朱海亮 柳靜獻 常德強 初硯昊 曹雪曼 李元輝

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

隨著社會不斷進步，經濟和技術水平的不斷提高和發(fā)展，對于各類礦石和煤炭的需求量也在快速增加。現(xiàn)階段，我國每年有色金屬的生產和銷售量可達1 000 萬t 左右，而礦石更是存在每年高達5 000萬t 的供應缺口［1］。在經過多年開采之后，較為容易開采的處于淺層之中的礦產資源已消耗殆盡，礦井開采深度日益增加，深部礦井逐漸增多［2-3］。20 世紀80 年代以來，很多學者源源不斷地將國外礦井開采深度、深層礦井開采中存在的現(xiàn)象、深井開采中使用的相關技術等方面的信息介紹到國內，推動了國內深井開采技術的不斷進步［4-6］。在我國，煤炭是非常重要的基礎能源，在一次能源的構成中大約占比70%［7］，但根據相關預測數據，深埋于地下超過1 000 m的煤炭資源占比73%左右，所以深井開采已成為煤炭行業(yè)乃至整個礦業(yè)領域的一個必然趨勢。目前，我國大部分的礦井都已經在800 m 以上的開采深度，遼寧省撫順市紅透山銅鋅礦已經達到了地下1 100 m，冬瓜山銅礦也達到了約1 000 m 的開采深度［8］。從20 世紀末開始，我國逐漸進入到深部開采階段，1980 年、1995 年和2000 年我國礦井平均開采深度分別為288、428、650 m，開采深度的增長速度為每年10 m左右。隨著礦井開采深度逐步加大，井下工作環(huán)境也越來越惡劣，并且在一般情況下，地下溫度會隨著開采深度的增加呈現(xiàn)線性增長，因而井下熱環(huán)境是造成井下工作環(huán)境惡劣最主要的因素之一。高溫熱害影響井下人員的工作狀態(tài)和效率［9］，危害人員的身心健康和生命安全［10］。正常情況下人體會通過流汗蒸發(fā)的方式維持體溫的相對平衡［11］，但是在高溫高濕礦井環(huán)境中汗液難以蒸發(fā)，易打破人體的熱量平衡［12］，引起頭暈等一系列不良反應［13］，同時熱害對工作人員身體的循環(huán)系統(tǒng)、神經系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)以及心理會產生不良影響，并且有些影響是不可逆的［14-17］。這些危害嚴重影響了井下工作效率［18］，造成不必要的損失，影響安全生產，因此對于礦井熱害進行客觀科學的評價具有重要意義［19］。日本對于礦井工作面的統(tǒng)計分析表明，高溫熱害工作面發(fā)生事故的概率為正常溫度工作面的3.6 倍以上［20］，嚴重影響人身安全。為保證井下工作人員的生命安全，同時保證深井開采時可以達到一個較高的生產效率，解決高溫熱害問題十分必要。目前，礦井熱害問題防治方式主要分為機械式制冷技術和非機械式制冷技術兩種，對于非機械式制冷技術而言，經濟性是其優(yōu)勢所在，但是制冷效果一般，機械式制冷技術可以達到良好的降溫效果但是成本較高。針對通風降溫［21］無法滿足要求，而現(xiàn)有的機械式降溫技術系統(tǒng)龐大、投入較高等問題，利用熱管原理對原有的熱管系統(tǒng)進行改造，可適用于更廣泛的井下環(huán)境，其降溫效果不受井下位置及溫差的影響，即使回風風溫高于工作面溫度，依然可以達到良好的降溫效果。

