一种基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器

1.本发明涉及矿井回风余热利用技术领域，特别是涉及一种基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器。


背景技术：

2.现阶段，节能降耗作为一项长期的战略任务，是缓解能源约束、减轻环境压力、保障经济安全与可持续发展的必然选择。矿井回风温湿度常年基本恒定(温度一般在15～20℃、相对湿度≥80％)，而且回风量普遍较大，因此，矿井回风是煤矿系统中一种优质的低温余热资源，将这部分余热资源加以回收利用于煤矿的井筒防冻，代替或取消传统燃煤锅炉，能够减少燃煤消耗，降低燃煤污染。
3.目前，矿井回风用热管换热技术较传统的矿井回风余热利用技术虽有一定的优势，但并不成熟，矿井回风用热管换热器仍存在许多需要解决的问题，例如：在室外温度较低时，换热器回风侧部分凝结水发生结冰现象，影响换热；热管换热器正常工作时，回风出口温度较高，在取热能力上严重受限；其原因是现有的矿井回风用热管换热器换热效果不可控，换热器不能适用于不同的室外温度条件。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器，采用可变导热管作为气
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气换热的中介，利用可变导热管的热开关性实现换热器的高效换热和自动控制，避免回风换热室冷凝水结冰等问题的同时大大提高了换热器的取热能力。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器，该换热器包括：可变导热管、新风换热室和回风换热室，多个所述可变导热管并排竖直放置，贯穿所述新风换热室和回风换热室，所述新风换热室和回风换热室通过隔板分隔；
7.所述可变导热管位于所述新风换热室内的管段为冷凝段，所述冷凝段的上部设置贮气室，所述可变导热管位于所述回风换热室内的管段为蒸发段；
8.所述新风换热室与新风风道相连通，新风在所述新风换热室加热后经新风风道被送至煤矿井口房；所述回风换热室与回风风道相连通，矿井回风在所述回风换热室放热会产生凝结水。
9.进一步的，所述可变导热管管内的相变工质为低温制冷剂。
10.进一步的，所述贮气室外设置有保温层。
11.进一步的，所述新风换热室的进风口设置有新风过滤网和新风侧平衡风机，所述新风过滤网设置在所述新风侧平衡风机的外侧；所述回风换热室的进风口设置有回风过滤网和回风侧平衡风机，所述回风过滤网设置在所述回风侧平衡风机的外侧。
12.进一步的，所述回风换热室底部设有集水盘和排水管，所述集水盘用于收集冷凝水，所述排水管与所述集水盘相连通，用于将冷凝水排除换热器外。
13.进一步的，所述可变导热管为螺旋翅片管，所述冷凝段和蒸发段的热管外壁均设置有翅片。
14.进一步的，所述新风换热室和回风换热室每隔设定数量可变导热管设置有检修道，所述检修道用于清洁和检修可变导热管。
15.进一步的，所述新风换热室和回风换热室两侧面外壳可拆卸，便于换热器的并联组合使用。
16.进一步的，所述新风侧平衡风机和回风的平衡风机采用变频防爆风机。
17.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器，第一，利用可变导热管的热开关性实现换热器的高效换热和自动控制，结构简单，控制效率高，该换热器的矿井回风出口温度在回风换热室内热管翅片表面凝结水不结冰的情况下可以达到接近0℃的水平，避免回风换热室冷凝水结冰等问题的同时大大提高了换热器的取热能力；第二，可变导热管外壁设置有螺旋翅片管便于凝结水的收集和排放，矿井回风中蕴含着大量的潜热资源，而矿井回风不同于烟气，没有低温腐蚀等问题，相反，本换热器高效回收矿井回风余热的同时，利用矿井回风的凝结水对回风换热室起到了除尘和清洗的作用；第三，设置新风过滤网防止室外鸟类，落叶等进入换热器，新风侧平衡风机布置在新风过滤网之后，用于平衡换热器新风侧产生的压力损失，满足煤矿矿井通风的安全要求，回风侧平衡风机布置在回风过滤网之后，用于平衡换热器回风侧产生的压力损失；第四，该换热器应用于回收矿井回风余热预热新风，矿井回风有风速快、风量大的特点，要求换热器的风阻不宜过大，配合实际应用情况，新风换热室和回风换热室两侧面外壳可拆卸，便于换热器的并联组合，换热器设置检修道便于清洁和检修热管。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器结构示意图；
