毛乾宇 ，譚 震 ，王文學(xué)

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719300）

我國(guó)主要煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，多存在高瓦斯、高地應(yīng)力、高地溫等自然災(zāi)害。為預(yù)防災(zāi)害發(fā)生，煤礦大型鉆機(jī)、抽采系統(tǒng)、防滅火注氮系統(tǒng)等在煤礦生產(chǎn)中裝備數(shù)量不斷增多。此類系統(tǒng)及裝備井下生產(chǎn)作業(yè)時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生大量熱，需冷卻降溫保證設(shè)備正常平穩(wěn)運(yùn)行；冷卻效果直接影響了設(shè)備能否高效工作以及使用壽命；因此高自動(dòng)化機(jī)械化煤礦生產(chǎn)對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求[1-4]。

目前煤礦井下大型設(shè)備主要冷卻方式為將井下供水管路中的水通入待冷卻設(shè)備換熱器進(jìn)行水冷。冷卻水作為廢水直接排放，廢水不能及時(shí)冷卻無法循環(huán)利用，造成了水資源的浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)成本。直通設(shè)備換熱器的冷卻水由于水中含有較多雜質(zhì)及礦物質(zhì)會(huì)在使用過程中在冷卻器中形成水垢，縮短設(shè)備冷卻器的使用壽命[5]。然而地面常用的冷卻水塔，因體積大及防爆問題一直未在井下應(yīng)用。為此，基于逆流閉式冷卻熱交換方式的研究與應(yīng)用，提出了一種適用于煤礦井下環(huán)境的礦用冷卻水塔，實(shí)現(xiàn)低耗水量、高效率的可靠冷卻方式；并通過建立礦用冷卻水塔三維模型進(jìn)行流體力學(xué)及熱力學(xué)模擬研究，對(duì)礦用冷卻水塔耗水量的影響因素進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。

1 技術(shù)研究

1.1 冷卻水塔的選型

冷卻水塔廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，按循環(huán)水是否與空氣直接接觸可分為：密閉式冷卻塔與敞開式冷卻塔。由于煤礦井下空間小、環(huán)境惡劣、水質(zhì)較差且空氣中可能存在有煤塵、易燃易爆氣體。閉式冷卻塔因采用封閉式循環(huán)冷卻，使用軟水或乙二醇等冷卻介質(zhì)循環(huán)冷卻，在高溫時(shí)冷卻管路內(nèi)壁無結(jié)垢，可避免因冷卻管路系統(tǒng)結(jié)垢影響冷卻效果。被冷卻介質(zhì)因無光照射且不與空氣接觸，所以不會(huì)產(chǎn)生藻類和鹽類結(jié)晶，“無須除藻、除鹽”，從而保障系統(tǒng)高性能運(yùn)行。另外，不存在雜物進(jìn)入冷卻管路系統(tǒng)，從而發(fā)生管路堵塞的現(xiàn)象；并且占地面積小，不需開挖水池，易址方便，用水少，能耗低。按照冷卻水與空氣的流動(dòng)方式可分為：逆流式、橫流式、混流式冷卻塔。橫流式與混流式冷卻塔能源消耗相對(duì)較高，體積較大。因此逆流閉式冷卻水塔結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高更適合煤礦工況。

1.2 工作原理

逆流閉式冷卻水塔原理圖如圖1。

圖1 逆流閉式冷卻水塔原理圖Fig.1 Schematic diagram of counterflow closed cooling tower

逆流閉式冷卻水塔工作時(shí)，待冷卻的流體在熱交換器蛇形盤管內(nèi)部流動(dòng)，外部有噴淋系統(tǒng)持續(xù)濕潤(rùn)盤管表面。干燥（低焓值）的空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)自進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入冷卻塔；飽和蒸汽壓力大的高溫水分子向壓力低的空氣流動(dòng)，濕熱（高焓值）的水自噴淋系統(tǒng)灑入塔內(nèi)。當(dāng)水滴和空氣接觸時(shí)，由于空氣與水直接傳熱，同時(shí)因水蒸氣表面和空氣之間存在壓力差，在壓力的作用下產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象，將水中的熱量帶走即蒸發(fā)吸熱，從而達(dá)到降溫目的。