1 試驗系統(tǒng)構建

1.1 系統(tǒng)組成

動力型分離式熱管是分離式熱管的一種［22］，是在重力型分離式熱管的基礎上優(yōu)化改進而來。動力型分離式熱管依靠泵產生的驅動力完成熱管的循環(huán)，在實際應用中可根據現(xiàn)場情況任意布置。在某些礦井中，存在著工作面距離回風巷較遠或者工作面溫度低于回風風溫等現(xiàn)象，此時利用現(xiàn)有技術解決工作面熱害問題較為困難，本研究根據此類現(xiàn)象搭建試驗平臺，模擬井下工作環(huán)境。試驗將熱泵系統(tǒng)和動力型分離式熱管系統(tǒng)相結合，具有原理簡單、安裝容易、便于布置、傳熱效率高、降溫效果好等優(yōu)點。通過熱泵系統(tǒng)中工質在蒸發(fā)段蒸發(fā)吸熱產生的冷量來降低工作面的溫度，再通過熱管系統(tǒng)將吸收的熱量傳遞到距離工作面較遠的地方。試驗原理如圖1 所示。整個裝置兩端分別為蒸發(fā)器和冷凝器與風機相連，左側為熱泵系統(tǒng)，用銅管將各個裝置串聯(lián)在一起成為一個閉合回路，右側為動力型分離式熱管系統(tǒng)，各個裝置之間用聚四氟乙烯管串聯(lián)成一個閉合回路。熱泵系統(tǒng)和動力型分離式熱管系統(tǒng)之間利用板式換熱器進行耦合，板式換熱器不僅為熱泵系統(tǒng)的冷凝段，同時也是動力型分離式熱管系統(tǒng)的蒸發(fā)段。兩個系統(tǒng)中的工質不相通，各自分別為獨立的閉合回路，在壓縮機附近和磁力驅動泵附近分別有兩個系統(tǒng)各自的工質充放閥門，試驗開始前的系統(tǒng)抽真空和充裝工質液體以及試驗結束后系統(tǒng)回路中工質的排放都是通過這兩個閥門來完成。在蒸發(fā)段風道內安裝6 個功率為2 kW 的加熱管，通過接通不同數量、不同位置的加熱管，調整風道內達到不同的溫度，來模擬礦井工作面的工作環(huán)境，在冷凝器前段均勻噴射水霧來實現(xiàn)冷凝段的不同溫度。在蒸發(fā)器和冷凝器前后布置PT100熱電阻進行溫度測量，精度為0.1 ℃，每隔一段時間同時記錄每個采集點的溫度；利用多功能風速儀測量試驗中風道內的風速和濕度，通過風機調節(jié)風道內風速大??；利用真空壓力表和電子秤來控制充入工質的量，電子秤的精度為0.001 g；通過調節(jié)變頻器的頻率來控制磁力驅動泵的轉速，從而控制泵給系統(tǒng)帶來的動力。在礦井中應用時，可將熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)的蒸發(fā)段布置在工作面之中，釋放冷量改善環(huán)境，將冷凝段布置在回風巷中，將從工作面富集的熱量傳遞到風流中。該系統(tǒng)解決了單純動力型分離式熱管系統(tǒng)只有存在驅動溫差才能正常工作的不足，在特殊礦井中，當回風溫度與工作面溫度所差無幾甚至高于工作面溫度時，仍然可以使用該復合系統(tǒng)給工作面降溫。

為了模擬工作面的高溫環(huán)境，在熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)段的矩形風道頂端和側面鉆孔，在風道內部安裝6根加熱管，每次試驗時通過接通不同位置和不同數量的加熱管使蒸發(fā)段矩形風道內達到不同的溫度，即調節(jié)系統(tǒng)蒸發(fā)段的溫度。同時從孔洞下放溫度傳感器，測量蒸發(fā)段的實時溫度。兩個分系統(tǒng)回路中分別利用壓縮機在氣體工質管路中提供動力和利用磁力驅動泵在液體工質管路中提供動力，克服回路中的沿程阻力來推動管路中的工質完成循環(huán)，使系統(tǒng)能夠運行起來。在壓縮機前安裝氣液分離器，可以將通過蒸發(fā)段而未蒸發(fā)的液體工質和已經蒸發(fā)的氣體工質分層，避免液體工質進入壓縮機發(fā)生液擊現(xiàn)象。同理在磁力驅動泵前安裝儲液罐，防止氣體工質進入驅動泵出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，氣液分離器和儲液罐可對壓縮機和磁力驅動泵產生一定的保護作用，避免發(fā)生損壞，同時儲存氣體和液體工質，使壓縮機和磁力驅動泵在運行時能夠有足夠的氣態(tài)工質和液態(tài)工質而不間斷地運行，給系統(tǒng)回路提供動力。蒸發(fā)段的軸流風機和磁力驅動泵都與50 Hz 的變頻器相連接，通過改變變頻器的頻率來改變蒸發(fā)段的風速和驅動泵給回路帶來的動力。熱泵系統(tǒng)為固定長度，可通過改變動力型分離式熱管系統(tǒng)的長度來研究遠距離傳輸熱量的效果。將系統(tǒng)各個部分管路用保溫管包裹，防止熱量或冷量在傳輸過程中出現(xiàn)能量損失，影響換熱效率。

