矿井回风余热梯级利用系统的制作方法

本发明涉及井筒防冻供暖技术领域，尤其是涉及一种矿井回风余热梯级利用系统。

背景技术：

目前矿井回风余热利用技术主要有两种利用方式：1.利用热泵技术提取矿井回风中的热量制取45-60℃的热水用于井筒防冻；2.利用矿井回风直接加热新风至2℃以上，再通过大直径的风道送至进风井口实现井筒防冻。

现有技术中通过热泵技术提取需要消耗大量的电能作为驱动能源，系统平均能效比为3左右，即制取3kw的热能需要消耗1kw的电能从矿井回风提取2kw左右的热能供暖。

现有技术中利用矿井回风直接加热新风的系统，需要回风井与进风井的距离比较近的情况下才比较经济，且输送风道直径大，占地大，影响美观；对于井下地温较低的浅部开采山区开采矿井，因回风温度相对较低，冬季回风温度平均10-13℃左右，直接加热新风的技术并不能适用；具体地，将10℃的矿井回风温度提取至1℃还不足以将同风量的新风自-25℃加热至2℃，而若将矿井回风温度提取至负温，会带来换热器结霜导致换热器阻力大幅度增加，影响矿井通风安全的严重问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供矿井回风余热梯级利用系统，以缓解了现有技术中存在的热泵技术需要消耗大量的电能，以及利用矿井回风适用性低，具有影响矿井通风安全隐患的技术问题中的至少一个。

本发明提供的一种矿井回风余热梯级利用系统，包括：回风系统、井口加热器组件、井下进风机构和热泵机组；

所述井口加热器组件包括第一井口加热器和第二井口加热器；所述第一井口加热器与所述回风系统连通，所述回风系统用于接收矿井回风的余热，并加热所述第一井口加热器；

所述回风系统通过所述第一井口加热器后与所述热泵机组连接，所述热泵机组能够吸收所述回风系统流经所述第一井口加热器后的流动介质内的热能，所述第二井口加热器与所述热泵机组连通，以将所述回风系统流动介质的热量二次加热所述第二井口加热器；

所述第一井口加热器和第二井口加热器分别用于加热所述井下进风机构井口处的室外空气温度，并使加热后的空气混合进入至所述井下进风机构，所述井下进风机构井口处进入矿井的空气温度范围大于或等于2℃。

在本发明较佳的实施例中，所述热泵机组包括蒸发器和冷凝器，所述蒸发器和所述冷凝器连接，所述蒸发器与所述回风系统连接，用于吸收所述回风系统流经所述第一井口加热器后的流动介质内的热能，以将所述回风系统的流动介质的热量输送至所述冷凝器中，所述冷凝器与所述第二井口加热器连接，用于加热所述第二井口加热器。

在本发明较佳的实施例中，还包括辅助热源和储能装置；

所述辅助热源通过所述储能装置与所述第二井口加热器连通，用于辅助加热所述第二井口加热器；

所述冷凝器与所述储能装置呈并联连接，以使所述冷凝器和所述储能装置分别加热所述第二井口加热器。

在本发明较佳的实施例中，所述储能装置包括第一盘管加热器、第二盘管加热器和保温水箱；

所述第一盘管加热器和第二盘管加热器均设置于所述保温水箱内，所述第一盘管加热器与所述第二井口加热器连通，所述第二盘管加热器与所述辅助热源连接，且所述第一盘管加热器与所述冷凝器呈并联连接。

在本发明较佳的实施例中，还包括温度控制阀；

所述温度控制阀设置于所述第一盘管加热器和所述第二井口加热器之间，且所述温度控制阀的温度传感器位于所述保温水箱内部，所述温度控制阀用于检测所述保温水箱的温度，以控制所述第一盘管加热器与所述第二井口加热器开启或关闭。