1.3 總體方案設(shè)計(jì)

因煤礦井下巷道空間有限，設(shè)備及材料的運(yùn)輸主要依賴副井的礦車及平板車運(yùn)輸。因此逆流閉式礦用冷卻水塔對(duì)體積、質(zhì)量、移動(dòng)及安裝錨固方面提出了更高要求?？傮w設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮各部件與整機(jī)上的相對(duì)位置及外形尺寸。并要考慮逆流閉式礦用冷卻水塔在煤礦井下使用時(shí)散熱問題?？傮w原則為在滿足技術(shù)要求的前提下結(jié)構(gòu)盡量緊湊，中型煤礦的井下冷卻水塔長(zhǎng)寬高應(yīng)控制在4 m×1.5 m×2.5 m 內(nèi)。逆流閉式礦用冷卻水塔結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 逆流閉式礦用冷卻水塔結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of counterflow closed mine-used cooling water tower

外殼布置在集水槽上方，外殼與集水槽中間布置進(jìn)風(fēng)格柵，風(fēng)機(jī)模組布置在外殼上方。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)可通過外殼下方的進(jìn)氣格柵進(jìn)入裝置內(nèi)再由風(fēng)機(jī)口排出，形成熱交換的風(fēng)流。冷卻循環(huán)水由循環(huán)泵壓入噴淋管路從噴淋頭噴出，對(duì)表冷器及其上方的空間進(jìn)行均勻布水。噴淋時(shí)表冷器盤管上形成1 層水膜，對(duì)表冷器內(nèi)封閉內(nèi)循環(huán)冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。

1.4 節(jié)水性能

冷卻水塔內(nèi)排出的濕熱空氣中所攜帶的水分，一部分是混合于空氣中的水蒸氣，它不能通過機(jī)械的方法從空氣中分離出來；另一部分是隨氣流帶出的細(xì)小水滴，通?？捎檬账鱽聿东@這部分水分。收水器給上升氣流所攜帶的飄散水滴提供了1 個(gè)可撞擊表面，使水氣產(chǎn)生慣性分離，撞擊后的水摘由小變大，順著收水器落回到集水槽中。據(jù)大量的資料證明，裝收水器后冷卻水塔的溢出水率（或風(fēng)吹損失率）由無收水器的0.10%～0.30%（占循環(huán)水量的百分比）降到0.005%～0.010%[6]。使用收水器可減少外循環(huán)水使用量起到節(jié)水的目的。

逆流閉式礦用冷卻水塔為有效節(jié)約井下水資源，減少冷卻過程中的用水量，要減少水正常吸熱蒸發(fā)為水蒸氣后排出塔外過程中氣流中夾帶的液態(tài)水滴。重點(diǎn)對(duì)收水器進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，優(yōu)化收水器結(jié)構(gòu)提高效率。

逆流閉式礦用冷卻水塔排出濕熱空氣中所挾帶的水滴多少，與塔內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)速和淋水密度有關(guān)。在選擇收水器形式時(shí)，應(yīng)根據(jù)對(duì)水量損失要求的嚴(yán)格程度和通風(fēng)壓力損失的要求等因素來確定，一般不允許有明顯的飄水現(xiàn)象。收水器的設(shè)計(jì)原理是基于冷卻塔內(nèi)氣流的抽力與阻力之間的相互協(xié)調(diào)。氣流阻力增大會(huì)使冷卻水溫升高，而濕熱空氣中的水滴被攔截后，上升空氣密度減小，因此冷卻裝置的抽力增大。抽力增大可使水汲降低，所以收水器裝置起到抽力、阻力和冷卻水溫三者間進(jìn)行自動(dòng)協(xié)調(diào)平衡的作用，其作用的結(jié)果基本達(dá)到了抽力和阻力的平衡，而不會(huì)影響冷卻水塔的正常經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