1.2 試驗步驟

對于本研究所搭建的系統(tǒng)而言，管路內部存在壓力，因而良好的氣密性極為重要，是整個系統(tǒng)得以穩(wěn)定并進行長期正常工作的必要條件。在試驗開始前一定要檢查好裝置是否完全密封，再進行試驗，系統(tǒng)檢漏工作可以利用肥皂水檢測法及壓力表法來完成。系統(tǒng)氣密性檢查完畢無漏氣現(xiàn)象以及抽真空操作完成之后，進行工質充注，應將制冷劑倒置，確保充入系統(tǒng)的為液態(tài)工質。

以上工作完成后開始進行試驗，記錄試驗數據，通過蒸發(fā)段和冷凝段的溫差變化來分析熱管系統(tǒng)溫度、驅動溫差、動力泵流量等因素對系統(tǒng)換熱性能的影響。完成測量后，改變熱管系統(tǒng)管路的長度來分析長距離熱管的性能以及距離對熱管性能的影響。具體試驗步驟為：①對系統(tǒng)進行檢漏和抽真空操作后，充入工質；②接通加熱器并調節(jié)蒸發(fā)段和冷凝段風機達到一定的風速，待溫度穩(wěn)定后記錄；③開啟壓縮機，同時不斷提高溶液泵頻率，直至50 Hz，在每次變頻的同時記錄蒸發(fā)段和冷凝段的溫度；④改變蒸發(fā)段風道內的溫度，重復步驟③；⑤加注制冷劑工質R134a，重復步驟②至④；⑥增加熱管系統(tǒng)管路的長度，重復步驟①至⑤。

2 試驗結果與討論

熱泵與動力型熱管復合系統(tǒng)最大的特點就是系統(tǒng)內部存在壓縮機和動力泵，是整個系統(tǒng)正常工作持續(xù)不斷的動力來源，這樣的設計可以使本套系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離傳熱，并且在傳熱過程中不受井下工作面地理位置及工作面與回風巷溫差的影響。在動力型熱管不同長度下，研究溫度、驅動溫差和動力泵流量對系統(tǒng)換熱量的影響，從而可以得到熱泵與動力型熱管在不同傳熱距離下傳熱性能的差別。

2.1 不同距離下溫度對熱管性能的影響

試驗設定在系統(tǒng)充液率為50%時，蒸發(fā)段風速為1.5 m/s，溫度變化范圍為29.2～50.6 ℃，濕度為75%，冷凝段風速為2.4 m/s，溫度變化范圍為19.6～26.3 ℃，濕度為75%，動力泵流量為0.9 m3/h，測得熱管系統(tǒng)長度分別為20、40、60、80、100 m 時的蒸發(fā)段和冷凝段換熱量，繪制出了在不同溫度下熱管系統(tǒng)長度與蒸發(fā)段和冷凝段換熱量的關系曲線，分別如圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知：熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)的換熱量與蒸發(fā)段和冷凝段的迎風風溫之間表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，而在不同的充液率或者長度下，這種規(guī)律趨勢相同。蒸發(fā)溫度為26～52 ℃時，蒸發(fā)段溫度越高，工質流過蒸發(fā)器時蒸發(fā)速率越快，單位時間內蒸發(fā)的工質增多，吸收熱量變大，導致?lián)Q熱效果更好；冷凝溫度為19～26 ℃時，冷凝段溫度越低，工質在冷凝器中的冷凝效果越好，釋放熱量變大，系統(tǒng)換熱量增多。同時在相同的溫度條件下，系統(tǒng)長度越長，其運行時系統(tǒng)內部存在的沿程阻力越大，能量損失越大，在同等動力條件下?lián)Q熱效率降低，換熱效果變差。