在本发明较佳的实施例中，所述回风系统包括回风换热器、回风井筒和回风输送装置；

所述回风井筒通过所述回风输送装置与所述回风换热器连通，所述回风井筒与矿井内部连通，所述回风换热器与所述第一井口加热器、第二井口加热器通过矿井内部井筒和巷道连通；

所述回风换热器与所述蒸发器连接，所述回风换热器能够将与所述第一井口加热器换热后的流动介质的余热换热至所述蒸发器内。

在本发明较佳的实施例中，所述回风输送装置包括回风换热风道、矿井主扇和扩散器；

所述回风换热风道的两端分别与所述回风换热器和所述回风井筒连接，所述矿井主扇和所述扩散器均设置于所述回风换热风道内，且所述矿井主扇位于所述回风换热风道靠近所述回风井筒的一端，所述扩散器位于所述回风换热风道靠近所述回风换热器的一端。

在本发明较佳的实施例中，所述回风换热器内部设置有流动介质，且所述流动介质内部设置有防冻液。

在本发明较佳的实施例中，所述井下进风机构包括井口房和进风井；

所述第一井口加热器和第二井口加热器均设置于所述井口房内，且所述井口房与所述进风井连通，所述第一井口加热器和第二井口加热器用于加热所述井口房内的空气温度，以使所述井口房内加热后的空气输送至矿井下。

在本发明较佳的实施例中，还包括第一循环水泵、第二循环水泵和第三循环水泵；

所述第一循环水泵设置于所述回风系统与所述第一井口加热器之间，并分别与所述回风系统与所述第一井口加热器连通；

所述第二循环水泵设置于所述储能装置与所述第二井口加热器之间，并分别与所述辅助热源与所述第二井口加热器连通；

所述第三循环水泵设置于所述辅助热源与所述储能装置之间，并分别与所述辅助热源与所述储能装置连通。

本发明提供的一种矿井回风余热梯级利用系统，包括：回风系统、井口加热器组件、井下进风机构和热泵机组；通过回风系统的输送作用，可以对于矿井的回风余热进行梯级利用，在通过回风系统利用矿井的回风余热加热第一井口加热器之后的热量会通过流动介质再次通过热泵机组进行吸收，从而通过热泵机组的再次余热利用，可以二次加热第二井口加热器，通过回风系统、热泵机组共同加热井口加热器组件，从而可以通过井口加热器组件加热井下进风机构井口处的室外空气温度；以使井下进风机构井口处进入矿井的空气温度范围为大于或等于2℃；通过余热的梯级利用，能够大幅度降低冬季为井筒防冻的运行费用，缓解了现有技术中存在的热泵技术需要消耗大量的电能，以及利用矿井回风适用性低，具有影响矿井通风安全隐患的技术问题；实现了综合能效比大幅提高，可节约大量能源，并且运综合行费用低，对环境友好，有效减少对环境的污染，推广使用后的经济效益和社会效益突出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的矿井回风余热梯级利用系统的整体结构示意图。

图标：100-回风系统；101-回风换热器；102-回风井筒；103-回风输送装置；113-回风换热风道；123-矿井主扇；133-扩散器；200-井口加热器组件；201-第一井口加热器；202-第二井口加热器；300-辅助热源；400-储能装置；401-第一盘管加热器；402-第二盘管加热器；403-保温水箱；500-井下进风机构；501-井口房；502-进风井；600-热泵机组；601-蒸发器；602-冷凝器；700-温度控制阀。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，本实施例提供的一种矿井回风余热梯级利用系统，包括：回风系统100、井口加热器组件200、井下进风机构500和热泵机组600；井口加热器组件200包括第一井口加热器201和第二井口加热器202；第一井口加热器201与回风系统100连通，回风系统100用于接收矿井回风的余热，并加热第一井口加热器201；回风系统100通过第一井口加热器201后与热泵机组600连接，热泵机组600能够吸收回风系统100流经第一井口加热器201后的流动介质内的热能，第二井口加热器202与热泵机组600连通，以将回风系统100流动介质的热量二次加热第二井口加热器202；第一井口加热器201和第二井口加热器202分别用于加热井下进风机构500井口处的室外空气温度，并使加热后的空气混合进入至井下进风机构500，井下进风机构500井口处进入矿井的空气温度范围大于或等于2℃。

