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分形液滴群与矿井排风流热湿能量不可逆传递过程

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分形液滴群与矿井排风流热湿能量不可逆传递过程

作者：樊思雨湖南科技大学

学位级别：硕士

在矿井开采的地下通风系统中,由于地热的作用,其排风状态参数基本恒定在湿度90%、温度25℃左右,其中蕴藏了大量低品位能量,直接排放入大气造成了无形的资源浪费及粉尘污染等环境问题。通过热泵技术提升品位而回收矿井排风中低品位能量,... 详细信息

在矿井开采的地下通风系统中,由于地热的作用,其排风状态参数基本恒定在湿度90%、温度25℃左右,其中蕴藏了大量低品位能量,直接排放入大气造成了无形的资源浪费及粉尘污染等环境问题。通过热泵技术提升品位而回收矿井排风中低品位能量,可以供给矿区用热,减少碳排放及大气污染。在现有的矿井排风热回收技术中,通常采用主通风机扩散塔内排风流与水直接接触式换热,低成本提取能量,同时兼有除尘作用。目前,液滴群运移与热湿传递耦合作用等相关基础研究明显滞后,对湿传递、不可逆传递过程的形成机理研究不足,难以满足指导装置实现能量高效提取的需要,故有必要深入研究液滴群与矿井排风流热湿能量不可逆传递过程的理论问题。首先针对矿井排风热湿能量提取装置内换热载体——液滴群的粒径分布表征问题,引入分形理论,推导了液滴群累积体积占比和液滴粒径的标度关系式,其特征参数为分形维数。进一步开展了非受限空间雾化试验,测定了三种压力型喷嘴的沿程液滴群粒径分布,揭示了液滴群粒径分布的自相似性,其分形维数在1.5～3之间。喷嘴供水压力增加,液滴群平均直径减小,分形维数增大。同时,明确了低速湍流对雾化区的气水耦合的强化效应,其最佳速度范围为1.5～4.5 m/s。进一步,引入分散相分数表征液滴群体作用力,构建了受限空间内液滴群运动数学模型。然后,采用四阶-五阶Runge-Kutta算法对其进行迭代运算,结果表明:液滴群体作用对每个单一液滴形成了一种阻力对抗力,使得液滴在其运移方向上运移速度衰减变慢,运移距离增加,故将其定义为类润滑作用。类润滑作用随着液滴直径的增大而增强,当D=300μm时,最大运移距离增加0.167 m,增幅为53.53%;当D=900μm时,最大运移距离增加1.809 m,增幅可达143.32%。最后,基于液滴群粒径分布及其流动特性,构建了高湿空气与低温液滴群的NTU-Le数学模型、Entransy分析模型,开展了受限空间热湿能量传递试验。结果表明:在高湿空气—液滴群热湿传递过程中,当水气比大于0.2时,NTU大于0.1,高湿空气进行减湿冷却,最高温度减少6.3℃,含湿量降低3.12 g/kg。在高湿空气的减湿冷却过程中,Le皆偏离于1,Le与其Entransy耗散热阻呈正比关系。当Le逼近于1,Entransy耗散热阻逼近于0。在工程应用中,为避免风速过大,液滴群发生超细雾化造成隐形水损失,水气比应大于0.2,风速不大于4 m/s。开展分形液滴群与矿井排风流热湿能量不可逆传递过程理论研究,解决了液滴群时空分布表征和不可逆热湿传递方面的科学问题,丰富了现有理论,进一步为解决矿区冬季井筒防冻耗能与直排能量浪费之间的剪刀差问题,提供了技术手段,优化了矿区的生产结构和能源结构,实现了矿区节能减排,并助力实现碳中和。

关键词：矿井排风热湿能量液滴群分形理论 Entransy耗散理论

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利用热泵系统回收矿井排风余热的研究

利用热泵系统回收矿井排风余热的研究

作者：张振涛西安建筑科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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3686 kW,根据热泵机组COP推算得出换热器中,进出口水温温差为6 K、回风温差为11 K,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。

关键词：矿井排风热泵余热回收换热器数值模拟

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矿井排风余热喷淋换热效率分析与计算

矿业工程研究 2021年第4期36卷 74-78页

作者：田峰王海桥方璐绮樊思雨蒋加川刘锐鸿湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学土木工程学院湖南湘潭411201 深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿广东韶关512300

针对矿井排风余热提取中的喷淋换热,其效率取值尚未见行业标准给予规定,是空白点.基于此,利用湿空气"火积"理论,推导出风侧喷淋换热前后湿空气"火积"及换热效率计算公式;以长沙市作为湿空气"火积"的逐时状态参考点,基于实验数据确定出... 详细信息

针对矿井排风余热提取中的喷淋换热,其效率取值尚未见行业标准给予规定,是空白点.基于此,利用湿空气"火积"理论,推导出风侧喷淋换热前后湿空气"火积"及换热效率计算公式;以长沙市作为湿空气"火积"的逐时状态参考点,基于实验数据确定出空气侧的始末状态,利用所得的换热效率计算公式,量化了大气干球温度及含湿量对换热效率的影响,掌握了喷淋过程中换热效率数值的变化规律;最终,提出风侧换热效率可定为60%.所得结论,是直接喷淋式矿井排风能量提取及其预评估的重要参考依据.

