一种矿井回风热能梯级利用系统的制作方法

本实用新型涉及一种热能回收利用系统，特别是关于一种矿井回风热能梯级利用系统。

背景技术：

在目前煤炭行业中,燃煤消耗量大、矿区环境污染严重与煤矿废热资源未得以充分有效利用这一矛盾问题日益凸显。矿井回风温度较高，风量较大，且温、湿度一年四季保持恒定，其中蕴含了大量低温热能，这些热能往往未经利用而加以排放造成了能源的浪费。将这部分热能加以回收利用以满足煤矿建筑供暖、井筒防冻及职工浴室等用热需求，替代或取消传统燃煤锅炉，可减少燃煤消耗，降低燃煤污染，社会效益显著。

目前，现有技术人员已提出一些有关矿井回风热能回收利用的系统，在矿井通风回路或旁路上设置一回风热能利用装置，该装置往往采用单一的间壁式换热形式(专利CN1916368A)或喷淋式(专利CN201571533U)一种换热形式，在换热过程中均存在一些不足：间壁式换热易受到矿井回风中含有的粉尘等杂质污染，产生脏堵问题，且传热系数相对较低，影响换热效果；喷淋式换热可以降低矿井回风中的粉尘浓度，但喷淋换热用水泵耗能较大，且矿井回风温度较低(小于8℃)时，对换热效果影响较大。

此外，矿井回风热能利用系统一般只能在一种工况下运行，不能同时制热和制冷。以夏季为例，通常利用矿井回风热能利用装置提取矿井回风中的冷量以满足夏季用户建筑空调，此时则无法提供用户生活热水等热负荷。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种能够充分高效回收矿井回风且不影响矿井通风系统运行的矿井回风热能梯级利用系统。

为了实现上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种矿井回风热能梯级利用系统，其特征在于：它包括回风换热风道、喷淋除尘换热器、间壁式气水换热装置、第一热泵机组单元、第二热泵机组单元和用户设备；第一热泵机组单元和第二热泵机组单元均包括一个以上并联的热泵机组；

回风换热风道的直管段与扩散段的连接处依次设置喷淋除尘换热器和挡水百叶，喷淋除尘换热器底部设置喷淋除尘蓄水槽，扩散段顶部设置所述间壁式气水换热装置；

喷淋除尘换热器由单级或多级组合式喷淋模块组成，喷淋除尘换热器进水口通过喷淋进水总管道连接第一热泵机组单元的冷热源出水口，喷淋除尘蓄水槽通过在线水处理装置和喷淋水循环泵连接第一热泵机组单元的冷热源进水口，第一热泵机组单元的冷热水进、出口分别通过管道连接用户设备；

由此可见，喷淋除尘换热器、喷淋除尘蓄水槽与第一热泵机组之间形成回风一次换热系统，回风一次换热系统换热工质为水；

间壁式气水换热装置包括若干个并联的间壁式气水热器，每一间壁式气水换热器包括若干个并联的换热模块，每一换热模块包括一个换热壳体，两个呈“V”字形排列的换热管束及一个风机；换热管束内部换热管中填充换热工质，换热工质为乙二醇溶液；

间壁式气水换热装置设置有一总进水管道和一总回水管道，总进、回水管道设置若干并联的进、回水干管分别连接间壁式气水换热器的进、出水口，间壁式气水换热器的进、出水口设置若干并联的进、回水支管连接换热模块的进、出水口；换热模块的进水口、出水口分别设置两并联的分支管道与换热模块中的两个换热管束的进水口、出水口相连；

与间壁式气水换热器相连的每一条并联的进水干管上设置有阀门；

间壁式气水换热装置的总进水管道与第二热泵机组单元的冷热源出口相连接，总回水管道与第二热泵机组单元的冷热源进口相连，第二热泵机组单元的冷热水进、出口分别通过管道连接用户设备；