进一步地，本实施例提供的一种矿井回风余热梯级利用系统，还包括辅助热源300和储能装置400辅助热源300通过储能装置400与井口加热器组件200连通，用于辅助加热井口加热器组件200；

本实施例中，回风系统100的两端分别连通井下和井口加热器组件200，通过利用矿井回风的余热进而能够对于井下进风机构500的井筒进行防冻作用，最后能够保证井下进风机构500井口处进入矿井的空气温度范围为大于或等于2℃；需要说明的是，本实施例提供的矿井回风余热梯级利用系统主要用于井筒的防冻。

其中，矿井回风余热梯级利用系统的运行过程中，为了保证井口加热器组件200持续对于井下进风机构500井口处的空气温度供暖，以及为了可以更好的梯级利用回风系统100的余热，在回风系统100和井口加热器组件200之间设置有热泵机组600，热本机组的蒸发器601能够再次吸收向井口加热器组件200供热后的回风系统100内的热量，对于回风系统100内的热量进行二次利用，实现了回风系统100的余热梯级利用。

可选地，辅助热源300可以为空压机余热、瓦斯发电机缸套水余热、瓦斯发电机尾气余热或电加热器。

其中，井口加热器组件200作为对于井下进风机构500的井筒口的空气进行直接加热的设备，当采用回风系统100直接加热井口加热器组件200的方式，有可能会存在无法使得井下进风机构500井口处进入矿井的空气温度达到2℃以上，从而可以通过设置有辅助热源300和储能装置400对于井口加热器组件200再次加热，使得井下进风机构500井口处的空气在回风系统100加热后混合辅助热源300和储能装置400加热的空气，使得混合后的空气温度维持于2℃以上，实现井下进风机构500的井筒防冻效果。

本实施例提供的一种矿井回风余热梯级利用系统，包括：回风系统100、井口加热器组件200、辅助热源300、储能装置400和井下进风机构500；通过回风系统100的输送作用，可以对于矿井的回风余热进行梯级利用，在通过回风系统100利用矿井的回风余热加热井口加热器组件200之后的热量会再次通过热泵机组600进行吸收，从而通过热泵机组600的再次余热利用，可以再次加热井口加热器组件200，另外由于热泵机组600与储能装置400呈并联连接，使得储能装置400和热泵机组600对于井口加热器组件200加热的部件相同，通过回风系统100、热泵机组600以及辅助热源300共同加热井口加热器组件200，从而可以通过井口加热器组件200加热井下进风机构500井口处的室外空气温度；以使井下进风机构500井口处进入矿井的空气温度范围为大于或等于2℃；能够大幅度降低冬季为井筒防冻的运行费用，缓解了现有技术中存在的热泵技术需要消耗大量的电能，以及利用矿井回风适用性低，具有影响矿井通风安全隐患的技术问题；实现了综合能效比大幅提高，可节约大量能源，并且运综合行费用低，对环境友好，有效减少对环境的污染，推广使用后的经济效益和社会效益突出。

在上述实施例的基础上，在本发明较佳的实施例中，热泵机组600包括蒸发器601和冷凝器602，蒸发器601和所述冷凝器602连接，蒸发器601与回风系统100连接，用于冷却回风系统100内部的流动介质，以将回风系统100的流动介质的热量输送至冷凝器602中，冷凝器602与井口加热器组件200连接，用于加热井口加热器组件200；冷凝器602与储能装置400呈并联连接。

其中，热泵机组600能够通过冷凝器602将吸收后的热量再次加热井口加热器组件200；需要说明的是，冷凝器602与储能装置400呈并联连接，冷凝器602和储能装置400对于均是对于井口加热器组件200的第二井口加热器202进行加热。

热泵机组600可以包括蒸发器601、冷凝器602、压缩机和膨胀阀，由于热泵机组600可以采用涡旋式热泵机组600、螺杆式热泵机组600或离心式热泵机组600，具体结构与现有技术中的热泵机组600结构相同，此处将不再赘述。

