何傳超

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512126）

0 引言

礦用空氣壓縮機(jī)是專為風(fēng)動(dòng)機(jī)械提供動(dòng)力用風(fēng)的設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)夏天排氣溫度常超標(biāo)，有時(shí)高達(dá)160 ℃以上，排氣溫度過高一方面使活塞與氣缸間的潤(rùn)滑油失效造成機(jī)械故障甚至停機(jī)；另一方面使得壓縮機(jī)的壓縮功劇增，耗電急劇增加。造成壓縮機(jī)排氣溫度過高的主要原因是壓縮機(jī)壓循環(huán)冷卻用水溫度過高?？諝鈮嚎s機(jī)壓縮空氣過程中產(chǎn)生的熱量由冷水帶走，水從空氣壓縮機(jī)吸熱后成了熱水進(jìn)入冷卻塔，由大氣吸熱后降溫成冷水，循環(huán)使用，稱為循環(huán)冷卻水。夏天大氣溫度高循環(huán)冷卻水溫也高了，通入空氣壓縮機(jī)內(nèi)吸熱量減少，排氣溫度自然也就上升了。

礦山井下工作場(chǎng)地有地下水涌出，各工作面上的涌水匯集于水池中，由水泵排至地表直接流入江河中，這稱為礦井排水。由于井下地溫恒定，礦井排水的水溫接近于恒溫，常在22℃左右。礦井排水量大，一般礦井每小時(shí)排水量有數(shù)百噸，處于地下水層中的大型礦山，如廣東凡口礦每小時(shí)排水量可達(dá)上千噸。這就給空氣壓縮機(jī)的循環(huán)冷卻用水提供了夏天冷卻介質(zhì)。礦井排水含有泥塵和少量對(duì)金屬有腐蝕性的介質(zhì)，有時(shí)還含有硬水中的鈣離子，不能直接用于空氣壓縮機(jī)的冷卻。只能將其替代大氣來冷卻空氣壓縮機(jī)排出的熱水。

1 空氣壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

礦山用空氣壓縮機(jī)多為往復(fù)活塞式壓縮機(jī)。它的工作原理和理論循環(huán)如圖1所示，活塞1由動(dòng)力機(jī)構(gòu)經(jīng)平面曲柄機(jī)構(gòu)拖動(dòng)，在氣缸2 內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞1 從左向右移時(shí)，缸內(nèi)容積加大，氣壓下降，壓差作用下，吸氣閥3 打開氣缸進(jìn)入吸氣行程。當(dāng)活塞移至右點(diǎn)時(shí)，吸氣過程結(jié)束；開始左移，壓縮已吸入的空氣，壓力上升至排氣壓力（略高于儲(chǔ)氣罐壓力）時(shí)，排氣閥4 在壓差作用下打開，活塞左移推動(dòng)缸內(nèi)高壓氣體排入儲(chǔ)氣罐，完成一個(gè)循環(huán)，為節(jié)省壓縮耗功和降低排氣溫度，礦用空氣壓縮機(jī)多為兩級(jí)壓縮，其理論循環(huán)圖如圖2所示。

圖1 壓縮機(jī)示意圖

圖2 理論循環(huán)圖

大氣狀態(tài)空氣吸入后壓縮到中間壓力px，排至中間冷卻器，由循環(huán)冷卻水將壓縮空氣冷卻接近大氣溫度后再進(jìn)入二級(jí)壓縮到排空壓力p，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，完成一個(gè)循環(huán)。中間冷卻使得進(jìn)入二級(jí)壓縮空氣溫度比一級(jí)排氣溫度降低很多，其比容也?。ū热菔侵? kg 空氣所占的空間容積）。使得二級(jí)壓縮過程所耗功比沒有中間冷卻時(shí)少很多，排氣溫度也低很多。因此中間冷卻條件好壞是影響空氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵。中間冷卻減少壓縮功的多少可從圖2 中的陰影面積大小來反映。中間冷卻條件好，進(jìn)入二級(jí)壓縮空氣溫度低，吸入二級(jí)壓縮空氣的比容低，陰影面積加大，其節(jié)省壓縮功就大，二級(jí)壓縮排氣溫度也低。礦用空氣壓縮機(jī)排氣溫度超標(biāo)主要是二級(jí)壓縮的排氣溫度，此外，氣缸周圍沒有冷卻水套，它將帶走壓氣過程中產(chǎn)生的部分熱量，氣缸冷卻好，空氣壓縮帶走熱量多，排氣溫度低，壓縮空氣過程消耗的功更小。

2 技術(shù)方案

現(xiàn)有的空氣壓縮機(jī)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)組成為：冷水池→冷水泵→送水至空氣壓縮機(jī)內(nèi)的冷卻器（包括氣缸水套、中間冷卻器、壓后冷卻器）→熱水池→熱水泵→熱水冷卻塔→冷卻池。熱水冷卻是將從空氣壓縮機(jī)出來的熱水從熱水池中用熱水泵抽至冷卻塔上面噴淋下澆，塔下部有常溫空氣進(jìn)入沿塔身上升，上升過程中與熱水交換熱量變?yōu)闊釟?，從塔頂冒出，熱水放熱降溫后從塔底返入冷水池，夏天空氣溫度高，改用礦井排水冷卻從熱水池抽來的熱水，取代熱水冷卻塔。