20.图2为本发明实施例可变导热管结构示意图；
21.附图标记：1、可变导热管；2、新风换热室；3、回风换热室；4、保温层；5、隔板；
22.101、贮气室；102、冷凝段；103、蒸发段；
23.201、新风过滤网；202、新风侧平衡风机；
24.301、回风过滤网；302、回风侧平衡风机；303、集水盘；304、排水管。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.本发明的目的是提供一种基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器，采用可变导热管作为气
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气换热的中介，利用可变导热管的热开关性实现换热器的高效换热和自动控制，避免回风换热室冷凝水结冰等问题的同时大大提高了换热器的取热能力。
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
28.如图1
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图2所示，本发明实施例提供的基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器，包括：可变导热管1、新风换热室2和回风换热室3，多个所述可变导热管1并排竖直放置，贯穿所述新风换热室2和回风换热室3，所述新风换热室2和回风换热室3通过隔板5分隔；
29.所述可变导热管1位于所述新风换热室2内的管段为冷凝段102，所述冷凝段102的上部设置贮气室101，所述可变导热管1位于所述回风换热室3内的管段为蒸发段103；
30.所述新风换热室2与新风风道相连通，新风在所述新风换热室2加热后经新风风道被送至煤矿井口房；所述回风换热室3与回风风道相连通，矿井回风在所述回风换热室3放热会产生凝结水。
31.所述贮气室101外设置有保温层4。
32.所述新风换热室2的进风口设置有新风过滤网201和新风侧平衡风机202，所述新风过滤网201设置在所述新风侧平衡风机202的外侧；所述回风换热室3的进风口设置有回风过滤网301和回风侧平衡风机302，所述回风过滤网301设置在所述回风侧平衡风机302的外侧。
33.所述回风换热室3底部设有集水盘303和排水管304，所述集水盘303用于收集冷凝水，所述排水管304与所述集水盘303相连通，用于将冷凝水排除换热器外。
34.所述可变导热管1为螺旋翅片管，所述冷凝段102和蒸发段103的热管外壁均设置有翅片。
35.所述可变导热管1管内的相变工质为低温制冷剂，管内加压至低温制冷剂的沸点为略高于0℃，并充注一定量的不凝性气体，由可变导热管蒸发段103侧的热流量大小不同，不凝性气体占据可变导热管冷凝段102区域的大小对应改变，进而通过可变导热管的热阻的改变实现可变导热管换热器的热控调节。
36.所述新风换热室2和回风换热室3每隔设定数量可变导热管1设置有检修道，所述设定数量可以为4，即每隔4排热管设置有检修道，所述检修道用于清洁和检修可变导热管1。
37.所述新风换热室2和回风换热室3两侧面外壳可拆卸，便于换热器的并联组合使用。
38.所述的新风侧平衡风机202和回风的平衡风机302分别用于平衡换热器新风换热室2和回风换热室3产生的压力损失，要求可以调节风速风量并满足煤矿的安全要求，典型的如变频防爆风机。
39.本发明提供的基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器的工作原理如下：
40.该换热器为气—气换热器，室外新风被引入到所述新风换热室2被可变导热管1加热后送至煤矿井口房，矿井回风经回风管道送至回风换热室3被可变导热管1冷却，矿井回风放热过程为减湿冷却过程，矿井回风水蒸气发生凝结，放出潜热同时产生凝结水，凝结水
经集水盘303收集后由排水管304排出。
