基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统

技术领域

本发明属于热能回收利用技术领域，具体涉及一种基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统。

背景技术

随着全球对不同矿产资源的大力开发，浅矿资源逐渐衰竭，需要进行更深的开掘来满足对矿产资源的需求，矿井开采深度的不断提高，矿井热害问题凸显。在深部矿井的掘进和回采作业中，出现的高温高湿恶劣环境会对人体的体温调节、水盐代谢、循环系统、消化系统以及神经系统造成影响，当超过人体正常适应极限时会出现流汗、恶心、头晕、中暑等其他不良反应，极大地危及到他们的安全，此外还会影响工人的心理状态，导致其分心甚至无法正常开展工作，严重影响生产效率。与此同时，高温还会使机电设备使用寿命降低。为改善矿井内的劳动环境，提高劳动效率和安全效益，在使用通风降温不能有效解决热害问题时必须采用机械制冷降温的方法实现矿井降温，从而有效降低矿井热害问题造成的影响。

目前矿井降温方法通常采用空气冷却器对进入工作面的空气进行降温除湿，达到改善作业地点空气环境的目的。但该方法需要将低温冷冻水输送至井下，在进行降温的同时不仅会耗费大量人力及物力，矿井内的余热和废热不能得到有效利用，同时在低温水输送过程中会有较大温升，进而还会使得降温效果不能满足要求。因此，需要提出一种在对进风巷降温的同时还能有效对废热进行有效提取和利用的热能提取与利用系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其结构设计合理，通过管道将高温进风巷内设置蒸发段提热系统和冷凝段散热系统进行连接，再在冷凝段散热系统两侧设置温差发电片的方式，能有效将进风巷的热能进行提取，降低进风巷的温度，有效提高热能的提取效率，同时能有效实现对深部矿井热害防治与地热能资源化利用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：包括蒸发段提热系统、冷凝段散热系统和半导体温差发电系统；

所述蒸发段提热系统包括多个沿高温进风巷的延伸方向依次布设在高温进风巷内的蒸发器组件和用于对多个蒸发器组件的倾斜角度进行同步调整的第一角度调节装置，多个所述蒸发器组件的进口端均通过进液管路与储液罐的出液口连接，每个所述蒸发器组件均包括多个并排布设的翅片式蒸发器；

所述冷凝段散热系统包括设置在回风巷中的冷凝器和用于调节冷凝器的倾斜角度的第二角度调节装置，多个所述蒸发器组件的出口端均通过蒸汽管路与冷凝器的进口端连接，所述冷凝器的出口端通过出液管路与储液罐的进液口连接；

所述半导体温差发电系统包括两个分别设置在冷凝器两侧的温差发电片和用于对两个温差发电片所发电量进行储存的蓄电池。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器的进口端均朝下布设，每个所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器的进口端均通过进液支管与进液管路连接，每个所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器的出口端均通过出气支管与蒸汽管路连接。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述蒸汽管路包括连接在出气支管一端的第一伸缩管、连接在冷凝器的进口端的第二伸缩管和连接在第一伸缩管与第二伸缩管之间的连接管；

所述第一伸缩管与第二伸缩管相互平行，所述第一伸缩管和第二伸缩管均与连接管相互垂直，所述连接管与出气支管相互平行。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述第一角度调节装置包括第一蜗杆和与第一蜗杆相啮合的第一蜗轮，每个所述蒸发器组件的一侧底部均固装有一个第一蜗轮；

所述第二角度调节装置包括相啮合的第二蜗杆和第二蜗轮，所述第二蜗轮安装在冷凝器的一侧底部。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述进液管路上设置有溶液泵、流量控制阀和液位传感器，所述储液罐内设置有一个液位传感器。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述温差发电片的热端与冷凝器的一侧紧贴，所述温差发电片的冷端设置有多个散热翅片。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述回风巷内设置有两个分别用于对两个温差发电片的冷端进行降温的风扇。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述温差发电片的热端和冷端分别安装有一个温度传感器。

上述的基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统，其特征在于：所述温差发电片与蓄电池之间设置有稳压器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过设置第一角度调节装置，能够根据需求调节多个蒸发器组件的倾斜角度，以增大蒸发段提热系统的平均换热系数，通过设置第二角度调节装置，能够通过调节冷凝器的倾斜角度，以增大冷凝段散热系统的平均换热系数，进而能有效将进风巷的热能进行提取，降低进风巷的温度，同时能有效提高热能的提取效率。

