利用热泵系统回收矿井排风余热的研究

摘要

在煤矿系统的生产过程中，伴随着矿井的通风系统的运行，矿井排风中携带了大量来自地下的热能，同时矿井排风具有温湿度常年处于稳定的特性，这种潜在优质低温热源在煤矿生产过程中却往往被忽略，从而被直接排向大气中，因此他的利用是矿井生产过程中的重要节能环节。
　　结合矿井实际情况，使用排风换热器联合水源热泵系统回收矿井排风中的余热，对矿井现场建筑进行供暖，以及为进风井口房防冻提供所需热量。首先通过计算，对煤矿在不同室外温度情况下的热泵机组开启情况作了分析。通过现场勘测，利用排风中的热量，为热泵机组提供热源。矿井建筑最大热负荷为3686kW，根据热泵机组COP推算得出换热器中，进出口水温温差为6K、回风温差为11K，此时换热量可满足要求。在排风系统中加入排风换热器，为了研究换热效果，本文采用了数值模拟计算和现场试验测试两种方法对换热器的换热效果进行研究。通过对管式换热器和喷淋式换热器中相应的流体传质传热过程的数值模拟，得出了管式换热器中空气温度分布图、速度分布图以及喷淋换热器不同条件下的液滴分布图，对比分析得到合适的换热器形式。针对不同翅片管式换热器形式下，分别进行模拟对比研究，得出叉排形式的换热器优于顺排，但两者换热效果均不明显。对于喷淋式换热器，在不同进口风速、喷淋液滴直径以及换热器的不同喷淋高度下，模拟得出各个因素对整个系统换热效果的影响。最后通过现场实测，与模拟结果对比，验证了模拟结果的可靠性。本文还对换热器联合水源泵系统的经济性做了分析，得出该系统的回收年限为6年，从经济上说明了使用合适的换热器回收矿井余热的可行性。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容、研究目标及技术路线

1.4 本章小结

2 矿井排风换热装置的工作原理

2.1 矿井余热利用中几种常用的热交换装置

2.2 水源热泵机组

2.3 余热利用途径

2.4 矿井排风余热回收系统的工作原理

2.5 本章小结

3 排风换热器数值理论分析

3.1 计算流体动力学及 Ansys Fluent 介绍

3.2 DPM模型

3.3 液滴与矿井排风之间双向耦合

3.4 本章小结

4 矿井热泵系统的设计和排风换热器仿真模拟研究

4.1 矿井水源热泵系统的设计

4.2 翅片管式换热器模拟

4.3 喷淋式换热器模拟

4.4 喷淋式换热器现场实测

4.5 本章小结

5 热回收系统经济性分析

5.1 节能分析

5.2 费用分析

5.3 本章小结

6 总结

参考文献

致谢