CN104930908A - 一种用于矿井降温工程的综合防结垢系统 - Google Patents

Abstract

一种用于矿井降温工程的综合防结垢系统，从水路的上游至下游依次包括用于滤除大粒径颗粒的多级多通道过滤器、用于回收矿井水热能且含有换热器的换热管段，以及一个物理除垢装置，并联在所述换热管段的两端之间；所述物理除垢装置包括捕球器、发球管及发射水泵；捕球器设于该换热管段的出水管端，用于回收已通过换热管段的清洗小球，将回收的清洗小球集中收纳至小球收集器内；发球管的一端与换热管段的入水管端连接，另一端与该小球收集器连接以够供小球收集器内的小球通过并进入换热管段的入水管端；该发射水泵与循环管道之间以两套取水路径和回水路径连接，将清洗小球借以高压高速水流以呈一角度地冲入换热管段内，形成紊流，清洗小球快速碰撞换热管段的管壁，提高除垢效率。

Description

一种用于矿井降温工程的综合防结垢系统

技术领域

本发明涉及矿业工程及地热工程的综合利用领域，尤其是关于用于矿井降温工程的综合防结垢系统。

背景技术

结垢问题是矿井降温和矿山地热利用工程循环水系统中普遍存在的问题。据调研，日本、冰岛以及我国西藏、北京、天津、河南、辽宁等国家和地区的地热系统都存在不同程度的结垢现象，90％以上的换热器都存在不同程度的结垢问题。结垢量的增大直接导致管道传热系数的降低，结垢0.5mm，传热系数下降30％，结垢1mm则降低50％。Steinhagen对1992年发达国家各国工业部门因污垢造成的损失进行了粗略估计，美国、德国、英国及日本因污垢而增加的费用均约占当年GNP的0.25％；全世界污垢损失大约为450亿美元，平均占GNP总值的0.2％。

管道壁面的污垢不但对管道中水的输运造成影响，同时影响了管道中水的传热效率。管道壁面污垢的导热系数一般只有碳钢的数十分之一，当管道壁面污垢量增多时，管道表面与管道中运输的水之间的热传导速度下降。在换热器的设计中，由于考虑到污垢的影响，换热器的设计面积比所需面积增大70～80％，其中30～50％是为了应对污垢导致的性能的降低。除此之外，污垢的存在还会引起管道的局部腐蚀乃至穿孔，严重地威胁了管道系统的安全运行。

因此，对矿井降温系统的换热管道定期安排除垢的措施，显得意义非凡，从设备维护成本、节省能源消耗方面都具有重要的经济价值。目前，业内有采用化学方法进行除垢的做法，但除垢所用的化学物质往往为酸性，在除垢同时也会对管道本身和管道的密封圈都构件存在一定程度的腐蚀，减少了管道的使用寿命。另外，虽然目前存在一些管道除垢的物理系统或设备，但其除垢效率不高、污垢残留量大、除垢系统结构复杂、控制和操作程序麻烦、设备维护成本高等等问题。

为此，本发明人的目的是设计一种综合的物理除垢装置防止结垢的系统，可以防止、减少、清理矿井降温系统和矿山地热利用系统中水管路的结垢,从而提高换热效率,减少运行费用。

发明内容

本发明的目是提供一种综合的物理除垢装置防结垢系统，以缓解或解决矿井降温系统中或矿山地热利用系统中的管路结垢问题。

为了解决上述技术问题，本发明的一种用于矿井降温工程的综合防结垢系统物理除垢装置，物理除垢装置，所述防结垢系统包括：

一个多级多通道过滤器，包括一个供矿井水流过的入水口和一个出水口，在该入水口和出水口之间并联连接数个独立的通道，各通道内串联有至少两个具不同孔径滤网的过滤器，各过滤器底部具有一个固体颗粒收集槽；

一个换热管段，其包括一个换热器及与该换热器两端连接的入水管端和出水管端，所述入水管端连接所述多级多通道过滤器的出水口；所述换热器包括一个管壳及设于内部的换热管束，所述换热管束的两端分别连接该入水管端和出水管端，所述换热管壳内通入循环冷却水；

一个物理除垢装置，并联在所述换热管段的两端之间，其包括：

一个捕球器，其设于该换热管段的出水管端，用于回收已通过该换热管段的清洗小球，所述捕球器与一个小球收集器以一个回球管连接，将回收的清洗小球集中收纳至所述的小球收集器内；一个发球管，所述发球管的一端接设并连通于该换热管段的入水管端的一侧管壁，所述发球管另一端与该小球收集器连接，所述发球管能够供该小球收集器内小球通过并进入所述换热管段的入水管端；一个发射水泵，该发射水泵与该换热管段之间以两套取水路径和回水路径连接；当所述发射水泵是以第一套取水路径和回水路径工作时，该发射水泵的回水流经所述小球收集器及发球管，将清洗小球以高速高压水冲入该换热管段；当所述发射水泵是以第二套取水路径和出水路径工作时，该发射水泵的取水流经所述捕球器及小球收集器；且所述发射水泵分别以第一套、第二套取水路径和回水路径工作时，流经该小球收集器的水流方向相反。