2.2 不同距離下驅動溫差對熱管性能的影響

在2.1 節(jié)中分析了溫度對系統(tǒng)換熱量具有一定的影響，其實一端溫度不變，另一端溫度變化，就是在改變蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫度差，本研究將蒸發(fā)段環(huán)境溫度與冷凝段環(huán)境溫度之間的差值稱為驅動溫差。試驗設定在系統(tǒng)充液率為50%時，蒸發(fā)段風速為1.5 m/s，濕度為75%，冷凝段風速為2.4 m/s，濕度為75%，動力泵流量為0.9 m3/h，通過不斷改變蒸發(fā)段和冷凝段的溫度來實現(xiàn)熱管系統(tǒng)不同的驅動溫差，測得熱管系統(tǒng)長度分別為20、40、60、80、100 m 時的蒸發(fā)段和冷凝段換熱量，并繪制出了不同驅動溫差下熱管系統(tǒng)長度與蒸發(fā)段和冷凝段換熱量的關系曲線，分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5 可知：在熱管系統(tǒng)的不同長度下，隨著驅動溫差的不斷增加，系統(tǒng)換熱量也不斷增加，換熱量最終會達到一個相對穩(wěn)定的數值，而非持續(xù)不斷升高，但是熱管系統(tǒng)長度越小，其換熱量越率先達到這個飽和值，長度大的系統(tǒng)則需要更大的驅動溫差才能達到與長度小的系統(tǒng)相同的換熱量，實現(xiàn)相同的換熱效率。長度大的系統(tǒng)需要克服比長度小的系統(tǒng)更大的阻力來完成整個系統(tǒng)的運行。同時系統(tǒng)長度越長，運行時系統(tǒng)中因阻力帶來的能量損失及系統(tǒng)本身的熱量損失越大?？梢?，要確保長度更長的熱管系統(tǒng)達到一定的換熱效率，可以通過提高兩換熱器的驅動溫差來實現(xiàn)。

2.3 不同距離下工質動力泵流量對熱管性能的影響

試驗設定在系統(tǒng)充液率為50%時，蒸發(fā)段風速為1.5 m/s，溫度為38.2 ℃，濕度為75%，冷凝段風速為2.4 m/s，溫度為23.3 ℃，濕度為75%，溶液泵頻率變化范圍為0～50 Hz，通過旋轉變頻器的旋鈕不斷改變溶液泵頻率，從而改變動力泵流量，測得熱管系統(tǒng)長度分別為20、40、60、80、100 m 時的蒸發(fā)段和冷凝段換熱量，并繪制出了曲線圖，如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7 可知：當動力泵流量不斷增加時，不同長度下熱管系統(tǒng)的換熱量先隨之增加而后趨于穩(wěn)定，在上升階段溶液泵頻率的增加意味著系統(tǒng)動力的增加，流量的增加，管內工質流速的增加，單位時間內經過蒸發(fā)段的工質增加，受熱蒸發(fā)的工質增加，可以吸收的熱量變多，導致?lián)Q熱量變大。在此工況下，蒸發(fā)段能夠受熱蒸發(fā)的工質達到飽和狀態(tài)后，再次增加溶液泵頻率對系統(tǒng)換熱量幾乎無影響。同時可以看到熱管系統(tǒng)長度越小其達到這個穩(wěn)定值所需要的流量越小，反之，則需要溶液泵提供更大的動力來克服沿程阻力，以保證工質通過蒸發(fā)段時的流量足以使換熱量達到這個穩(wěn)定值。

