温涌水水仓、水质处理装置、板式换热器及水泵。低温涌水系统分为2部分，一次侧水系统及二次侧水系统，系统分区为2部分的目的是降低低温涌水系统承压能力。低温涌水水仓的低温水经水处理设备处理后送入板式换热器，与二次侧水换热后经水泵加压送回低温涌水水仓。二次侧水系统与板式换热器换热后的冷水送入空气处理单元的一级空气冷却器和二级空气冷却器，与空气进行热湿交换后升温。高温涌水系统包括：高温涌水水仓、水质处理装置及水泵。高温涌水水仓的高温水经水处理设备处理后送入再生空气加热器，与转轮除湿机再生区后高温空气进行热交换，水温升高后，经水泵送回高温涌水水仓。

1.2 系统空气处理过程矿井涌水冷热利用深井降温系统的空气处理单元将井下用风点的空气处理成低温低湿空气送入矿井工作面。再生空氣单元用于提供转轮除湿机再生所需的再生空气。空气处理过程如图2焓湿图所示，矿井要处理的高温高湿空气A在处理风机的作用下，进入一级空气冷却器，与二次侧冷水进行热交换，空气的露点温度一般高于冷水温度，经一级空气冷却器实现冷却减湿空气处理过程。冷却减湿后的空气B进入转轮除湿区，实现增焓减湿的空气处理过程。经转轮除湿机增焓减湿后的空气C进入二级空气冷却器，在二级空气冷却器中，由于空气露点温度较低，低于冷水温度，空气被等湿减湿，处理后的空气为低温低湿空气。经二级空气冷却器冷却后的低温低湿的空气D进入采掘工作面对工作面降温除湿。

2 系统动态模型建立及模拟

2.1 系统动态模型建立利用瞬态仿真程序TRNSYS对矿井涌水冷热利用深井降温系统进行建模和模拟。根据图1所示的矿井涌水冷热利用深井降温系统，对系统建模，所用部件主要有一级和二级转轮除湿机用Type 683，一级、二级及三级表冷器用Type 508，风机用Type 112，空气加热器用Type 91，辅助电加热器用Type 643，模拟模型如图3所示。如图3所示。图中一级空气加热器和二级空气加热器的热水来自高温涌水系统，图中一级表冷器、二级表冷器和三级表冷器的冷水来自低温涌水系统。处理空气与再生空气的流量比为3∶1。

2.2 系统性能评价指标系统的降温除湿性能用系统出口温度和湿度进行评价，系统的能耗评价用系统热力性能系数TCOP评价，TCOP定义如下

TCOP=QQr

1）式中 Q为系统制冷量;Qr为两级辅助电加热器的总加热量，kW。

（2）式中

qA为处理空气质量流量，kg/s;hA为处理空气入口焓值，kJ/kg;hF为处理空气出口焓值，kJ/kg。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 处理空气温度影响分析处理空气的相对湿度为75%，低温涌水供水温度为18 ℃，高温涌水供水温度为50 ℃，再生温度为70 ℃。为了分析矿井空气温度对系统性能的影响，处理空气温度tA从30 ℃变化到40 ℃，对系统进行数值模拟，模拟结果如图4～5所示。

系统出口温度tF和系统出口含湿量dF模拟结果如图4所示。由图4可以看出，矿井空气温度越高，系统出口温度越高，出口含湿量越大。这是因为表冷器对高温空气的冷却能力下降，以及高温会不利于转轮除湿机中硅胶材料的物理吸附作用。系统的进出口最小温差为11.1 ℃，系统进出口最小含湿量差为15.6 g/kg。相比传统矿井降温系统，系统降温除湿能力更强[13]。由图5可知，矿井空气温度从30 ℃增加到40 ℃，系统热力性能系数从1.70增加到2.55，因此，文中提出的矿井涌水冷热利用深井降温系统在高温矿井条件下具有很好的节能性。

2.3.2 处理空气湿度影响分析处理空气的温度为34 ℃，低温涌水供水温度为18 ℃，高温涌水供水温度为50 ℃，再生温度为70 ℃。为了分析矿井空气湿度对系统性能的影响，在处理空气相对湿度φA从60%变化到90%，对系统进行数值模拟，模拟结果如图6～7所示。

