朱 毅

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；2.晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦，山西 晉城 048021）

0 引言

晉煤集團(tuán)成莊礦5310 工作面是大采高工作面，走向長(zhǎng)度2540m，傾斜長(zhǎng)度246m，平均煤層厚度5.75m，煤層傾角2～8°，主要配套設(shè)備有采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、皮帶等，其中需要用水冷卻的設(shè)備有采煤機(jī)（用水量471 L/min）、電動(dòng)機(jī)（用水量180L/min）、減速器（用水量 130L/min）、 偶合器（用水量240L/min），合計(jì)用水量達(dá)到1021L/min，其中冷卻用水495L/min，噴霧用水526 L/min。

目前該工作面采用的冷卻和噴霧系統(tǒng)為單向直流系統(tǒng)，出于保護(hù)電機(jī)和減速器的目的，冷卻水處在長(zhǎng)開(kāi)狀態(tài)，只有少部分在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)用作噴霧，其余的冷卻水通過(guò)排水管或?qū)Ｓ美鋮s回水管直接流到集中排水管中。按工作面設(shè)備每天工作18小時(shí)計(jì)算，冷卻水用水量約為534.6m3。冷卻水經(jīng)過(guò)設(shè)備后直接排放，造成以下問(wèn)題：①水資源的大量浪費(fèi)；②廢水需要通過(guò)水泵提升到地面，耗費(fèi)大量電能，造成資源的二次浪費(fèi)；③為了避免電機(jī)過(guò)熱，現(xiàn)場(chǎng)工作人員利用紅外測(cè)溫儀人工測(cè)量電機(jī)溫升，效率較低；④被浪費(fèi)的水與煤粉混合形成水煤，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，造成排水系統(tǒng)堵塞和水泵損壞。

結(jié)合工作面配套設(shè)備和噴霧用水量分析，設(shè)計(jì)一套冷卻系統(tǒng)循環(huán)利用井下水資源具有非常重要的意義。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

以工作面電機(jī)為例，防爆型水冷電機(jī)定子外殼設(shè)計(jì)有冷卻水套，冷卻水從入水口進(jìn)入，依次通過(guò)所有水道冷卻電機(jī)。改變冷卻水流速，溫度場(chǎng)邊界條件發(fā)生變化，電機(jī)的溫度分布也就有所不同。根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控制工藝圖

系統(tǒng)由冷卻水主回路、輔助回路組成，其中主回路包括水箱、主循環(huán)水泵和電磁閥組成。由主循環(huán)水泵提供的冷卻水在被冷卻電機(jī)中快速循環(huán)，從而把電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量迅速帶走，防止電機(jī)過(guò)熱損壞。主回路同時(shí)擔(dān)負(fù)著供支架噴霧和采煤機(jī)噴霧用水的任務(wù)，加快水箱內(nèi)冷卻水循環(huán)速度，確保冷卻效果。

輔助回路由補(bǔ)水閥、排水閥和熱交換器組成。設(shè)計(jì)時(shí)將冷卻管穿過(guò)水箱，利用井下主供水管中的冷水對(duì)水箱中的熱水進(jìn)行冷卻。為提高熱交換效率，冷卻管采用雙排并列安裝的形式，增加熱交換面積。

1.2 水箱容積設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)發(fā)熱量計(jì)算。電機(jī)溫度升高主要是運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)鐵心處在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生鐵損，繞組通電后產(chǎn)生銅損，還有其他雜散損耗及機(jī)械摩擦損耗等，這些都會(huì)使電動(dòng)機(jī)溫度升高。電機(jī)的損耗可以用電機(jī)額定功率的10%進(jìn)行估算。5310 工作面電動(dòng)機(jī)額定功率400kW/臺(tái)，單臺(tái)損耗近似為40kW。

（2）溫升計(jì)算。假設(shè)使用2m3的水對(duì)電機(jī)進(jìn)行循環(huán)冷卻，兩臺(tái)400kW 電機(jī)1小時(shí)產(chǎn)生的熱量使得水溫升高計(jì)算如下：

式中：Q—發(fā)熱量（J）；Cp—冷卻介質(zhì)的定壓比熱（J/Kg℃），水為4.2kJ/Kg℃；ρ—冷卻介質(zhì)的比重（Kg/m3）；V—冷卻介質(zhì)體積（m3）； ΔT=T2-T1—冷卻介質(zhì)進(jìn)出溫度差（℃）。

Q=40×1000×2×3600=4.2×1000×1000×2×△T

兩臺(tái)電機(jī)1小時(shí)產(chǎn)生的熱量可使2m3的水升高34℃。

（3）水箱及熱交換管設(shè)計(jì)計(jì)算。由于井下安裝空間的限制，水箱的高度、寬度為限定值，長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)水箱高度1m，寬度1m，不考慮壁厚，容積為2m3的水箱長(zhǎng)度為2m。

水箱內(nèi)安裝的冷凝器為公稱直徑400mm的列式冷凝器，每組冷凝器由110根冷凝管并列組成，冷凝管內(nèi)徑/外徑 12.7/13mm，長(zhǎng)度 1500mm，公稱壓力 2.5Mpa，冷凝器進(jìn)出口均為DN100 法蘭。兩套冷凝器的近似體積為： π×R2×l=3.14×0.22×1.5=0.1884m3。

為保證冷卻水體積為2m3，水箱體積需再增加184.4mm，即長(zhǎng)度為2200mm。

2 冷卻效果分析

熱傳遞的形式主要有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，液體和氣體因具有流動(dòng)的特性，熱傳遞方式除導(dǎo)熱外主要是熱對(duì)流。對(duì)流傳熱的基本計(jì)算如下：

式中：Φ—熱流量，單位時(shí)間內(nèi)的對(duì)流傳熱量（W）；A—與流體接觸的壁面面積（m2）；α—對(duì)流傳熱系數(shù)（W／（m2·K））； Tw—壁面溫度（K）； Tf—流體平均溫度（K）。如果把溫差記為△T，并約定取正值，則Φ=αA△T。

對(duì)流傳熱系數(shù)α簡(jiǎn)稱為傳熱系數(shù)，它不僅取決于流體的物理性質(zhì)以及傳熱表面的形狀與布置，而且還與流速有密切的關(guān)系。α的定性計(jì)算非常復(fù)雜，強(qiáng)制對(duì)流時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式：

空氣中傳熱系數(shù)： α=20～100W/m2·K

水中傳熱系數(shù)： α=1000～15000W/m2·K

冷凝器熱交換面積：

其中： F=nπdl=2×110×π×0.013×1.5＝13.47m2；Q—熱交換量；△t—進(jìn)出口水溫差，這里取34℃；K—換熱系數(shù)， 取 8000w/m2℃。 則： Q=1.32×107kJ。

通過(guò)上述計(jì)算，工作面所有設(shè)備裝機(jī)功率為10175kW，溫升34℃時(shí)的總發(fā)熱量為3.663×106kJ，遠(yuǎn)小于理論熱交換量，反之推算出實(shí)際的溫升t=9.44℃。

3 結(jié)論

根據(jù)該工作面的實(shí)際冷卻用水和噴霧用水量計(jì)算，設(shè)備正常供水可以實(shí)現(xiàn)溫升小于10℃的恒溫差強(qiáng)制對(duì)流熱交換，從而保證工作設(shè)備的冷卻效果。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)在水箱和電機(jī)的進(jìn)出水口加上溫度傳感器，對(duì)冷卻水的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦水溫出現(xiàn)異常情況能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡早處理，避免因設(shè)備冷卻問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響。