间壁式气水换热装置与第二热泵机组之间形成回风二次换热系统，回风二次换热系统换热工质为乙二醇溶液；

间壁式气水换热装置与第二热泵机组单元的冷热源进口相连接的总回水管道上设置一补液管道，补液管道通过补液阀门及补液泵连接一储液箱。

在线水处理装置包括旋流除砂器和全自动水过滤器。

喷淋除尘换热器进水口与第一热泵机组单元的冷热源出水口相连接的喷淋进水总管道上设置一补水管道，补水管道通过补水阀门外接自来水。

每一间壁式气水换热器由三个或六个并联的换热模块组合而成。

间壁式气水换热器中换热模块的风机为电力驱动式风机。

间壁式气水换热器中换热模块的风机为水力驱动式风机。换热模块还包括一水轮机，水轮机设置在换热模块的出水口与两个换热管束的出水口之间连接。

一种矿井回风热能梯级利用系统的运行方式，包括以下三种模式：

1)双制热工况：矿井回风在回风换热风道的引导下先进入喷淋除尘换热器， 与喷淋除尘换热器的喷淋水充分接触换热，喷淋水吸收热量的同时洗涤矿井回风中的粉尘颗粒，吸热后的喷淋水在挡水百叶的阻隔下汇集到底部喷淋除尘蓄水槽，并通过在线水处理装置在线过滤净化后进入第一热泵机组单元，为第一热泵机组单元提供良好的热源，换热后的水再次返回喷淋除尘换热器与矿井回风循环换热，同时第一热泵机组单元将提取的热量用于满足用户设备供热需求；与喷淋除尘换热器完成一次换热的矿井回风在风机的牵引下进入间壁式气水换热装置，并与间壁式气水换热器换热管束中填充的换热工质进行热交换，换热工质吸收矿井回风中的热能为第二热泵机组单元提供热源,第二热泵机组单元将提取的热量用于满足用户设备的供热需求；

2)双制冷工况：矿井回风在回风换热风道的引导下先进入喷淋除尘换热器，与喷淋除尘换热器的喷淋水充分接触换热，喷淋水释放热量的同时洗涤矿井回风中的粉尘颗粒，放热后的喷淋水在挡水百叶的阻隔下汇集到底部喷淋除尘蓄水槽，并通过在线水处理装置在线过滤净化后进入第一热泵机组单元，为第一热泵机组单元提供冷源，换热后的水再次返回喷淋除尘换热器与矿井回风循环换热，同时第一热泵机组单元将提取的冷量用于满足用户设备制冷需求；与喷淋除尘换热器完成一次换热的矿井回风在风机的牵引下进入间壁式气水换热装置，并与间壁式气水换热器换热管束中填充的换热工质进行热交换，换热工质吸收矿井回风中的冷能为第二热泵机组单元提供冷源,第二热泵机组单元将提取的冷量用于满足用户设备的制冷需求；

3)同时制热、制冷工况：矿井回风在回风换热风道的引导下进入喷淋除尘换热器，与喷淋除尘换热器的喷淋水充分接触换热，喷淋水吸收矿井总回风的热量的同时洗涤矿井回风中的粉尘颗粒，换热后的喷淋水在挡水百叶的阻隔下汇集到喷淋除尘蓄水槽，并通过在线水处理装置在线过滤净化后进入第一热泵机组单元，为第一热泵机组单元提供良好的热源，提热后的水再次返回喷淋除尘换热器与矿井回风循环换热，同时第一热泵机组单元将提取的热量用于满足热用户设备供热；与喷淋除尘换热器完成一次换热的矿井回风温度降低，在风机的牵引下进入间壁式气水换热装置，并与间壁式气水换热器换热管束中填充的换热工质进行热交换，换热工质吸收矿井回风中的冷能为第二热泵机组单元提供冷源,第二热泵机组单元将提取的冷量用于满足冷用户设备的制冷需求。

双制热工况下，间壁式气水换热器内换热工质为乙二醇溶液，双制冷工况及同时制热、制冷工况下，间壁式气水换热器内换热工质为水。

本实用新型由于采用了以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型中喷 淋除尘换热器、喷淋除尘蓄水槽与第一热泵机组之间形成回风一次换热系统，回风一次换热系统采用矿井回风与喷淋水直接接触换热，充分回收矿井回风热量的同时可以吸收回风中的灰尘，降低矿井回风的粉尘含量，提高后续间壁式气水换热装置与矿井回风之间的换热效果；2、本实用新型中间壁式气水换热装置与第二热泵机组之间形成回风二次换热系统，冬季双制热工况回风二次换热系统换热工质采用乙二醇溶液，提高了低风温条件下矿井回风热能利用率，强化了矿井回风热能的深度有效利用；3、本实用新型中间壁式气水换热装置采用若干个并联的间壁式气水换热器组合而成，同时一个间壁式气水换热器采用若干个换热模块并联组合，增加了换热系统的备用性，一个换热模块出现故障，便于检修，且不妨碍其他换热模块的正常运行；4、本实用新型设置回风换热风道，间壁式气水换热装置布设在回风换热风道扩散段顶部的出口风道截面，由于扩散段顶部出口截面的扩大，增加了回风二次换热系统的换热面积，提高了换热能力；5、本实用新型组成间壁式换热器的换热模块中风机可采用水力驱动式风机，利用循环水系统水泵富余压力作为动力，减少了电力损耗，且间壁式换热器不包含任何电气设备，安全防爆，适用于煤矿安全需求；6、本实用新型采用喷淋除尘回风一次换热以及间壁式换热回风二次换热梯级换热系统，相比采用单一的喷淋换热系统，可降低约60％水泵能耗，并且可以同时满足用户制热和用户制冷两种需求。本实用新型实现了回风热量的有效回收，可适用于多种环境条件下回风热能的提取利用。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图