礦井排水冷卻器由沉入礦井排水渠的鋼管束組成，礦井排水從副井（或運(yùn)輸井）出來，壓氣管也從此井送入井下，因此空氣壓縮機(jī)房在副井周圍。礦井排水至地表后常由明渠排至江河中，排水明渠離壓氣房不遠(yuǎn)。將一段排水明渠設(shè)一閘板，使渠內(nèi)水層加深，換熱管束沉于礦井排水層中，管束內(nèi)流過循環(huán)熱水，管束外流過礦井排水，兩者逆流布置?？諝鈮嚎s機(jī)排出的熱水匯入熱水池，由熱水泵從熱水池中抽至管束內(nèi)流過，換熱后流回空氣壓縮機(jī)的冷卻水池中供空氣壓縮機(jī)冷卻用。換熱管束沉于礦井排水層下，水較深，從礦井送來的冷水經(jīng)管束吸熱后上浮由閘板溢出，圖3為示意圖。

圖3 換熱管束示意圖

3 換熱管束設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容

換熱管束是管內(nèi)熱水與管外礦井水之間的換熱裝置。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要根據(jù)其要求循環(huán)水的溫差和流量確定換熱量，再根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸與換熱狀態(tài)計(jì)算傳熱系數(shù)K，由K計(jì)算定下?lián)Q熱管束的表面積，最后確定管束的長(zhǎng)度和單根管道的直徑。

計(jì)算傳熱系數(shù)K 按管內(nèi)壓力水流和管外無壓流動(dòng)的狀態(tài)近似計(jì)算。計(jì)算時(shí)要確定管內(nèi)熱水對(duì)管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)α1，以及管外壁礦井排水無壓流動(dòng)時(shí)對(duì)外壁的對(duì)流放熱系數(shù)α2，為了計(jì)算上述內(nèi)容，還需要現(xiàn)運(yùn)行空氣壓縮機(jī)的參數(shù)，如二級(jí)壓縮過程指數(shù)、中間冷卻器的參數(shù)等。

3.2 空氣壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)確定

3.2.1 二級(jí)壓縮過程平均指數(shù)確定

如二級(jí)壓縮的進(jìn)氣溫度T1和壓力p1以及排空溫度T2和壓力p2，則二級(jí)過程平均指數(shù)：

3.2.2 中間冷卻器換熱系數(shù)和換熱面積之乘積KF確定

v0——理論排氣量；

ρ0——大氣狀態(tài)（標(biāo)準(zhǔn)）空氣密度。

3.2.3 確保二級(jí)排氣溫度T2-2達(dá)標(biāo)

應(yīng)確保二級(jí)吸氣溫度T2-1，空氣壓縮機(jī)二級(jí)排氣溫度行業(yè)規(guī)定t2-2≤160℃，即已知為T2-2=t2-2＋273℃=433K 。

3.3 空氣壓縮機(jī)循環(huán)冷卻水工作溫度確定

中間冷卻器工作計(jì)算溫差Δtmz由下式計(jì)算：

3.4 礦井排水換熱管束設(shè)計(jì)

3.4.1 換熱管束結(jié)構(gòu)確定

3.4.2 換熱管束傳熱系數(shù)的確定

換熱管束傳熱過程為：循環(huán)熱水對(duì)管內(nèi)壁表面放熱，再通過管壁導(dǎo)熱，傳到管壁外表面對(duì)管束外的礦井排水對(duì)流放熱。其熱阻由三部分組成：內(nèi)壁對(duì)流熱阻、壁厚導(dǎo)熱阻、管外壁對(duì)流熱阻。根據(jù)傳熱計(jì)算公式傳熱系數(shù)：

其中：α1為內(nèi)壁對(duì)流放熱系數(shù); α2為外壁對(duì)流放熱系數(shù); λ 為管壁材料導(dǎo)熱系數(shù)。

α1、α2通過相似準(zhǔn)則方程計(jì)算：

3.4.3 礦井排水換熱管束耗熱量確定

3.4.4 管束長(zhǎng)度確定

前面已確定了管束中管子根數(shù)Z 和內(nèi)徑d ，為便于計(jì)算，管束外礦井排水溫按定溫處理，這主要是礦井排水量大，換熱時(shí)間短，這樣也便于分析，其換熱對(duì)數(shù)溫差Δtms為：

4 效果及注意事項(xiàng)

經(jīng)改造大氣溫為36 ℃時(shí)，循環(huán)冷卻水工作溫度為27 ℃～29 ℃，空氣壓縮機(jī)二級(jí)排氣溫度為148 ℃～152 ℃，控制了排氣溫度超標(biāo)現(xiàn)象。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)可省電5.1%，因?yàn)槊刻鞂?shí)際排風(fēng)量均在變化，故節(jié)電數(shù)字對(duì)比只是一個(gè)粗略參考值。

此項(xiàng)改造時(shí)，要保留原有的空氣壓縮機(jī)的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，季節(jié)變化時(shí)，當(dāng)?shù)V井排水溫度高于大氣溫度時(shí)，宜用原來的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

礦井排水換熱管束外表易結(jié)泥塵，影響傳熱效果，要常清洗，設(shè)置時(shí)應(yīng)考慮方便清洗外表泥塵。礦井排水明渠置放換熱管束的區(qū)段，最好用一溢流閘門，正常工作時(shí)礦井排水溢過閘門，以確保換熱管束所需沉沒的水層深度，清洗外積泥塵時(shí)，將閘門全開，泥塵可順流沖走。

由于礦井排水中的成分復(fù)雜，一般通常不宜將其直接用于礦用空氣壓縮機(jī)的冷卻，盡管這樣冷卻效果好，且設(shè)備改動(dòng)小，但會(huì)對(duì)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢，這類故障很難處理。只有經(jīng)化驗(yàn)其成分達(dá)到冷卻水要求時(shí)方可真接用于空氣壓縮機(jī)的冷卻。

［1］蔡文娟.物理化學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

［2］朱光俊.傳輸原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.