关键词：矿井排风余热喷淋换热换热效率 “火积”

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利用水源热泵全面回收矿井排风中的余热资源

建筑节能 2010年第12期38卷 8-9,18页

作者：姬洵孙潇权犇刁乃仁山东建筑大学热能工程学院济南250101 东华大学上海201620 山东同圆设计集团有限公司第四建筑设计分院济南250101

提出了一种合理实用的矿井排风余热回收方式,即在回风扩散塔旁边新建一座横向通风面积较大、形似"空气喷淋室"的空气处理室,利用矿井原有的排风机将矿井排风全部导入空气处理室内,矿井排风以2.5～3 m/s的风速平稳地流过空气处理室内的... 详细信息

提出了一种合理实用的矿井排风余热回收方式,即在回风扩散塔旁边新建一座横向通风面积较大、形似"空气喷淋室"的空气处理室,利用矿井原有的排风机将矿井排风全部导入空气处理室内,矿井排风以2.5～3 m/s的风速平稳地流过空气处理室内的气水换热空间,利用水源热泵机组的蒸发器所提供的低温水通过三级高密度水幕对矿井排风进行逆向喷淋,最大限度地全面回收矿井排风中的余热。

关键词：矿井排风余热资源水源热泵

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矿井余热资源利用技术

煤矿安全 2014年第9期45卷 68-71页

作者：段泽敏马素霞郭千中太原理工大学电气与动力工程学院山西太原030024 晋煤集团寺河矿山西晋城048000

通过对晋城无烟煤集团下属寺河煤矿矿区实地调研,分析了寺河矿热源特点,计算了各资源余热量,并提出了综合矿井余热利用系统。研究表明：采用三级喷淋水除尘吸热后,矿井排风余热利用率为40%~50%;以R134a为冷剂工质,以矿井排水、生活废水... 详细信息

通过对晋城无烟煤集团下属寺河煤矿矿区实地调研,分析了寺河矿热源特点,计算了各资源余热量,并提出了综合矿井余热利用系统。研究表明：采用三级喷淋水除尘吸热后,矿井排风余热利用率为40%~50%;以R134a为冷剂工质,以矿井排水、生活废水和矿井乏风换热后的喷淋水的混合水为低温热源的矿井水源热泵的COP可达4.07;喷淋室出口的矿井乏风可作为空气源热泵的低温热源;该矿井余热资源能够替代3台10 t/h燃煤热水锅炉的热量,显著减少燃煤污染物排放。

关键词：余热利用矿井水源热泵多级喷淋室矿井排水矿井排风补充热源

湿式疏水纤维栅强化排风流热湿传递过程模型与实验

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煤炭学报 2024年

作者：巫升祥陈世强邓欢黄敏华郭渊昊吴志荣蒋加川湖南科技大学土木工程学院湖南科技大学资源环境与安全工程学院桂林航天工业学院能源与建筑环境学院凡口铅锌矿建筑材料厂

如何逼近排风流热湿能量提取的极限，是矿井低品位余热回收技术的难题，关键是探索强化气液间热湿传递的新途径。针对喷淋式矿井排风流热回收装置，建立基于传质单元数(NTUm)-刘易斯数(Le)的气液串联热湿传递理论模型，开展喷雾耦合纤... 详细信息

如何逼近排风流热湿能量提取的极限，是矿井低品位余热回收技术的难题，关键是探索强化气液间热湿传递的新途径。针对喷淋式矿井排风流热回收装置，建立基于传质单元数(NTUm)-刘易斯数(Le)的气液串联热湿传递理论模型，开展喷雾耦合纤维栅气液热质交换实验，引入无量纲间距比，量化几何尺寸与水气比对气液热湿传递的影响。运用火积耗散理论，求解理论模型，探寻纤维栅强化气液间热湿传递的内在机理。结果表明：以火积耗散最小为传递过程优化目标，Le与火积耗散热阻成正相关，Le趋近于1，火积耗散热阻越小，提取热量越多，强化热湿传递过程。具体为，当纤维栅间距比为8、水气比为0.73时，NTUm随水气比增长越显著，风温最高降低8.1 ℃，相较于空腔状态下温降提高2 ℃，焓降值达到17.62 kJ/kg。再者，间距比越大，水膜更新频率快，增加气液接触次数，降温幅度越高，空气侧传热效率达到33%，水侧加热效率呈现上升趋势，热湿交换更趋完善；间距比越小，纤维填充率高，纤维栅持液量增加，水侧加热效率提高显著，但是，空气侧传热效率较低，热湿交换远离极限。所得结论，揭示纤维栅强化热湿能量提取的机理，指导纤维栅几何参数优选，实现高效提取特定水气比范围内排风流余热资源，推动绿色矿山建设。

关键词：矿井排风纤维栅热湿传递传质单元数火积耗散热阻

热泵技术在矿井余热回收中的应用现状及发展方向

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区域供热 2023年第1期 102-108页

作者：任千悦贾捷田琦太原理工大学土木工程学院山西太原030024

煤炭是我国的主体能源,其开采伴随产生大量低温余热,利用热泵技术对余热资源进行回收,并用于矿井新风加热、建筑供热等场合,可有效降低能源消耗和碳排放,具有突出的社会及经济效益。在各类矿井余热中,矿井排风和矿井水是主要的低温热源... 详细信息

煤炭是我国的主体能源,其开采伴随产生大量低温余热,利用热泵技术对余热资源进行回收,并用于矿井新风加热、建筑供热等场合,可有效降低能源消耗和碳排放,具有突出的社会及经济效益。在各类矿井余热中,矿井排风和矿井水是主要的低温热源。本文结合工程实例,对热泵技术在上述余热回收中的应用进行了综述,阐明了不同系统的运行原理及特点,并在此基础上讨论了热泵技术应用于矿井余热回收的可行性。最后,指出了当前热泵余热利用系统普遍存在的问题,并对其未来发展做了展望。本文可为热泵技术在矿井中的应用提供有益参考。

关键词：余热利用矿井排风矿井水热泵技术