图2是本实用新型中间壁式气水换热器的一个实施例的结构示意图

图3是本实用新型中间壁式气水换热装置的一个实施例的俯视示意图

图4是本实用新型中间壁式气水换热器换热模块的风机的一个实施例的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型进行详细的说明。

如图1所示，本实用新型包括回风换热风道1、喷淋除尘换热器2、间壁式气水换热装置3、第一热泵机组单元4、第二热泵机组单元5和用户设备6。其中，第一、第二热泵机组单元4、5包括一个以上并联的热泵机组。

矿井回风出风口处连接回风换热风道1，回风换热风道1包括直管段11和扩散段12，直管段11与扩散段12连接处依次设置一喷淋除尘换热器2和一挡水百叶13，直管段11内喷淋除尘换热器2底部对应设置喷淋除尘蓄水槽14，汇集换热除尘循环水，扩散段12顶部设置间壁式气水换热装置3。

喷淋除尘换热器2由单级或多级组合式喷淋模块21组成，每一喷淋模块21尺寸与回风换热风道1的直管段11相匹配，应保证喷淋水布满整个直管段11风道截面，使矿井回风与喷淋水充分换热；喷淋除尘换热器2进水口通过一喷淋进水总管道22连接第一热泵机组单元4的冷热源出水口，喷淋除尘蓄水槽14通过在线水处理装置7和喷淋水循环泵23连接第一热泵机组单元4的冷热源进水口，第一热泵机组单元4的冷热水进、出口分别通过管道连接用户设备6，在线水处理装置7包括旋流除砂器71和全自动水过滤器72。

如图2、3所示，间壁式气水换热装置3是由若干个并联的间壁式气水换热器8组合而成的，相应的每一间壁式气水换热器8是由若干个并联的换热模块81组合而成的，每一换热模块81包括一个换热壳体811，换热壳体811内部设置的两个呈“V”字形排列的换热管束812及其顶部设置的一个风机813，换热管束812内部换热管中填充换热工质，冬季换热工况下，换热工质为乙二醇溶液，保障低风温条件下矿井回风热能的深度提取利用。

间壁式气水换热装置3的两端分别设置有一总进水管道31和一总回水管道32，总进水管道31设置若干并联的进水干管分别连接间壁式气水换热器8的进水口，总回水管道32设置若干并联的回水干管分别连接间壁式气水换热器8的出水口；此外，间壁式气水换热器8的进水口设置若干并联的进水支管连接其换热模块81的进水口，间壁式气水换热器8的出水口设置若干并联的回水支管连接其换热模块81的出水口；换热模块81的进水口、出水口分别设置两并联的分支管道与换热壳体811内的两个换热管束812的进水口、出水口相连。

与间壁式气水换热器8相连的每一条并联的进、回水干管上均设置有阀门，单独控制每一个间壁式气水换热器8的启停，保证单个间壁式气水换热器8故障的情况下不影响其他间壁式气水换热器8的安全运行。

间壁式气水换热装置3的总进水管道31还与第二热泵机组单元5的冷热源出口相连接，总回水管道32通过换热工质循环泵33与第二热泵机组单元5的冷热源进口相连接，第二热泵机组单元5的冷热水进、出口分别通过管道连接用户设备6。

间壁式气水换热装置3与第二热泵机组单元5的冷热源进口相连接的总回水管道32上还设置一补液管道91，补液管道91通过补液阀门92及补液泵93连接一储液箱9，储液箱9内储存换热工质的浓溶液，根据环境温度变化，开启补液阀门92，向总回水管道32中充注换热工质，从而控制间壁式气水换热器8内换热工质的溶液浓度。

