热泵与矿井回风余热回收装置耦合系统的研究

摘要

目前,随着能源消耗日益凸显,环境污染越来越严重,节约能耗成为全世界关注的焦点,开发绿色、环保的新能源已成为各国研究的重点,废热资源回收和利用人们越来越重视。煤矿行业就是耗能大户,同时也是污染比较严重的行业。煤矿地面建筑物行政办公楼、福利建筑、选煤厂等的冬季供暖、职工全年洗浴热水和井筒防冻的热量由传统锅炉来提供,每年煤矿行业需消耗大量的煤炭,同时给环境造成污染。因此,降低煤矿企业的耗能,对实现全球的节约能耗工作具有重大意义。煤矿企业在耗能的同时,产生大量的废热,其中矿井回风就是很重要的资源。煤矿生产过程中,井下开采煤矿经常采用抽出式通风方式,一般立井垂深比较深,通风线路比较长,井下岩石、机电设备产生大量的废热,排出来的回风温度比较高（一般都在13～30℃以上）,湿度比较大,（一般都在90％以上）。一般情况下,矿井总回风的温度和湿度全年几乎不变,其中蕴藏大量的低温热能。本文采用热泵技术结合矿井回风热能提取装置,消耗少量的电能,大量利用矿井回风中的热能,可以实现矿井回风低位热能向高温热能的转化,供应煤矿企业地面建筑采暖、职工洗浴和井筒防冻用热的需要,取代传统锅炉房,节约煤炭的消耗量,减少环境的污染。因此,回收矿井回风中的热能与热泵技术的结合具有广泛的推广前景。
　　 在整个矿井回风源热泵系统中,矿井回风热能提取装置与水源热泵的能量转换直接影响整个系统的运行效果。因此本文重点研究针对煤矿企业研制的水源热泵机组和矿井回风热能提取装置－高效回风换热器,针对水源热泵几个大部件展开,包括冷凝器、蒸发器、压缩机和节流装置的设计计算,设备的选取,最后对研制的样品的进行试验,记录试验参数,分析矿井回风换热器的影响换热的因素,换热器的理论计算,并以工程实例为参考。本文通过以河南平顶山三矿为工程实例,对矿井回风源热泵系统进行现场测试,记录水源热泵机组历年冬季和夏季的热水进口、热水出口、冷水进口、冷水出口温度的变化数据,对矿井回风换热器进行测试,记录矿井回风换热入口温度,排出口的温度,经过换热后内侧和外侧循环水的温度变化,计算提取换热量,与理论的计算对比,验证矿井回风源热泵系统研制的正确性。最后进行经济性分析。
　　 通过以上论述,证明回收矿井回风中的热能与热泵技术相结合的系统明显优于制冷机组+锅炉房系统。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 热泵的发展历史

1．2．1 热泵技术国外的发展

1．2．2 热泵技术国内的发展

1 ．3 国内外冷热源耦合热泵技术研究现状

1．3．1 热泵冷热源的研究现状

1．3．2 矿井回风—热泵技术研究

1．4 研究内容及创新点

1．4．1 本课题研究的主要内容

1．4．2 本课题研究的创新点

1．5 研究方法和技术路线

1．6 本章小结

第2章 水源热泵回收矿井回风余热理论分析

2．1 矿井回风源热泵工作原理

2．2 矿井回风能量采集系统

2．2．1 矿井通风类型

2．2．2 主扇风机分类

2．2．3 煤矿矿井回风扩散器

2．3 煤矿矿井回风热能提取原理

2．3．1 喷水室热质交换原理

2．3．2 矿井回风与水直接接触热湿交换

2．3．3 喷水室热交换影响因素

2．4 水源热泵机房组成

2．5 末端循环系统

2．5．1 风机盘管(Fan Coil Unit—FCU)

2．5．2 井口防冻散热器

2．5．3 洗浴热水末端系统

2．6 热泵机组系统

2．6．1 热泵机组的组成

2．6．2 热泵机组工作原理

2．7 本章小结

第3章 矿井回风源热泵系统理论计算研究

3．1 水源热泵机组的研制与设计

3．1．1 研制的要求

3．1．2 研制的依据

3．1．3 理论计算

3．1．4 热泵机组设备选型

3．1．5 热泵机组控制和保护设计

3．1．6 热泵机组的组合性能参数

3．1．7 热泵机组性能试验

3．2 矿井回风换热器的研制与设计

3．2．1 回风换热器研制的要求及技术关键

3．2．2 煤矿矿井排风的特点

3．2．3 矿井回风换热器的工作原理

3．2．4 矿回风换热器气-水交换方式

3．2．5 矿井回风换热器传热机理

3．2．6 喷水室的热工计算

3．2．7 回风换热器设计

3．2．8 回风换热器性能参数

3．3 井口加热器的研制与设计

3．3．1 研制要求

3．3．2 井筒防冻散热器原理与设计

3．4 矿井回风源热泵机房系统

3．5 本章小结

第4章 矿井回风源热泵系统运行特性分析

4．1 热泵机组实际项目运行工况分析

4．1．1 冬季热泵机组的正常运行工况分析

4．1．2 夏季热泵机组的正常运行工况分析

4．2 高效回风换热器实际运行工况分析

4．2．1 夏季回风换热的正常运行工况

4．2．2 冬季回风换热的正常运行工况

4．3 井口加热器运行工况

4．4 本章小结

第5章 矿井回风源热泵系统的工程经济分析

5．1 工程概况

5．2 工程总投资

5．3 矿井回风源热泵运行费用分析

5．4 传统锅炉房+制冷机房的总投资

5．5 传统锅炉房+制冷机房的运行费用分析

5．6 节省能耗分析

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文