動力型分離式熱管系統(tǒng)因為其動力的存在，其主要目的是為了實現(xiàn)遠距離的熱量傳輸，隨著熱管系統(tǒng)長度的增加，整個系統(tǒng)的沿程阻力不斷增加，需要克服的阻力不斷變大，實現(xiàn)系統(tǒng)有效運行所需要的動力也隨之提高。并且系統(tǒng)管路并不是完全處于絕熱狀態(tài)，系統(tǒng)長度的增加使得系統(tǒng)在傳熱過程中熱量損失不斷增加，影響換熱效果。在熱管系統(tǒng)長度不斷增加的情況下，可以通過提高蒸發(fā)段溫度或降低冷凝段溫度，增大整個熱管系統(tǒng)的驅動溫差和增大工質動力泵流量的方法使動力型分離式熱管系統(tǒng)達到更佳的換熱效率。

2.4 工程應用設計方案

2.4.1 計算沿程阻力

由上述分析可知，隨著動力型分離式熱管系統(tǒng)管道長度不斷增加，想要達到與其相比更短管路中所提供的換熱量，就需要通過增加驅動溫差或者提高溶液泵頻率來實現(xiàn)。這說明系統(tǒng)中的管路內壁并不是絕對光滑的，存在著一定的沿程阻力，并且隨著傳熱路徑變長，沿程阻力也逐漸增加。系統(tǒng)管路中沿程阻力的計算公式為

式中，R 為沿程阻力，Pa；λ 為沿程阻力系數；d 為管道內徑，m；ρ 為工質密度，kg/m3；v 為流速，m/s；L 為管路長度，m。

有關液體工質在管路中流動時的沿程阻力計算問題，必然會涉及到相關沿程阻力系數的計算，沿程阻力系數λ可進行如下計算

式中，k 為管道內壁絕對粗糙度，不同類別的管道的絕對粗糙度也不同，本研究k=0.03 mm；Re為雷諾數，無量綱量，可用下式計算：

式中，μ為黏性系數，計算公式為

?

2.4.2 需冷量確定

某礦井800 m 深度的工作面長10 m、寬3 m、高2 m，井下風流速度為2 m/s，經過工作面之后風溫升高3 ℃。該工作面中導致工作環(huán)境溫度上升的主要熱源有圍巖放熱Q1、機電設備放熱Q2、運輸中的礦石放熱Q3、礦井水放熱Q4、氧化放熱Q5、人員放熱Q6等，則工作面總放熱量Q可表示為

通過計算可以得到該工作面總放熱量為200 kW，而工作面所需冷量應為總放熱量減去風流可以吸收帶走的熱量，即：

放熱量Q可以用下式進行計算：

式中，Cm為比熱容，kJ/（kg·℃）；Δt 為降溫前后溫度差，℃；m為質量流量，kg/s，可進行如下計算：

式中，A為換熱面積，m2。

因此，放熱量計算公式可以換算為

計算得到風流吸收的熱量為65 kW，所以工作面需冷量為135 kW，考慮到在實際情況中的誤差，存在10%左右的備用系數，所以該工作面需冷量為148.5 kW。

2.4.3 關鍵組件選擇與參數確定

我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下回采工作面的溫度不得超過26 ℃，如果超過這一溫度就必須停止生產，采取降溫措施對井下空氣進行降溫操作。顯然通過上述計算，可知僅利用現(xiàn)有的通風系統(tǒng)對該工作面進行降溫，流過工作面的風流無法帶走工作面產生的熱量，因而需要額外的降溫系統(tǒng)進行輔助。利用本研究熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)為該工作面進行降溫，同時將熱量傳遞到300 m外的回風巷中。

