热管技术在煤矿余热回收方面的应用

热管是一种新型、高效的传热元件，其内部是靠工质循环实现热量传递，它的当量热导率可达金属的103 倍~104 倍。以热管为传热元件的热管换热器，在利用热能、回收废热、节约原料、降低成本等方面优势明显，特别适用于中低温的余热回收。

热管的种类很多，如有普通热管、分离式热管、重力式热管(虹吸管)、平板热管、微型热管、径向热管等，本文主要研究热管中的分离式热管和重力式热管在煤矿低温废热回收中的应用，现针对这两种型式做主要分析。

目前，在煤矿的开采中通风是十分重要的，矿井里的通风量大且通风温度常年基本维持20 ℃左右不变，而且随着深度的增加矿井回风的风温在不断升高。因此矿井回风中蕴含有巨大的低温热能。

本文要研究的正是以矿井回风作为低温热源，分别利用分离式热管和重力式技术，将其转变为有用的高温热源，用于满足井筒防冻等用途。

1 煤矿热能现状分析

1.1 矿井回风废热分析

当地面新鲜风流送入进风井筒以后，供给工作面新鲜空气的同时也吸收来自沿程围岩散热、机械设备散热、煤体氧化、人员等方面的散热，当风流从回风井排出时，矿井回风的温度比进风高出许多，加之矿井回风量大，因此，矿井回风中蕴藏着大量的低温热能，而这部分热能未被利用，直接排到大气，会造成热能的极大浪费。

1.2 煤矿用热分析

根据《煤矿安全规程》第一百零二条规定：“进风井口以下的空气温度(干球温度)必须在2 ℃以上”。然而在北方大部分地区的冬季，新风温度远低于这一要求。为了达到规定，保证生产工作正常运行，一般需要对矿井进风进行预热升温。

除上述冬天需要井筒防冻以外，在夏季条件下，根据《煤矿安全规程》第一百零二条规定：“生产矿井采掘工作面温度不得超过26 ℃，机电设备硐室的温度不得超过30 ℃。”因此又需采取措施降低井筒温度，减小热害损失。

1.3 现阶段解决措施分析

在冬季，传统做法是通过燃煤锅炉提供热源以满足上述要求。这样，不仅消耗大量煤炭，而且煤炭燃烧时排放大量污染物极易造成环境污染;在夏季，井筒降温通常会采取通风降温、控制井下热源方式、机械制冷水降温、人工制冰降温及空气压缩制冷降温等技术降低工作面风流温度。

北京矿大节能科技有限公司采用的热泵技术提取回风中的热量，通过热泵机组等配套设备将其转移到进风井筒处，但对于进风井与回风井距离较远的工矿地区或分散通风的矿井来说，如果将回风输送到新风井附近，无疑需要铺设较长的运输风道，不仅增加设备的投资，而且会使矿区管道更加复杂;同时，在输送过程中，必然会存在热能的损失，使回收效果降低。

2 热管换热器在矿井回风余热中的应用

2.1 分离式热管换热器应用

针对上述问题，且对于进风井与回风井距离较远的工矿地区而言，本文提出可利用分离式热管换热器回收矿井回风余热来达到井筒防冻的效果。

2.1.1 应用方案简述

分离式热管换热器系统如图1、图2所示：

1.扩散塔;2.倒流风罩;3.倒流风罩;4.风阀;5.回风风道;6.分离式热管换热器蒸发段;7.排风风道;8.蒸汽上升管;9.蒸汽下降管;10.分离式热管换热器冷凝段;11.新风风道;12.进风风道;13.防爆风机;14.除尘过滤器

图1 分离式热管换热器剖面图

1.扩散塔;2.倒流风罩;3.倒流风罩;4.风阀;5.回风风道;6.分离式热管换热器蒸发段;7.排风风道;8.蒸汽上升管;9.蒸汽下降管;10.分离式热管换热器冷凝段;11.新风风道;12.进风风道;13.防爆风机;14.除尘过滤器

图2 分离式热管换热器俯视图

冬季运行时，矿井回风顺着扩散塔1，引至换热器蒸发段6，并以一定的风速横向掠过换热器。液池中的工作液体受热蒸发，蒸汽在压力差的作用下向上顺着蒸汽上升管8流入换热器冷凝段10;蒸汽在冷凝段内凝结，放出汽化潜热;回风放出汽化潜热后温度降低，顺着排风风道7排至大气或作为其他方式的热源继续使用;室外的冷空气顺着新风管道11引至换热器冷凝段10，吸收汽化潜热，达到预热目的;加热后的空气温度升高到规定温度以上，沿着进风风道12最终送入井筒内;冷凝后的工作液体在重力的作用下，顺着下降管9回流到蒸发段的液池当中。只要有加热源，这一过程就会循环进行。