由图6可知，随着矿井空气相对温度的增加，系统出口温度迅速增加，而系统出口含湿量变化不大，说明系统中转轮除湿机的对高湿空气的除湿能力强。原因在于高湿空气增加了转轮除湿机的传质推动力，除湿量增加，放出吸附热也随之增加。随着矿井空气相对湿度从60%增加到90%，系统进出口温差从14.6 ℃降低到11.7 ℃，系统进出口含湿量差从15.6 g/kg升高到26.7 g/kg。由图7可知，随着矿井空气相对湿度从60%增加到90%，系统热力性能系数从1.84增加到2.67，因此，文中提出的矿井涌水冷热利用深井降温系统在高湿矿井条件下具有深度除湿和能耗低的优点。

2.3.3 低温涌水温度影响分析处理空气的温度为34 ℃，处理空气的相对湿度为75%，高温涌水供水温度为50 ℃，再生温度为70 ℃。为了分析低温涌水温度对系统性能的影响，低温涌水温度twl从14 ℃变化到22 ℃，对系统进行数值模拟，模拟结果如图8～9所示。

℃时，系统进出口温差为10.9 ℃，系统进出口含湿量差为21.6 g/kg。因此，当低温涌水温度为22 ℃时，可满足大多数高温矿井的降温除湿要求。由图9可知，随着低温涌水温从16 ℃增加到22 ℃，系统热力性能系数从2.43降低到2.03，低温涌水温度对系统能耗的影响并不大。

2.3.4 高温涌水温度影响分析处理空气的温度为34 ℃，处理空气的相对湿度为75%，低温涌水供水温度为18 ℃，再生温度为70 ℃。高温涌水温度不影响系统降温除湿性能。高温涌水温度twh从40 ℃变化到60 ℃，分析高温涌水温度对系统能耗的影响，模拟结果如图10所示。

由图10可知，随着高温涌水温从40 ℃增加到60 ℃，系统热力性能系数从1.83升高到2.91，高温涌水温度对系统能耗有较大影响，当矿井有可用的高温涌水时，可大大降低系统能耗。

2.3.5 再生温度影响分析再生温度为一级辅助电加热器和二级辅助电加热器的出口温度，再生温度对转轮除湿机的除湿性能影响很大，因此有必要分析再生温度对系统性能的影响。处理空气的温度为34 ℃，处理空气的相对湿度为75%，低温涌水供水温度为18 ℃，高温涌水供水温度为50 ℃。为了分析再生温度对系统性能的影响，再生温度tr从60 ℃变化到100 ℃，对系统进行数值模拟，模拟结果如图11～12所示。

由图11可知，随着再生温度的增加，系统出口温度增加，系统出口含湿量降低，原因在于再生温度增加引起转轮除湿机除湿量的增加，同时，除湿过程释放吸附热也增加。随着再生温度从60 ℃升高到100 ℃，系统进出口温差从15.5 ℃降低到12.2 ℃，系统进出口含湿量差从22.0 g/kg升高到23.2 g/kg。由图12可知，随着再生温度从60 ℃升高到100 ℃，系统热力性能系数从2.77降低到1.60，再生温度的增加增大了系统的能耗。綜上所述，在满足系统出口温度和湿度的情况下，应尽可能降低再生温度。

3 结 论

1）系统设有除湿量大的转轮除湿机，解决了井下除湿难题，因此具有舒适性高的优点。2）系统从矿井低温涌水中提取冷量用于表冷器的冷却处理。从矿井高温涌水提取热量用于转轮除湿机的除湿再生，再生热回收器回收转轮除湿机的吸附热。充分利用了涌水冷量、热量及吸附热。3）矿井空气温度从30 ℃增加到40 ℃，系统热力性能系数从1.70增加到2.55。矿井空气相对湿度从60%增加到90%，系统热力性能系数从1.84增加到2.67。系统对高温高湿矿井具有降温除湿能力强，能耗低的优点。总之，文中所提出了矿井涌水冷热利用深井降温系统，可有效满足深部矿井降温湿系统的需要，并能充分利用涌水，从而降低降温系统的能耗，系统适用于同时有低温涌水和高温涌水的矿井，是一种值得推广的新型矿井降温系统。

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