通過試驗數據推算出在該工作面放置的系統(tǒng)可以使用功率為6 500 W 左右的壓縮機以及換熱面積約為55 m2的板式換熱器，通過下式計算得到的冷凝器換熱面的面積為190～260 m2。

設計蒸發(fā)器和冷凝器為長1 m、高1 m、寬220 mm 的長方體，每個散熱器中有100 根直徑20 mm 的銅管，500 個厚1 mm 的翅片，通過計算得到有效的換熱面積為220 m2左右，符合要求。在熱管系統(tǒng)中使用功率為3 000 W 的磁力驅動泵，調節(jié)變頻器的頻率在40 Hz，使管內流量達到20 m3/h。根據式（1）可以計算出系統(tǒng)中管路的沿程阻力，系統(tǒng)管路內徑從8 mm升高到40 mm，管路長度從60 m 提升到300 m，兩者變化的倍數相同，可以認為管路參數改變之后的沿程阻力與原有的沿程阻力大致相同，所以對于新系統(tǒng)來說可以稍稍提高變頻器的頻率來克服不算很大的沿程阻力。

根據試驗數據可知，充液率為50%～58%時，系統(tǒng)效率較高，故向系統(tǒng)充注工質時使其充液率在此范圍內，可取得最佳的降溫達效果。通過查閱資料了解到該工作面溫度為33 ℃，井下通風系統(tǒng)可以使工作面溫度下降3 ℃，通過推算本研究設計的系統(tǒng)可以使工作面溫度下降6 ℃左右，即該系統(tǒng)可以使井下溫度從33 ℃降低到24 ℃，由于井下不確定因素及誤差的存在，該系統(tǒng)能夠使井下溫度維持在23～26 ℃范圍內，該溫度區(qū)間比較適合井下作業(yè)，有利于提高井下作業(yè)效率，盡可能避免安全事故發(fā)生。

3 結 論

針對礦井熱害日益嚴重的問題，本研究提出并研究了熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)，在實驗室條件下，自行搭建試驗裝置，模擬井下工作環(huán)境，進行了測試分析，研究了系統(tǒng)長度在20～100 m 時溫度、驅動溫差、動力泵流量對系統(tǒng)換熱性能的影響，測得大量試驗數據，對比分析了不同長度時系統(tǒng)的換熱性能，得出了以下結論：

（1）熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)的換熱量隨著蒸發(fā)段溫度的升高而增大，隨著冷凝段溫度的升高而減小，在相同溫度條件下，系統(tǒng)長度越長其換熱量越低，系統(tǒng)換熱效果越差。

（2）系統(tǒng)換熱量隨著驅動溫差的增加呈現(xiàn)先增加后趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，當達到一定的驅動溫差后，系統(tǒng)換熱量隨著驅動溫差的增加無明顯變化趨勢，未達到穩(wěn)定狀態(tài)前在相同驅動溫差下，系統(tǒng)長度越長換熱量越小，同時長距離系統(tǒng)可以通過增大驅動溫差的方式來改善換熱效果。

（3）工質動力泵流量也在一定程度上影響著系統(tǒng)換熱性能，隨著動力泵流量的增加，蒸發(fā)段和冷凝段的制冷量呈現(xiàn)先增大后基本保持不變的趨勢，系統(tǒng)長度越長，則需要更大的動力泵流量來克服系統(tǒng)的阻力以及熱量損失。

（4）熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)具有高效、可控、適應性強等特點，自身存在動力裝置，兩個換熱器的安裝不受位置限制，可以根據實際情況任意布置。該系統(tǒng)最主要的特點是熱泵系統(tǒng)提供冷量，熱管系統(tǒng)傳遞熱量，復合系統(tǒng)的正常運行不必受限于工作面與回風之間的溫度差，使用條件更為廣泛；動力型分離式熱管能夠遠距離傳輸熱量，實現(xiàn)井下遠距離的熱量轉移。因此，本研究提出的熱泵與動力型分離式熱管復合系統(tǒng)可以應用于礦井工作面降溫。