在本发明较佳的实施例中，回风系统100包括回风换热器101、回风井筒102和回风输送装置103；回风井筒102通过回风输送装置103与回风换热器101连通，回风井筒102与矿井内部连通，用于输送矿井内的回风热能，回风换热器101与井口加热器组件200连通；回风换热器101与蒸发器601连接，用于将与井口加热器组件200换热后的余热换热至蒸发器601内。

其中，回风换热器101能够将回风井筒102输送进入的热风进行空气-水换热，从而能够加热回风换热器101内部的流动介质，回风换热器101内部的流动介质会通过水-空气换热的方式加热井口加热器组件200，当完成对井口加热器组件200加热后，此时回流的流动介质会通过蒸发器601进行换热，蒸发器601会吸收流动介质的余热，蒸发器601的热量会通过氟利昂循环排放至冷凝器602中，冷凝器602会通过二次吸收的热量连同热泵机组600的压缩机的做功能量加热井口加热器组件200。

可选地，回风换热器101采用表面式回风换热器，且表面式回风换热器为翅片管式，回风井筒102和回风输送装置103采用密封连接，且回风换热器101位于回风输送装置103内部，能够吸收矿井回风的余热。

本实施例中，回风井筒102会出来温度为10-13℃的矿井回风在回风换热器101将热量传递给-7℃的循环流动介质后温度降低为1℃左右排放，此时回风换热器101的流动介质的温度会升至6℃左右，此时流动介质会输送至第一井口加热器201处加热室外空气，此时回风换热器101的流动介质的温度会降至-1℃，同时，-1℃的回风换热器101的流动介质会进入热泵机组600的蒸发器601，在热泵机组600的蒸发器601中流动介质能量被提取温度降低至-7℃左右再次进入回风换热器101，实现循环。

进一步地，为了保证矿井回风的输送，在本发明较佳的实施例中，回风输送装置103包括回风换热风道113、矿井主扇123和扩散器133；回风换热风道113的两端分别与回风换热器101和回风井筒102连接，矿井主扇123和扩散器133均设置于回风换热风道113内，且矿井主扇123位于回风换热风道113靠近回风井筒102的一端，扩散器133位于回风换热风道113靠近回风换热器101的一端。

矿井主扇123能够带动回风换热风道113内部的回风进行定向输送，而且扩散器133能够将矿井回风更加大面积的与回风换热器101接触，提高了回风换热器101的换热效率；可选地，回风换热器101、回风井筒102、回风换热风道113、矿井主扇123和扩散器133组合成的回风系统100可以整体替代为矿井水取热系统。

需要说明的是，矿井主扇123和扩散器133均属于煤矿领域内的现有结构，此处将不再赘述具体结构。

在本发明较佳的实施例中，回风换热器101内部设置有流动介质，且流动介质内部设置有防冻液。

进一步地，井口加热器组件200的连接的循环管道内均设置有防冻液，可选地，防冻液可以采用乙二醇防冻液，通过乙二醇防冻液可以控制凝固点温度为低于当地极端天气温度5℃左右。

在本发明较佳的实施例中，井口加热器组件200包括第一井口加热器201和第二井口加热器202；第一井口加热器201与回风系统100连通，第二井口加热器202与冷凝器602和储能装置400的并联连接处连接，第一井口加热器201和第二井口加热器202用于分别加热井下进风机构500井口处的室外空气温度，并使加热后的空气混合进入至井下进风机构500。

具体地，第一井口加热器201与回风系统100的回风换热器101连通，通风换热器的热量会通过第一井口加热器201加热室外的空气，此时室外的空气的温度是第一温度，第二井口加热器202与冷凝器602和储能装置400的并联连接处连接，冷凝器602和储能装置400均能够向第二井口加热器202传输热量，进而通过第二井口加热器202加热室外的空气，此时室外的空气的温度是第二温度，具有第一温度的空气和具有第二温度的空气进行混合换热后，混合后的空气温度范围大于或等于2℃。