為研究逆流閉式礦用冷卻水塔收水器提高收水效率，使用Ansys Fluent 軟件對(duì)不同種類收水器簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比分析模擬結(jié)果。收水器中液滴的游走速度對(duì)比圖如圖3，收水器轉(zhuǎn)向區(qū)內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)比圖如圖4。

圖3 收水器中液滴的游走速度對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagrams of travel velocity of droplets in a water collector

圖4 收水器轉(zhuǎn)向區(qū)內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagrams of setting guide plates in turning area of the water collector

由圖3 可以看出：改良型收水器對(duì)折流板的邊界進(jìn)行鈍化，出氣流游走更加平緩，較少出現(xiàn)高速區(qū)，可以有效改善由于過快氣流造成的再夾帶水滴導(dǎo)致的收水器效率降低問題。

由圖4 可以看出：安裝導(dǎo)流板后可明顯發(fā)現(xiàn)氣流在接觸導(dǎo)流板后出現(xiàn)第1 個(gè)高速區(qū)，所不同的是銳化邊界的收水器模型中安裝的導(dǎo)流板會(huì)導(dǎo)致多個(gè)高速流體區(qū)，一方面使得收水器產(chǎn)生較大的壓降，另一方面也使得收水器中易產(chǎn)生再夾帶；而鈍化邊界的收水器，即使安裝導(dǎo)流板也僅僅出現(xiàn)第1 個(gè)高速區(qū)，而后續(xù)的流體則將會(huì)變得較為平緩，因此液滴在第1 個(gè)高速區(qū)間過程中被大量捕捉，不僅降低了收水器的壓降同時(shí)也提高了收水器的收水效率。

綜上，采用鈍化的邊界代替銳化邊界可以有效降低冷卻水塔的壓降；通道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板可提高收水器收水效率。

1.5 方案仿真及優(yōu)化

逆流閉式礦用冷卻水塔從結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)2 方面考慮，首先分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)冷卻性能的影響，從中選取性能優(yōu)化的變量，建立性能優(yōu)化模型。針對(duì)閉式冷卻裝置中蒸發(fā)冷卻盤管，以盤管的換熱面積作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。通過性能參數(shù)的調(diào)整，一方面旨在降低盤管的設(shè)計(jì)換熱面積，達(dá)到節(jié)省換熱材料降低制造成本的目的；另一方面降低換熱部件的壓降，使用功率更小的風(fēng)機(jī)和水泵，達(dá)到節(jié)電節(jié)水節(jié)能的目的[7]。

逆流閉式礦用冷卻水塔模擬的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)如圖5 和圖6。

圖6 壓力場(chǎng)模擬圖Fig.6 Pressure field simulation diagram

從圖5 中可以看出，在每支管束上側(cè)均形成明顯背風(fēng)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中空氣幾乎不經(jīng)過盤管背面，因此這個(gè)區(qū)域中流體很難被蒸發(fā)。

從圖6 中可以看出，空氣在管束中運(yùn)動(dòng)，會(huì)形成較大的壓降，這個(gè)壓降隨著管束層數(shù)的增加逐漸增加，并且以階梯性的趨勢(shì)遞增；此外，管束的壓力降隨管束之間縱向高度的影響最為明顯，當(dāng)二者之間的距離增加時(shí)，壓降明顯降低。