上述实施例中，喷淋除尘换热器2进水口与第一热泵机组单元4的冷热源出水口相连接的喷淋进水总管道22上还设置一补水管道23，补水管道23通过补水阀门24外接自来水。

上述实施例中，间壁式气水换热装置3中间壁式气水换热器8的个数设置应与回风换热风道1的扩散段12顶部出口尺寸相匹配，应保证间壁式气水换热器8均匀布满整个扩散段12出风口风道截面，使矿井回风与间壁式气水换热器8充分换热。

上述实施例中，每一间壁式气水换热器8由三个或六个并联的换热模块81组合而成。

上述实施例中，换热模块81的风机813可以为电力驱动式风机。

如图4所示，为本实用新型风机的另一种实施例，换热模块81的风机813可以为水力驱动式风机，换热模块81还包括一水轮机814，水轮机814设置在换热模块81的出水口与换热壳体811内的两个换热管束812的出水口之间连接，水轮机814的进水口与通过一并联管道连接两个换热管束812的出水口，水轮机814的出水口连接换热模块81的出水口。换热管束812中的换热工质与回风换热后，在换热工质循环泵33余压的作用下从换热管束812的出水口泵入水轮机814的进水口，给水轮机814提供水力驱动力，水轮机814与风机813通过转轴连接，水轮机814将水流动能转化为旋转机械动能带动风机813转动。

本实用新型有三种运行方式，分别是双制冷工况运行方式、双制热工况运行方式及同时制冷制热工况运行方式，双制冷工况与双制热工况运行方式基本相同，以双制热工况运行方式为例介绍：

矿井回风在回风换热风道1的引导下先进入喷淋除尘换热器2，与喷淋除尘换热器2的喷淋水充分接触换热，喷淋水吸收矿井总回风的热量的同时洗涤矿井回风中的粉尘颗粒，换热后的喷淋水在挡水百叶13的阻隔下汇集到底部喷淋除尘蓄水槽14，喷淋除尘蓄水槽14内的喷淋水通过在线水处理装置7在线过滤净化后进入第一热泵机组单元4，为第一热泵机组单元4提供良好的热源，提热后的水再次返回喷淋除尘换热器2与矿井回风循环换热，同时第一热泵机组单元4将提取的热量用于满足用户设备供热；

与喷淋除尘换热器2完成一次换热的矿井回风在风机的牵引下进入间壁式气水换热装置3，并与间壁式气水换热器8换热管束812中填充的换热工质进行热交换，换热工质吸收矿井回风中的热能为第二热泵机组单元5提供热源,第二热泵机组单元5将提取的热量用于满足用户设备的热需求。

双制热工况下，矿井回风经过喷淋除尘换热器提热后，回风温度在7-8℃左右，再次进入间壁式气水换热装置换热，提热后回风温度为2-3℃左右，实现了矿井回风热能的深度提取。

同时制热、制冷工况运行方式为：

矿井回风在回风换热风道1的引导下进入喷淋除尘换热器2，与喷淋除尘换热器2的喷淋水充分接触换热，喷淋水吸收矿井总回风的热量的同时洗涤矿井回风中的粉尘颗粒，换热后的喷淋水在挡水百叶13的阻隔下汇集到底部喷淋除尘蓄水槽14，喷淋除尘蓄水槽14内的喷淋水通过在线水处理装置7在线过滤净化后进入第一热泵机组单元4，为第一热泵机组单元4提供良好的热源，提热后的水再次返回喷淋除尘换热器2与矿井回风循环换热，同时第一热泵机组单元4将提取的热量用于满足热用户设备供热；

与喷淋除尘换热器2完成一次换热的矿井回风温度降低，在风机的牵引下进入间壁式气水换热装置3，并与间壁式气水换热器3换热管束812中填充的换热工质进行热交换，换热工质吸收矿井回风中的冷能为第二热泵机组单元5提供冷源,第二热泵机组单元5将提取的冷量用于满足冷用户设备的制冷需求。

双制热工况下，间壁式气水换热器8内换热工质为乙二醇溶液，储液箱9内填充乙二醇浓溶液，根据冬季环境温度变化，开启补液阀门92，向总回水管道32中充注乙二醇，从而控制间壁式气水换热器8内换热工质的溶液浓度，保证矿井回风热能的有效提取。

双制冷工况以及同时制热、制冷工况下，间壁式气水换热器8内换热工质为水。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。