喷淋式矿井回风余热回收系统及除冰方法、余热交换方法

技术领域

本申请涉余热回收技术领域，尤其涉及一种喷淋式矿井回风余热回收系统及除冰方法、余热交换方法。

背景技术

煤矿工业广场的地面建筑(例如：办公楼、生产系统、职工宿舍、食堂等)的供暖、井筒防冻及职工浴室洗澡热水等都需要消耗大量的热能，传统做法是通过燃煤锅炉提供热源以满足上述要求。这样，不仅消耗大量煤炭，而且煤炭燃烧时排放大量污染物极易造成环境污染。在煤矿生产过程中，矿井回风蕴含着非常丰富的余热资源，而且回风气流温度、湿度全年处于基本稳定的状态，是一种非常优质的低温热源。在煤矿生产过程往往被直接排向大气中从而被白白浪费，现有技术通常应用热泵技术和空气喷淋技术的结合，对矿井回风中的低温热能进行回收利用，为井口加热器、采暖末端散热器或洗浴热水换热器使用。

现有的现有喷淋式回风换热系统，一般只能将回风温度降至5度或者更高，不能够降至到0度以下，导致回风中仍然有大量热能未能回收利用。

发明

有鉴于此，本申请提出了一种喷淋式矿井回风余热回收系统及除冰方法、余热交换方法，能够提高整体的换热效率。

本申请的喷淋式矿井回风余热回收系统，包括：回风扩散塔、喷淋水管、集水池、喷淋水泵、蒸发侧换热器、机械除冰装置、过滤除冰装置和用热单元；所述回风扩散塔的进风口适用于连通矿井的回风源，所述扩散塔的底部设置有汇水池，顶部开设有出风口，所述出风口上连通有喷淋水管；所述汇水池、所述集水池、所述喷淋水泵、所述蒸发侧换热器和过所述滤除冰装置依次连通；所述用热单元与蒸发侧换热器换热连接；且所述机械除冰装置设置在所述蒸发侧换热器的蒸发换热管外部，去除所述蒸发换热管的外部结霜；所述余热回收系统的工质为防冻液。

在一种可能实现的方式中，所述机械除冰装置包括：固定支架、丝杆步进电机和刮刀；所述丝杆步进电机通过所述固定支架设置在所述蒸发侧换热器的外部；所述丝杆步进电机的螺杆穿过所述蒸发侧换热器的壳体至所述蒸发侧换热器的内部，且所述螺杆与每个所述蒸发换热管相平行；所述刮刀的一端设有与所述螺杆相啮合的螺母，所述刮刀与所述螺杆转动连接，能够相对所述螺杆的长度方向移动，且所述刮刀上开设有与所述蒸发换热管相适配的通孔；所述通孔套设在所述蒸发换热管的外部，与所述蒸发换热管相贴服。

在一种可能实现的方式中，所述螺杆的自由端延伸至所述蒸发换热器的内部侧壁。

在一种可能实现的方式中，所述螺杆设置在所述蒸发换热管的同一侧，且所述刮刀延伸至每个所述蒸发换热管的外部。

在一种可能实现的方式中，所述蒸发换热管的数量为多个，且多个所述蒸发换热管并排、等间隔设置；所述刮刀与多个所述蒸发换热管并排设置；所述通孔的开设数量与所述蒸发换热管的数量相适配，且所述通孔与所述蒸发换热管一一对应。

在一种可能实现的方式中，所述过滤除冰装置两端分别开设有进水口和出水口，所述进水口与所述蒸发侧换热器的输出端连接，所述出水口与所述喷淋水管连接；且所述过滤除冰装置的内部设置有过滤网，所述过滤网设置在所述进水口与所述出水口之间，分隔所述进水口与所述出水口；所述过滤除冰装置的输入端和输出端均连通设置有切换阀。

在一种可能实现的方式中，所述进水口开设在所述过滤除冰装置的上部，所述出水口开设在所述过滤除冰装置的底部；所述过滤除冰装置的顶部开设有取冰孔，所述取冰孔上设置有相适配的上盖。