可选地，第一井口加热器201、第二井口加热器202可以采用铜管串铝翅片式；而且需要说明的是，本实施例中，第一井口加热器201、第二井口加热器202、回风换热器101、热本机组和储能装置400之间的连接关系均通过管路连接。

在本发明较佳的实施例中，储能装置400包括第一盘管加热器401、第二盘管加热器402和保温水箱403；第一盘管加热器401和第二盘管加热器402均设置于保温水箱403内，第一盘管加热器401与第二井口加热器202连通，第二盘管加热器402与辅助热源300连接，且第一盘管加热器401与所述热泵机组600并联。

可选地，第一盘管加热器401、第二盘管加热器402均可以采用闭式盘管加热器，而且第一盘管加热器401、第二盘管加热器402的材质可以采用铜管或不锈钢管。

本实施例中，保温水箱403内的水温维持在75℃以上，保温水箱403具有储存热量的作用，辅助热源300会一直对于保温水箱403进行加热，优选地，第二盘管加热器402安装于保温水箱403下部大概整体高度的1/3处，第一盘管加热器401安装于保温水箱403上部大概整体高度的1/3处，第二盘管加热器402可以将辅助热源300的热源传递至保温水箱403内，从而可以持续加热保温水箱403内的水，第一盘管加热器401能够从保温水箱403内吸取热量，从而可以加热第二井口加热器202。

在本发明较佳的实施例中，还包括温度控制阀700；温度控制阀700设置于第一盘管加热器401和第二井口加热器202之间，且温度控制阀700位于保温水箱403内部，用于检测保温水箱403的温度，以控制第一盘管加热器401与第二井口加热器202开启或关闭。

可选地，温度控制阀700采用温度调节阀，通过设置温度控制阀700的阈值温度，当检测温度超过阈值温度时，温度控制阀700处于开启状态，当检测温度超过阈值温度时，温度控制阀700会处于关闭状态；本实施例中，温度控制阀700的阈值温度为75℃，当保温水箱403内的温度大于75℃时，温度控制阀700处于常开状态，此时第一盘管加热器401会持续向第二井口加热器202输送热量。

在本发明较佳的实施例中，井下进风机构500包括井口房501和进风井502；第一井口加热器201和第二井口加热器202均设置于井口房501内，且井口房501与进风井502连通，第一井口加热器201和第二井口加热器202用于加热井口房501内的空气温度，以使井口房501内加热后的空气输送至矿井下。

其中，在外部环境温度较低的情况下，井口房501全部的入井空气在井口房501中经过第一井口加热器201和第二井口加热器202的加热后温度维持在2℃以上，会依次进入进风井502。

在本发明较佳的实施例中，还包括第一循环水泵、第二循环水泵和第三循环水泵；第一循环水泵设置于回风系统100与第一井口加热器201之间，并分别与回风系统100与第一井口加热器201连通；第二循环水泵设置于储能装置400与第二井口加热器202之间，并分别与辅助热源300与第二井口加热器202连通；第三循环水泵设置于辅助热源300与储能装置400之间，并分别与辅助热源300与储能装置400连通。

由于回风系统100、井口加热器组件200、热泵机组600、储能装置400以及辅助热源300之间均是通过管道连接，为了保证流动介质的流动性，通过设置有第一循环水泵、第二循环水泵和第三循环水泵的动力输出，从而可以保证流动介质进行整体换热循环流动。