2、本发明通过在冷凝器两侧设置温差发电片，温差发电片能够利用冷凝器散发的热能与回风巷中的低温环境之间的温差，进而将提取的热能转化为电能储存在蓄电池，能有效实现对热害矿井内废弃热能的利用。

3、本发明通过将多个翅片式蒸发器连接在一起形成一个蒸发器组件，能进一步提高进风巷内热能的提取效率，进而加速进风巷内温度的降低，确保工作人员的工作效率。

综上所述，本发明结构设计合理，通过管道将高温进风巷内设置蒸发段提热系统和冷凝段散热系统进行连接，再在冷凝段散热系统两侧设置温差发电片的方式，能有效将进风巷的热能进行提取，降低进风巷的温度，有效提高热能的提取效率，同时能有效实现对深部矿井热害防治与地热能资源化利用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明蒸发段提热系统的结构示意图。

图3为本发明蒸发段提热系统中的蒸发器组件倾斜后的结构示意图。

附图标记说明:

1—高温进风巷； 2—回风巷； 3—翅片式蒸发器；

4—进液支管； 5—出气支管； 6—进液管路；

7—蒸汽管路； 7-1—第一伸缩管； 7-2—第二伸缩管；

7-3—连接管； 8—出液管路； 9—冷凝器；

10—温差发电片； 11—散热翅片； 12—风扇；

13—储液罐； 14—溶液泵； 15—流量控制阀；

16—液位传感器； 17—稳压器； 18—蓄电池；

19—第一蜗杆； 20—第一蜗轮； 21—第二蜗杆；

22—第二蜗轮。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明包括蒸发段提热系统、冷凝段散热系统和半导体温差发电系统；

所述蒸发段提热系统包括多个沿高温进风巷1的延伸方向依次布设在高温进风巷1内的蒸发器组件和用于对多个蒸发器组件的倾斜角度进行同步调整的第一角度调节装置，多个所述蒸发器组件的进口端均通过进液管路6与储液罐13的出液口连接，每个所述蒸发器组件均包括多个并排布设的翅片式蒸发器3；

所述冷凝段散热系统包括设置在回风巷2中的冷凝器9和用于调节冷凝器9的倾斜角度的第二角度调节装置，多个所述蒸发器组件的出口端均通过蒸汽管路7与冷凝器9的进口端连接，所述冷凝器9的出口端通过出液管路8与储液罐13的进液口连接；

所述半导体温差发电系统包括两个分别设置在冷凝器9两侧的温差发电片10和用于对两个温差发电片10所发电量进行储存的蓄电池18。

实际使用时，通过设置第一角度调节装置，能够根据需求调节多个蒸发器组件的倾斜角度，以增大蒸发段提热系统的平均换热系数，通过设置第二角度调节装置，能够通过调节冷凝器9的倾斜角度，以增大冷凝段散热系统的平均换热系数，进而能有效将进风巷的热能进行提取，降低进风巷的温度，同时能有效提高热能的提取效率。

需要说明的是，由于矿井回风的温度全年基本恒定，受外界气候的影响很少，是一种良好的低温热源，因此通过在冷凝器9两侧设置温差发电片10，温差发电片10能够利用冷凝器9散发的热能与回风巷中的低温环境之间的温差，进而将提取的热能转化为电能储存在蓄电池18，能有效实现对热害矿井内废弃热能的利用。

具体实施时，通过将多个翅片式蒸发器3连接在一起形成一个蒸发器组件，能进一步提高进风巷内热能的提取效率，进而加速进风巷内温度的降低，确保工作人员的工作效率。

本实施例中，所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器3的进口端均朝下布设，所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器3的出口端均朝上布设，每个所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器3的进口端均通过进液支管4与进液管路6连接，每个所述蒸发器组件中的多个翅片式蒸发器3的出口端均通过出气支管5与蒸汽管路7连接。

实际使用时，进液支管4沿进风巷的宽度方向布设，进液支管4的一端封闭，进液支管4的另一端与进液管路6连接，翅片式蒸发器3与进液支管4之间相互垂直，进液管路6为L形管路，进液管路6上与进液支管4相连接的一个边与进液支管4相互垂直，进液管路6上与储液罐13相连接的一个边与进液支管4相互平行。