如图2所示，冷凝段可以设置多台换热器并联安装，蒸汽顺着上升管8分流至不同换热器的冷凝段10、10'、10"，分别冷凝后再沿着下降管统一回流至换热器的蒸发段6。因此可灵活调整冷凝段换热器的面积和摆放位置。

各个换热器冷凝段的下联箱均装有不凝结气体分离管15，上面装有排气阀16，定期打开排气阀可将不凝结性气体排出，保证换热器安全运行。

在春、夏、秋三季不需要井筒防冻的情况下，关闭风阀4，矿井回风顺着扩散塔1从直接排风口3处完全排至大气。

2.1.2 方案优势分析

a) 热流空气通过热管的蒸发段管壁和冷凝段管壁直接将热量传给冷流空气，避免了普通换热器通过第三方换热介质传热所造成的热能损失，提高换热效率;

b) 由于其蒸发段和冷凝段分开，可以避免制造很长的输送风道。据文献报道[8]，蒸发段和冷凝段的距离可达上百米乃至数百米，这一点对于矿上场地拥挤，或进风井与回风井距离相对较远的工矿地区来说，具有更大的意义;

c) 与常规的热管换热器相比，分离式热管的蒸汽在冷凝段中自上而下与液膜同向流动，可以避免单管式长热管换热器易于出现的携带极限。因此相同换热情况下，可以选择更小直径的管子做传热管，保证装置的紧凑性;

d) 冷、热流体完全隔离，可以大幅度地改变冷凝侧或蒸发侧面积来调整热流密度，进而调整热管管壁温度，使其保证在低温流体的露点以上，从而可防止有腐蚀性气体的露点腐蚀，保证设备的长期运行;

e) 结构设计和位置布置简单灵活，可以方便实现顺、逆流的混合分布，同时可以设置多个冷凝段，将其并联使用，对不同环境的冷源分别加热，可完全适应不同矿区的各种要求。

2.2 重力热管换热器用于矿井回风余热的回收

对于进风井和回风井处在同一个工业场地的矿区，可利用重力式热管换热器，在冬季将矿井回风中余热进行回收，预热进风井筒;同时，在夏季时经过阀门转换后，将回风当做冷源使用，达到冷却进风井筒，降低热害的效果。

2.2.1 应用方案简述

重力式热管换热器系统如图3、图4所示。

1.回风风道;2.进风风道;3.重力式热管换热器;4.排风风道;5.新风风道;11、12、21、22、41、42、51、52.各风道内阀门

图3 重力式热管换热器剖面图

1.回风风道;2.进风风道;3.重力式热管换热器;4.排风风道;5.新风风道;11、12、21、22、41、42、51、52.各风道内阀门。

图4 重力式热管换热器俯视图

冬季工况下：阀门12、21开启，11、22关闭;同时，42、51开启，41、52关闭。矿井回风顺着回风风道1引至第三主风道03，并以一定的风速横向掠过换热器的蒸发段。液池中的工作液体受热蒸发，蒸汽在压力差作用下向上流入热管较冷的冷凝段，放出汽化潜热;回风放出汽化潜热后温度降低，沿着第四主风道04进入排风风道4，最终排至大气或作为其它方式的热源继续使用;室外的冷空气顺着新风管道5到达第二主风道02，吸收汽化潜热，达到预热目的;加热后的空气温度升高到规定温度以上，沿着第一主风道01进入进风风道2，最终送入井筒内;冷凝后的工作液体在重力的作用下，回流到蒸发段的液池当中。只要有加热源，这一过程就会循环进行。

夏季工况下：阀门11、22开启， 12、21关闭;同时，41、52开启， 42、51关闭。新风温度较高，蕴含大量低温热能;相反，回风侧温度较低，可吸收新风的热量以达到冷却新风的目的。工作原理与冬季相似，在此不再赘述。

2.2.2 方案优势分析

a) 本方案将矿井回风与井筒进风结合在一起进行热交换，在冬、夏季分别达到预热和冷却进风井筒效果;

b) 因为冷、热流体不同时流过同一换热器壁面，所以热管壁面不易损坏，大大增强了设备运行的可靠性，可长期连续运行;

c) 流体是在热管外壁横掠换热，再加上翅片的存在，因此气流的扰动性加强，可有效防止积灰;同时热管壁温高，管外始终呈干燥状态，不会结膜也不易粘附烟灰等，所以可有效防止堵塞;

d) 结构设计紧凑占地空间小，布置简单灵活，特别是对进风井与回风井位于同一工业场地的中央并列式或区域通风式的矿井来说，可以减少过长的风道造成的初投资增大和热能的损失。

3 结语

目前热管换热器在煤矿行业余热回收中的应用仍然较少，主要原因是其生产成本以及技术推广等方面的不足。但是在节能减排的大政策指引下，寻求更加低碳环保的方法来取代锅炉的运行势在必行。该领域内的各位专家学者应该进一步完善低温热管技术，降低其成本，提高其运行可靠性，拓宽其适用范围，提高热管换热器与其它型式高效热交换器的竞争力。