在一种可能实现的方式中，所述过滤除冰装置的数量至少为两个，两个所述过滤除冰装置并联连接；所述蒸发侧换热器的数量至少为两个，两个所述蒸发侧换热器并联连接。

在一种可能实现的方式中，所述用热单元与所述蒸发侧换热器之间连通设置有循环泵；所述用热单元至少包括井口加热器、采暖末端散热器和洗浴热水换热器中的一个或多个。

一种喷淋式矿井回风余热回收系统的除冰方法，通过以上的喷淋式矿井回风余热回收系统，包括以下步骤：

所述丝杆步进电机开启，且所述丝杆步进电机的输出端带动所述螺杆转动；

所述刮刀的一端与所述螺杆相啮合，能够随所述螺杆的转动沿所述螺杆的长度方向上下移动；

所述刮刀的另一端套设在所述蒸发换热管的外部，随所述螺杆的转动，沿所述蒸发换热管的长度方向移动，从而除去所述蒸发换热管外壁上的结霜。

一种喷淋式矿井回风余热回收方法，通过以上的一种除冰方法；

所述喷淋水泵为所述喷淋式矿井回风余热回收系统提供动力；

所述喷淋水管通喷洒所述工质至所述回风扩散塔内；

所述工质在回风扩散塔内适用于与换有热量的回风进行热量交换；

换热后的所述工质依次流经所述汇水池、所述集水池和所述喷淋水泵至所述蒸发侧换热器；

所述蒸发换热管与所述用热单元连通，且所述蒸发换热器内的工质与所述蒸发换热管内工质进行热量交换，所述机械除冰装置能去所述蒸发换热管外壁上的结霜；

所述蒸发侧换热器内的工质与结霜形成的冰粒，流经至所述过滤除冰装置内，所述过滤除冰装置内部设有的所述过滤网分隔所述冰粒，并通过所述过滤除冰装置顶部开设的取冰孔取出所述冰粒；

去除所述冰粒的所述工质流经至所述喷淋水管进行喷洒，并与所述回风扩散塔内的回风进行下一次的热量交换。

本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的有益效果：使用冰点更低的防冻液为工质，替代传统的使用水，在回风余热换热系统中，可以将回风的温度降至零下20度甚至更低，回收回风中的大量显热和水汽凝结的潜热，实现极限回收矿井回风热量。不仅如此，在蒸发侧换热器的蒸发换热管外部设置有刮刀，能够刮去蒸发换热管外部的结霜，避免结霜影响蒸发侧换热器与用热单元之间的换热效率。在蒸发侧换热器与回风扩散塔之间设置有能够去除工质中冰粒的过滤除冰装置，将工质为防冻液中的冰粒取出，避免冰粒在经过回风扩散塔融化时，影响工质的浓度。如此设置，使用冰点更低的防冻液为换热工质，能够与回风扩散塔内的回风气流均匀混合并充分交换热量，过低的温度会使蒸发侧换热器的蒸发换热管结霜影响换热效率，因此增加的机械除冰装置能够除去蒸发换热管上的结霜，在蒸发侧换热器的输出端设置有过滤除冰装置，取出工质中结霜形成的冰粒，避免防冻液的浓度降低，提升整体的换热效率。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本申请的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本申请的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本申请的原理。

图1示出本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的工质流通示意图；

图2示出本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的蒸发侧换热器和机械除冰装置的主体结构剖视示意图；

图3示出本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的过滤除冰装置的主体结构剖视示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本申请的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

其中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本申请，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本申请的主旨。

图1示出本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的工质流通示意图。如图1所示，本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统包括：回风扩散塔100、喷淋水管700、集水池200、喷淋水泵300、蒸发侧换热器500、机械除冰装置1000、过滤除冰装置600和用热单元900。其中，回风扩散塔100、喷淋水管700、集水池200、喷淋水泵300和蒸发侧换热器500依次连接，且蒸发侧换热器500与用热单元900换热连接，形成回风余热回收系统的基本框架。本回风余热回收系统使用的工质为防冻液，相较于传统使用的水，防冻液的冰点更低，能够换取回风中的热量更多，提升回风余热回收系统的整体换热效率。然而，在回风扩散塔100内不可避免的带有地井中还有液体的回风，回风中的液体在回风扩散塔100内与温度较低的防冻液混合时，会形成冷凝水滴落在回风扩散塔100底部的汇水池110内，在蒸发侧换热器500的蒸发换热管510外部结霜，影响蒸发侧换热器500与用热单元900之间热量交换，因此在蒸发换热管510的外部设置机械除冰装置1000，能够去除蒸发换热发外部的结霜，提升蒸发侧换热器500与用热单元900之间的换热效率。去除的结霜形成冰粒随工质继续流动，从而会降低防冻液的浓度，因此在蒸发侧换热器500的输出端连接设置有过滤除冰装置600，去除工质中的冰粒，避免降低防冻液的浓度，影响防冻液与回风的换热效率。