41.可变导热管1竖直放置，贯穿新风换热室2和回风换热室3，可变导热管1的贮气室101充注的为不凝性气体，蒸发段103充注的为相变工质(制冷剂)；蒸发段103内的工质吸收矿井回风放出的热量由液态变为气态，上升至可变导热管的冷凝段102，气态工质在可变导热管的冷凝段102冷凝放出热量，在热管内壁形成凝结液回流至可变导热管的蒸发段103，完成换热过程。
42.本发明不同于普通重力式热管的是：可变导热管是调节内部压力使内部工质的沸点为略高于0℃，然后通过可变导热管内不凝性气体占据可变导热管冷凝段区域的大小来实现热控调节，换热器设置可变导热管的启动温度略高于0℃，利用可变导热管的热开关性，实现换热器的高效换热和自动控制。当矿井回风温度较高时，如15℃，矿井回风和可变导热管管内工质的温差较大，可变导热管蒸发段103的热流量大，发生相变的工质多，气态工质多，蒸发段103内的较多液态工质吸收矿井回风放出的热量变为气态，大量的气态工质将不凝性气体压到可变导热管的贮气室101，可变导热管的冷凝段102内部全部区域为气态工质，气态工质冷凝放出热量用于加热管外的新风，热管换热器换热效果好；
43.当矿井回风温度较低时，如5℃，矿井回风温度接近了可变导热管1的启动温度，可变导热管1的换热量小，可变导热管的蒸发段103内只有较少的液态工质吸收矿井回风放出的热量变为气态，少量气态工质在可变导热管的冷凝段102的下部区域冷凝换热，可变导热管的冷凝段102的上部区域被不凝性气体占据。此时，由于可变导热管1内不凝性气体的调节，可变导热管冷凝段换热面积变小热阻变大，使得可变导热管的蒸发段管103外翅片表面水膜的温度和矿井回风的温度接近，避免了普通热管换热器在同等情况下回风出口温度＞0℃(5℃)，而回风换热室已经出现凝结水结冰的问题；
44.当矿井回风温度很低时，接近0℃，矿井回风温度基本等于可变导热管的启动温度，可变导热管的蒸发段103内基本没有工质发生相变，热流量很小，可变导热管的蒸发段103内基本没有工质发生相变变为气态工质，可变导热管的冷凝段102被不凝性气体占据，可变导热管不能启动，换热器不工作，接近0℃的矿井回风排至室外，接近0℃的凝结水经集水盘收集由排水管排出。
45.另外，可变导热管换热器由几十根可变导热管组成的热管管束构成，各管束之间设置检修道，每根可变导热管都是封闭的，单独为一个传热单元。同一个换热器在工作时，不同位置的可变导热管的工作状态由该根热管所处的矿井回风环境所定。所有的可变导热管共同工作，使该换热器的回风出口温度在回风换热室内热管翅片表面凝结水不结冰的情况下可以达到接近0℃的水平，大大提高换热器的取热能力，同时，单根可变导热管损坏也不影响换热器的正常运行。
46.本发明提供的可变导热管可以根据设计要求充注适量的工质和不凝性气体，如工质在大气压下沸点不合适会等比例的多充注工质和不凝性气体，使热管内部压力升高至其适宜的压力，然后利用可变导热管的这种热开关性随着矿井回风温度的不同进行调节，充分利用可变导热管的热开关性实现换热器的高效换热和自动控制。
47.本发明提供的基于可变导热管的矿井回风余热回收用换热器，第一，设置可变导热管的启动温度略高于0℃，通过可变导热管的热开关性实现换热器的高效换热和自动控制；该换热器的矿井回风出口温度在回风换热室内热管翅片表面凝结水不结冰的情况下可
以达到接近0℃的水平，避免回风换热室冷凝水结冰等问题的同时大大提高了换热器的取热能力；第二，可变导热管外壁设置有螺旋翅片管便于凝结水的收集和排放，矿井回风中蕴含着大量的潜热资源，而矿井回风不同于烟气，没有低温腐蚀等问题，相反，本换热器高效回收矿井回风余热的同时，利用矿井回风的凝结水对回风换热室起到了除尘和清洗的作用；第三，设置新风过滤网防止室外鸟类，落叶等进入换热器，新风侧平衡风机布置在新风过滤网之后，用于平衡换热器新风侧产生的压力损失，满足煤矿矿井通风的安全要求，回风侧平衡风机布置在回风过滤网之后，用于平衡换热器回风侧产生的压力损失；第四，该换热器应用于回收矿井回风余热预热新风，矿井回风有风速快、风量大的特点，要求换热器的风阻不宜过大，配合实际应用情况，新风换热室和回风换热室两侧面外壳可拆卸，便于换热器的并联组合，换热器设置检修道便于清洁和检修热管。
48.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。