本实施例提供的矿井回风余热梯级利用系统的运行可以分为多个运行模式，举例说明：供暖初期运行模式：热泵机组600停止运行，从回风井筒102出来的10-13℃的矿井回风在回风换热器101将热量传递给0℃的循环流动介质(优选地，流动介质采用水，且在水中添加防冻液)后温度降低为6℃左右排放，循环流动介质温度升高为8℃左右经循环管路和第一循环水泵的作用下进入第一井口加热器201，在第一井口加热器201中将室外空气从-5℃左右加热至5℃左右进入井口房501；此时带有温度传感器功能的温度控制阀700通过检测保温水箱403中的温度保持在75℃以上后，调节温度控制阀700开启，以保证在保温水箱403充分利用辅助热源300在完成储能任务后进行供热的能力；通过第一盘管加热器401经循环管路进入到第二井口加热器202，在第二井口加热器202中将室外空气从-5℃左右加热至5℃左右进入井口房501；室外空气在第一井口加热器201和第二井口加热器202中分别被加热后，在井口房501中混合进入进风井502，达到进风井502的井筒的温度要求。

供暖常规天气运行模式：热泵机组600启动运行；首先，从回风井筒102出来的10-13℃的矿井回风在回风换热器101将热量传递给-7℃的循环流动介质(优选地，流动介质采用水，且在水中添加防冻液)后温度降低为1℃左右排放，循环流动介质温度升高为6℃左右经水循环管路和第一循环水泵的作用下进入第一井口加热器201，在第一井口加热器201中将室外空气从-15℃左右加热至-5℃左右进入井口房501，同时循环流动介质温度将低至-1℃进入热泵机组600的蒸发器601，在热泵机组600的蒸发器601中循环水能量被提取温度降低至-7℃左右再次进入回风换热器101；此时带有温度传感器的温度控制阀700通过检测保温水箱403中的温度保持在75℃以上后，调节温度控制阀700开启，以保证在保温水箱403充分利用辅助热源300在完成储能任务后进行供热的能力；此时热泵机组600开启，热泵机组600的蒸发器601从-1℃左右的循环流动介质温度中提取能量，能够制取25℃左右的循环水，由循环管路进入至第二井口加热器202，在第二井口加热器202中将室外空气从-15℃左右加热至15℃左右进入井口房501，并在井口房501中混合来自第一井口加热器201的-5℃左右的空气，混合后的温度控制在5℃左右，达到进风井502的井筒的温度要求；需要说明的，从第二盘管加热器402出来的循环水与热泵机组600的冷凝器602并联。

供暖极端天气运行模式：热泵机组600启动运行；首先，从回风井筒102出来的10-13℃的矿井回风在回风换热器101将热量传递给-7℃的循环流动介质(优选地，流动介质采用水，且在水中添加防冻液)后温度降低为1℃左右排放，循环流动介质温度升高为6℃左右经水循环管路和第一循环水泵的作用下进入第一井口加热器201，在第一井口加热器201中将室外空气从-25℃左右加热至-10℃左右进入井口房501，同时循环流动介质温度将低至-1℃进入热泵机组600的蒸发器601，在热泵机组600的蒸发器601中循环水能量被提取温度降低至-7℃左右再次进入回风换热器101；此时带有温度传感器的温度控制阀700开启度保持100％，利用保温水箱403的蓄热能量放热，同时充分利用辅助热源300的供热能力。此时热泵机组600开启，热泵机组600的蒸发器601从-1℃左右的循环流动介质温度中提取能量，能够制取35-45℃的温度循环水，由循环管路进入至第二井口加热器202，在第二井口加热器202中将室外空气从-25℃左右加热至25℃左右进入井口房501，并在井口房501中混合来自第一井口加热器201的-10℃左右的空气，混合后的温度控制在5℃左右，达到进风井502的井筒的温度要求。

回风系统100的功能可以由相似温度区间的矿井水换热系统等类似低温热源系统替代。

本实施例提供的矿井回风余热梯级利用系统实现了10-13℃的矿井回风能量的梯级利用，满足井筒防冻需求的同时最大限度的减少电能的消耗，同时根据井筒防冻负荷特点设置极端天气辅助热源300，最大限度的降低系统投资，弥补回风热量不足的问题，并且能够在冬季供暖初期，获得了零成本的井筒防冻热源，成本是传统降温供暖系统投资的70-80％，节省运行电费40-60％，提高了能量利用率，节能环保，综合经济效益显著。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。