在一具体实施例中，防冻液为乙二醇水溶液或氯化钙水溶液。其中，乙二醇水溶液的冰点温度为-11.5℃，氯化钙水溶液的冰点温度为-54.9度，根据工质溶液浓度的不同，调节工质的冰点温度在-10度～-30度左右，远低于水的冰点温度。如此，在工质为乙二醇水溶液或氯化钙水溶液时，工质能够换取回风中更多的热量，实现极限回收矿井回风热量。

在一具体实施例中，防冻液的浓度相较于水的浓度更高，在流动过程中，会受到较大的阻力，不便于换热和流通。在集水池200与蒸发侧换热器500之间连通设置有喷淋水泵300进行增压，使浓度较高的防冻液能够在回收余热系统中畅通的流动。具体的，增加的喷淋水泵300为喷淋水管700提供动力，使工质在流通到喷淋水管700的位置时，能够顺利的从喷淋水管700的喷头上喷出。

在一具体实施例中，在回风扩散塔100形成的冷凝水中，夹杂着杂质，影响蒸发侧换热器500与用热单元900之间的热量交换。因此，在喷淋水泵300与蒸发侧换热器500之间设置有水处理装置400，用于清除工质中的杂质，避免工质的浓度受到影响。当工质的纯净度更高时，蒸发侧换热器500与用热单元900之间的换热效率也会更高。

在一具体实施例中，图2示出本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的蒸发侧换热器500和机械除冰装置1000的主体结构剖视示意图，如图2所示，机械除冰装置1000用于去除蒸发侧换热器500的蒸发换热管510外部的结霜，提高蒸发换热管510内的工质与流经回风扩散塔100内的工质热量交换效率。其中，机械除冰装置1000包括固定支架1020、丝杆步进电机1010和刮刀1030，丝杆步进电机1010通过固定支架1020设置在蒸发侧换热器500的外部，丝杆步进电机1010的螺杆1040一端与丝杆步进电机1010的输出端连接，另一端穿过蒸发侧换热器500的壳体进入蒸发侧换热器500的内部，与各个蒸发换热管510相平行。刮刀1030的一端设置有与螺杆1040相啮合的螺母，能够啮合设置在螺杆1040上相对螺杆1040的长度方向来回移动，刮刀1030的临近蒸发换热管510的一侧开设有与蒸发换热管510相适配的通孔，能够套设在蒸发换热管510的外部，与蒸发换热管510的管壁相贴服，且稍大于蒸发换热管510的管壁。当丝杆步进电机1010启动时，丝杆步进电机1010的输出端带动螺杆1040转动，由于螺杆1040与刮刀1030的一端相啮合，使刮刀1030能够相对螺杆1040的长度方向上下移动，从而去除蒸发换热管510管壁上的结霜。

其中，需要说明的是，蒸发换热管510为柱状结构，通孔为圆形孔与蒸发换热管相适配，却通孔的直径稍大于蒸发换热管510的直径，便于刮刀1030在除去结霜的过程，减小阻力。此外，在机械除冰装置的1000的安装过程中，先将固定支架1020焊接在蒸发侧换热器500外部的顶端，且位于蒸发侧换热器500的输入端，丝杆步进电机1010固定在固定支架1020上，螺杆1040的一端与丝杆步进电机1010的输出端连接，另一端穿过蒸发侧换热器500的壳体顶端，当螺杆1040进入蒸发侧换热器500的一部分时，将刮刀1030设有螺母的一端，穿过螺杆1040啮合连接。最后，蒸发换热管510从蒸发侧换热器500的底端穿进蒸发侧换热器500内部，并穿过刮刀1030上一一对应的通孔，再穿过蒸发侧换热器500的壳体顶端与用热单元900的输出端连通。

其中，蒸发侧换热器500为中空的方型结构，正对的两端开设有换热工质进口和换热工质出口。含有热量的换热工质从换热工质进口进入蒸发侧换热器500的内部，与蒸发换热管510内的工质进行热量交换，热量交换后的换热工质从换热工质出口排出蒸发侧换热器500。

进一步，在此具体实施例中，蒸发侧换热器500内设置有多个蒸发换热管510，多个蒸发换热管510并排设置且竖直蒸发侧换热器500的内部，增加蒸发换热管510与工质的接触面积，提升用热单元900与蒸发侧换热器500之间的换热效率。此外，蒸发换热管510的两端穿过蒸发侧换热器500的壳体的顶端和底端，蒸发换热管510的一端穿过蒸发侧换热器500的顶端与用热单元900的输出端连接，蒸发换热管510的另一端穿过蒸发侧换热器的底端与用热单元900入单元连接，当用热单元900的内的换热工质从蒸发侧换热器500的外部通过连通的蒸发换热管510，进入蒸发侧换热器500的内部与蒸发侧换热器500内部的换热工质进行热量交换，交换后的工质从蒸发换热管510的底端流经至换热侧换热器500的外部至用热单元900的输入端。