當(dāng)管徑變大時(shí)，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)不變的前提下，管徑增大導(dǎo)致空氣掠過盤管表面的時(shí)間增加，使噴淋水在塔體內(nèi)的蒸發(fā)量增加，即蒸發(fā)冷卻能力增強(qiáng)，傳質(zhì)系數(shù)提高；與此同時(shí)，由于管徑變大，在循環(huán)冷卻水量和盤管表面積不變的前提下，水的流速減小，使得流體湍流度降低，盤管內(nèi)水與管壁間的換熱能力下降，換熱系數(shù)減小。因此，在對(duì)盤管進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要同時(shí)考慮管徑的變化分別對(duì)傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)的影響，使其在某一范圍內(nèi)達(dá)到最優(yōu)值[8-9]。據(jù)以上2 種模擬仿真對(duì)逆流閉式礦用冷卻水塔進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局。

2 井下試驗(yàn)

工業(yè)試驗(yàn)選擇山西晉城某煤礦，該礦目前有多套煤礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置及空壓機(jī)，目前冷卻方式采用的是直通靜壓水冷卻，空壓機(jī)技術(shù)要求單臺(tái)冷卻水流量為30 m3/h[10]。目前礦井供排水系統(tǒng)負(fù)荷較大，急需解決目前空壓機(jī)冷卻用水量大、換熱器結(jié)垢嚴(yán)重的問題。

為保證逆流閉式礦用冷卻水塔冷卻效果，需要將其布置在通風(fēng)良好風(fēng)量充足的巷道里內(nèi)，使冷卻水塔排出帶有熱量的水蒸氣被巷道內(nèi)風(fēng)流帶走，否則會(huì)導(dǎo)致冷卻水塔周邊溫度及空氣濕度增高影響散熱效果。

安裝調(diào)試后在制氮機(jī)空壓機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)工況下，觀察冷卻水塔的使用效果。對(duì)冷卻水溫度與主機(jī)溫度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，冷卻水溫度與主機(jī)溫度關(guān)系如圖7。

圖7 冷卻水溫度與主機(jī)溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between cooling water temperature and host temperature

為準(zhǔn)確計(jì)算冷卻水塔耗水量，每隔1 h 人工對(duì)冷卻水塔集水槽進(jìn)行補(bǔ)水，在8 h 內(nèi)補(bǔ)水量總計(jì)為5.3 m3。經(jīng)每日3 班多日測(cè)試，實(shí)際日補(bǔ)水量平均值在15 m3左右。補(bǔ)水量隨時(shí)間變化圖如圖8。

圖8 補(bǔ)水量隨時(shí)間變化圖Fig.8 Diagram of water replenishment amount over time

在試驗(yàn)中逆流閉式礦用冷卻水塔對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行行冷卻連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1 個(gè)月期間，各設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。冷卻效果達(dá)到預(yù)期，冷卻塔設(shè)計(jì)流量40 t/h，冷卻水熱平衡溫度穩(wěn)定在35 ℃左右。噴淋冷卻水消耗量為0.66 m3/h。原有直通靜壓水冷卻每小時(shí)耗水約30 m3/h，日耗水約720 m3。因此新型冷卻裝置的使用每日可節(jié)水約700 t。因采用了封閉式冷卻水循環(huán)，并對(duì)冷卻水進(jìn)行了軟化延緩了結(jié)垢速度，目前冷卻器內(nèi)無明顯結(jié)垢。閉式冷卻循環(huán)內(nèi)幾乎無冷卻水損耗，在使用時(shí)定期觀察冷卻水水位如有損耗進(jìn)行少量補(bǔ)充即可[9-10]。

3 結(jié) 語

將逆流閉式換熱原理礦用冷卻水塔引入煤礦井下，可有效解決煤礦井下高發(fā)熱量設(shè)備冷卻過程耗水量大、井下供排水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)沉重、設(shè)備換熱器易結(jié)垢壽命短的技術(shù)難題；實(shí)現(xiàn)了煤礦井下適用范圍廣、低消耗、高效率的冷卻方式，可為煤礦井下空壓機(jī)、液壓、泵送系統(tǒng)的冷卻提供技術(shù)保障。