需要说明的是，出气支管5与进液支管4相互平行，出气支管5的一端封闭，出气支管5的另一端与蒸汽管路7连接。

本实施例中，所述蒸汽管路7包括连接在出气支管5一端的第一伸缩管7-1、连接在冷凝器9的进口端的第二伸缩管7-2和连接在第一伸缩管7-1与第二伸缩管7-2之间的连接管7-3；

所述第一伸缩管7-1与第二伸缩管7-2相互平行，所述第一伸缩管7-1和第二伸缩管7-2均与连接管7-3相互垂直，所述连接管7-3与出气支管5相互平行。

如图2和图3所示，实际使用时，第一伸缩管7-1和第二伸缩管7-2均为中间设置有一段伸缩节的圆管，伸缩节能够进行伸缩也能呈S形布设，进而实现第一伸缩管7-1和第二伸缩管7-2两端高差变化，第一伸缩管7-1和第二伸缩管7-2的设置，使得第一伸缩管7-1和第二伸缩管7-2能够随着蒸发器组件和冷凝器9的倾斜角度的变化而进行伸缩，同时便于根据不同的倾斜角度调节第一伸缩管7-1和第二伸缩管7-2两端的高差。

本实施例中，所述第一角度调节装置包括第一蜗杆19和与第一蜗杆19相啮合的第一蜗轮20，每个所述蒸发器组件的一侧底部均固装有一个第一蜗轮20；

所述第二角度调节装置包括相啮合的第二蜗杆21和第二蜗轮22，所述第二蜗轮22安装在冷凝器9的一侧底部。

实际使用时，所述蒸发段提热系统的底部和冷凝器9的底部均设置有一个底座，所述第一蜗杆19和第二蜗轮22分别转动安装在两个底座上，底座的设置，一方面能够对蒸发段提热系统或冷凝器9进行支撑，另一方面能够便于第一蜗杆19和第二蜗轮22的安装。

需要说明的是，第一蜗杆19和第二蜗轮22的端部分别设置有一个旋转手柄，便于工作人员手动调节角度。

具体实施时，第一蜗轮20固装在进液支管4的封闭端，第一蜗轮20与进液支管4呈同轴布设，第一蜗杆19沿高温进风巷1的延伸方向布设，第二蜗杆21沿回风巷2的延伸方向布设，第二蜗轮22固装在冷凝器9的一侧底部，且第二蜗轮22的设置使得冷凝器9能够沿着回风巷2的延伸方向进行前后摆动。

需要说明的是，底座上，设置有多个弧形槽，便于对冷凝器9或者蒸发器组件的进液支管4进行定位，同时不影响冷凝器9或者蒸发器组件的角度调节；底座上设置有让位槽，用于对第一蜗轮20或第二蜗轮22让位。

本实施例中，所述进液管路6上设置有溶液泵14、流量控制阀15和液位传感器16，所述储液罐13内设置有一个液位传感器16。

实际使用时，溶液泵14和流量控制阀15均由控制器控制，液位传感器16与控制器连接，控制器为集成在计算机中的控制器。

需要说明的是，溶液泵14起到提供工质循环动力和延长传热距离的作用，以消耗少量电能为代价，使得工质能够克服长距离输送时产生的沿程阻力，避免出现小温差下驱动力不足的问题；液位传感器16能够实时将液位变化情况反馈至控制器，从而控制器能够精确对溶液泵14和流量控制阀15进行调整。

本实施例中，所述温差发电片10的热端与冷凝器9的一侧紧贴，所述温差发电片10的冷端设置有多个散热翅片11。

本实施例中，所述回风巷2内设置有两个分别用于对两个温差发电片10的冷端进行降温的风扇12。

实际使用时，风扇12的设置，能够使得温差发电片10的冷端与空气进行强制对流，进而便于保持温差发电片10冷端的低温状态。

需要说明的是，风扇12和溶液泵14均由蓄电池18供电，通过控制器调控风扇12的转速，以使使得温差发电片10热端和冷端的温差达到最大状态。

实际使用时，散热翅片11的设置，便于温差发电片10的冷端的散热，进而能有效提高热能转换效率。

本实施例中，所述温差发电片10的热端和冷端分别安装有一个温度传感器。

实际使用时，温度传感器与控制器连接。

本实施例中，所述温差发电片10与蓄电池18之间设置有稳压器17。

实际使用时，温差发电片10的输出端连接稳压器17的输入端，稳压器17的输出端连接蓄电池18的输入端，温差发电片10产生的电流通过稳压器17储存在蓄电池18中。

需要说明的是，采用基于气液相变传热的热害矿井进风巷热能提取与利用系统进行热害矿井进风巷热能提取与利用的方法，包括以下步骤:

步骤一、工作准备：通过第一角度调节装置调节所述蒸发器组件的倾斜角度，通过第二角度调节装置调节冷凝器9的倾斜角度，向储液罐13和每个翅片式蒸发器3内均注入液态工质；

步骤二、高温进风巷的热能提取：高温进风巷1中高温气流的热量传递给翅片式蒸发器3内的液态工质，使得翅片式蒸发器3内的液态工质受热变为气态工质，气态工质通过出气支管5流向回风巷2内的所述冷凝段散热系统；

步骤三、在回风巷内进行热电转换：当气态工质流向回风巷2内的冷凝器9时，气态工质在冷凝器9内冷凝为液态工质并释放出热量，冷凝器9内冷凝的液态工质通过释放出的热量使得与冷凝器9紧贴的温差发电片10的热端温度升高，进而使得温差发电片10的热端和冷端之间形成一个温差，从而使得温差发电片10受塞贝克效应作用产生电动势，并在稳压器17的作用下稳定输出并被保存在蓄电池18中；

步骤四、工质的循环：冷凝器9内冷凝的液态工质经过出液管路8流回到储液罐13中，再在溶液泵14的作用下，储液罐13内的液态工质通过进液管路6和多个进液支管4后进入翅片式蒸发器3内，再次吸收高温进风巷1中高温气流的热量而进入下一个热量的传输循环。

具体实施时，翅片式蒸发器3上设有排气阀，步骤一中，调节好蒸发器组件和冷凝器9的倾斜角度后，且系统安装布置完毕后，使用真空泵对该系统抽真空，具体将真空泵的抽气管与蒸发器上的排气阀连接后，启动真空泵，抽真空至压力表读数为-0.1MPa，关闭阀门，等待半小时后观察压力表的读数变化，若读数一直稳定在-0.1MPa，则说明系统密闭性良好，否则系统漏气。

具体实施时，对储液罐13的体积和工质充装量进行匹配计算后，按照计算后的储液罐13工质充装量对储液罐13进行工质的充装。溶液泵14从储液罐13中抽取液态工质，经管路等均流部件将工质分配至翅片式蒸发器3各管路。

需要说明的是，所述蒸发器组件的上端向后倾斜，所述蒸发器组件与高温进风巷1的横断面之间的夹角为16°～18°之间，冷凝器9的上端向后倾斜，冷凝器9与回风巷2的横断面之间的夹角为16°～18°之间，使得平均换热系数较大。

具体实施时，在进行矿井进风巷热能提取与利用过程中，通过储液罐13中的液位传感器16实时监测储液罐13中的液位，当储液罐13中的液位达到最低液位设定值时，及时向储液罐13中补充液态工质；

在进行矿井进风巷热能提取与利用过程中，通过进液管路6上安装的液位传感器16实时监测进液管路6中的液位，并根据进液管路6中的液位，通过控制器灵活调整流量控制阀15的开度和溶液泵14的功率，使得液态工质能够匀速均匀的在系统中运输，并使进液管路6中的液位保持在设定液位范围内；

在进行矿井进风巷热能提取与利用过程中，通过温差发电片10热端的温度传感器和冷端的温度传感器分别实时监测温差发电片10的热端温度和冷端温度，当温差发电片10的热端和冷端之间的温差小于设定温差值时，启动风扇12并通过控制器调节风扇12的转速，使得温差发电片10的热端和冷端之间的温差不小于设定温差值。

实际使用时，通过在高温进风巷1内设置蒸发段提热系统，能够通过蒸发段提热系统直接将高温进风巷1内的热能进行提取，相对于现有的采用热泵机组、用电能来推动压缩机+制冷剂的工作来把空气中蕴含的热能给释放出来的方法，不需要耗费太大的电量，能有效减少资源的浪费，同时通过管道将高温进风巷1内设置蒸发段提热系统和冷凝段散热系统进行连接，再在冷凝段散热系统两侧设置温差发电片的方式，能有效将高温进风巷1内的高温热源与回风巷2中的低温热源相结合，实现对热能的最大提取与利用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。