其中，需要说明的是，当多个蒸发换热管510交错且竖直设置，布满在蒸发侧换热器500的内部时，在机械除冰装置上设置有能够连接多个刮刀1030的连接板，连接板能够同时连接多个刮刀1030，取出多排蒸发换热管510外壁的结霜。具体的，连接板的一端设置有能够与螺杆1040啮合连接的螺母，当螺杆1040随丝杆步进电机1010的开启而转动时，连接板能够随丝杆1040的转动而上下移动，此时的连接板设置的多个刮刀1030能够取出多排蒸发换热管外部的结霜。

其中，任意两个相邻的蒸发换热管510之间的预设距离在2cm左右，保证换热工质能够从相邻蒸发换热管之间留有的间隙流通。

更进一步的，在此具体实施例中，丝杆步进电机1010的螺杆1040与多个蒸发换热管510相平行，且螺杆1040与每个蒸发换热管510并排设置。如此，刮刀1030在随螺杆1040的转动而上下移动时，能够去除每个蒸发换热管510外部的结霜。

其中，刮刀1030上开设的通孔数量与蒸发换热管510的数量相同，且刮刀1030上通孔开设的位置与蒸发换热管510一一对应，便于去除每个蒸发换热管510外部的结霜。

其中，丝杆步进电机1010的螺杆1040位于所有的蒸发换热管510的同一侧，当刮刀1030随螺杆1040的转动而上下移动时，便于刮去蒸发换热管510上的结霜，提升蒸发侧换热器500内部的空间率。

在一具体实施例中，如图1所示，过滤除冰装置600设置在蒸发侧换热器500与喷淋水管700之间，用于除去工质中结霜而形成的冰粒，避免冰粒影响防冻液的浓度。具体的，图3示出本申请实施例的喷淋式矿井回风余热回收系统的过滤除冰装置600的主体结构剖视示意图，如图3所示，过滤除冰装置600的整体为中空的柱状结构，两端开口，一端为进水口650与蒸发侧换热器500的输出端连通，另一端为出水口660与喷淋水管700连通。在过滤除冰装置600的内部设置有过滤网630，过滤网630为能过通过工质的网状结构，且过滤网630设置在进水口650与出水口660之间，将过滤除冰装置600的进水口650与出水口660分隔，并将过滤除冰装置600的内部分隔为过滤装置上腔640和过滤装置下腔670两部分，进水口650开设在过滤装置上腔640，出水口660开设过滤装置下腔670。

其中，需要说明的是，进水口650与出水口660的截面直径相同，且柱状结构的过滤除冰装置600的截面面积为进水口650的截面面积的3-4倍。如此，在携带有冰粒的换热工质在流经进水口650时，会减缓流动的速度，避免速度过快击碎冰粒，使体积较小的冰粒从过滤我那个630上开设的孔洞内穿过。

其中，过滤网630上开设的孔洞直径为0.8cm-1cm，且过滤网630为不锈钢材质。

具体的，当蒸发侧换热器500内的工质伴随结霜形成的冰粒，一同通过过滤装置上腔640开设的进水口650，进入过滤装置上腔640的内部，由于在过滤装置上腔640和过滤装置下腔670之间设置有过滤网630，工质中伴随着的冰粒无法进入过滤装置下腔670内，只能停留在过滤装置上腔640。如此，工质中的冰粒不会随着工质通过喷淋水管700排放在回风扩散塔100内部，避免冰粒在回风扩散塔100内融化成水滴稀释防冻液的浓度。

进一步的，在此具体实施例中，在过滤装置上腔640的顶部开设有取冰孔，取冰孔与过滤装置上腔640相连通，用于取出过滤装置上腔640内部的冰

粒，也可以从取冰孔内添加防冻液，提升工质的浓度。此外，在取冰孔上设5置有适配的上盖620，在取冰或者添加防冻液后，关闭上盖620进行密封，保证系统内部的密封性，使防冻液能够顺利的在回风余热回收系统内流通。具体的，过滤除冰装置600的顶端水平延伸有凸台，上盖620与过滤除冰装置600相适配，为圆形的盖板，上盖620的一端设置有铰链，与过滤除冰装置600顶

端延伸的凸台转动连接，上盖620的相对端设置有法兰孔，通过螺栓与过滤0除冰装置600延伸的凸台法兰连接。

更进一步的，在此具体实施例中，在过滤除冰装置600的输出端和输入端均连通设置有切换阀610，可以通过切换阀610控制该过滤除冰装置600的工作状态，定期关闭过滤除冰装置600对应的切换阀610，清除过滤装置上腔640内的冰粒，并重新开启切换阀610。

5在一具体实施例中，过滤除冰装置600的数量至少为两个，两个过滤除冰装置600并联设置，两个过滤除冰装置600的输入端连通为一个管道与蒸发侧换热器500的输出端连接，两个果过滤除冰装置600的输出端连通为一个管道与喷淋水管700连接，提升除去工质中冰粒的效率和速度。不仅如此，蒸

发侧换热器500的数量至少为两个，两个蒸发侧换热器500并联设置，两个蒸0发侧换热器500的输入端连通为一个管道与水处理装置400连通，两个蒸发侧换热器500的输出端连通为一个管道与用热单元连通，增加蒸发换热管510与工质的接触面积，提升整体的换热效率。

在一具体实施例中，用热单元900的热量输入端和热量输出端与蒸发侧换热器500换热连接，用于换取工质中的热量。其中，用热单元900包括井口5加热器910、采暖末端散热器920和洗浴热水换热器930中的一个或多个，当用热的装置为多个时，井口加热器910、采暖末端散热器920和洗浴热水换热器930之间比并联设置，且输入端和输出端连通为一个管道穿过蒸发侧换热器500，在蒸发侧换热器500的内部进行热量交换，为井口加热器910、采暖末端散热器920和洗浴热水换热器930提供热量，用于煤矿生产或生活用热的节能减排。

进一步的，在此具体实施例中，在蒸发侧换热器500与用热单元900之间设置有增压泵800，当蒸发侧换热器500与用热单元900之间的距离较远时，热量会在流经的路途上减少，因此设置设置增压泵800提升蒸发侧换热器500与用热单元900之间的压力，提升含有热量的液体在用热单元900与蒸发侧换热器500之间转换。

喷淋式回风余热回收系统的运行过程：为防冻液的工质从喷淋水管700上的喷淋头喷洒在回风扩散塔100的内部顶端，与回风扩散塔100内带有热量的回风进行热量交换，带有热量的工质滴落在回风扩散塔100底部的汇水池110，在集中流经至集水池200，在集水池200的出水位置设置有喷淋水泵300，喷淋水泵300为整个的余热回收系统提供动力，将集水池200内带有热量的工质提升到水处理装置400，水处理装置400清除工质中的杂质后，带有热量的工质提升到蒸发侧换热器500内，与用热单元900进行换热，且换热后蒸发侧换热器500的蒸发换热管510外壁因工质中含有的冷凝水因温度过低结霜后，机械除冰装置1000使用刮刀1030去除蒸发换热管510外壁的结霜，结霜形成的冰粒随换热后的工质一同排入过滤除冰装置600，过滤除冰装置600通过内部设置的过滤网630将工质中伴随的冰粒，停留在过滤除冰装置600的过滤装置上腔640内，并通过过滤装置上腔640顶部开设的取冰孔将冰粒取出，工质继续通过过滤装置下腔670，流经至喷淋水管700的喷淋头再次喷洒在回风扩散塔100内与回风进行热量交换。

喷淋式回风余热回收系统的运行方法：当防冻液浓度不变时，冰点温度不变，在喷淋系统中不会结冰。但是回风中的冷凝水会不断进入防冻液，导致防冻液浓度降低，冰点降低，为了保证系统正常运行，必须将多余的水去除。当防冻液浓度降低时，水或浓度低的溶液先结，将冰及时去除，可以维持防冻液浓度短时期内基本稳定。还需要定期添加高浓度防冻液，以保证防冻液浓度长期稳定。喷淋系统必须每天除冰一次，除冰时，先关闭一套过滤除冰装置600对应的切换阀610，清除该过滤除冰装置600内的冰粒，并重新开启切换阀610，然后采用同样方法清除另一套过滤除冰装置600内的冰粒。在极寒天气或过滤除冰装置600内的冰粒结块不便清除时，关闭防冻热泵机组，喷淋系统热量即可融化部分冰粒，可以正常除冰，然后重新开启防冻热泵机组。极寒天气时，应适当加大除冰频率。

以上已经描述了本申请的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。