本发明的一个实施例，所述物理除垢装置包括1个第一三通管，所述第一三通管的第一支管与所述捕球器连接，所述第一三通管的第一支管构成所述回球管；所述第一三通管的第二支管与该换热管段连接，该第一三通管道的第二支管构成所述的发球管；所述第一三通管的第三支管与所述小球收集器连接，且所述小球收集器设于所述第一三通管的第三支管的管道内。

如上述所述的方案，所述物理除垢装置的第一三通管的第三支管末端开口为排污口，用于排除经清洗小球清洗后从管壁脱离的污垢碎渣；在该排污口处进一步可设排污阀。

如上所述的方案，所述物理除垢装置还包括1个第二三通管，所述第二三通管的第一支管与所述换热管段连接，所述第二三通管的第二支管与所述发射水泵的入水口连接，所述第二三通管的第一支管与第二支管构成所述发射水泵的第一取水路径；所述第二三通管的第三支管与该所述第一三通管的第三支管连接。

如上所述的方案，所述物理除垢装置还包括1个第三三通管，所述第三三通管的第一支管与所述换热管段连接，所述第三三通管的第二支管与所述发射水泵的出水口连接，所述第三三通管的第一支管与第二支管构成所述发射水泵的第二回水路径；所述第三三通管的第三支管与所述第一三通管的第三支管连接。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述第二三通管的第三支管、所述第一三通管的第三支管以及所述发球管构成所述发射水泵的第一回水路径。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述回球管、所述第一三通管的第三支管、第二三通管的第三支管、所述第二三通管的第二支管构成所述发射水泵的第二取水路径。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述发球管及回球管、所述第二三通管的第一支管及第三支管、所述第三三通管的第一支管及第三支管的管路上设有至少一个阀门，所述阀门为电子阀门或手动阀门。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的还包括一个控制器，所述阀门为电子阀门，所述各电子阀门皆与所述控制器信号连接，由所述控制器控制各该电子阀门的启闭，以使得所述发射水泵以不同的取水路径、回水路径工作。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述控制器为防爆电控系统。

如上所述的方案，所述多级多通道过滤器的各过滤器底部设有排污口。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的清洗小球概呈球状结构，其表面具有若干毛刺。例如可采用密度较大的核心，在外部包裹一层耐磨橡胶的外壳制成，在外壳表面形成若干毛刺。耐磨橡胶，其摩擦力大，除垢力强，重复利用率高，且在除垢时不会伤及较为坚硬的管道内壁；或者所述小球为钢丝缠绕形成的球状结构。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述小球收集器为筛状或篮状容纳装置，即能收集所述的清洗小球，但不影响水流通过。小球收集器由碳钢制成，外面烤制抗腐蚀油漆。可包括一个透明窗口，以便从外部观察其中清洗小球的状况，若小球被磨损无表面的毛刺时，可打开透明窗即可更换其中的清洗小球。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述捕球器筛状或篮状的漏斗形结构，可捕捉清洗小球并通过底端的开口将清洗小球汇集至小球收集器。捕球器可由碳钢制成，外面烤制抗腐蚀油漆，内部的筛子由SS316L不锈钢金属片打孔制成。通过捕球器筛孔应满足水流通过，且水压力损失不应大于5kPa，并且不能允许小球漏出或卡入筛孔。

如上所述的方案，所述物理除垢装置的所述发射水泵为能够产生高压高速水流的泵，又可称之为高压水泵，例如大山DZ-X125/1.6、盛世JH-HR-YFY-60。

本发明的有益技术效果包括：

1、本发明的综合防结垢系统，包括处于换热管段上游的多级多通道过滤器，可将矿井水预先进行处理，以滤除其中颗粒颗粒较大的矿物质，以避免堵塞换热管段；所述换热管段包括一个换热器，换热管束为具有钛纳米防腐涂层的换热管，所述换热器较佳选择为一种具防堵塞、防腐蚀、防爆功能的三防换热器。

此外，还可在所述管壳内沿长度方向设有多个折流板，在折流板上设有水流通道，所述换热管束贯穿所述折流板的水流通道，其中所述相邻折流板上的水流通道在管壳的轴向上形成相对错位或交叉；由此使循环冷水的流动方向可被这些水流通道改变和限制、在管壳内形成大量扰流或湍流现象，扰动的流体可对管壳壁或管束壁进行冲刷，防止结垢产生，使实现均匀换热、提高换热效率，保证换热管束的传热性能。

2、本发明还包括一个清除换热管段结垢的纯物理的除垢系统，故对管件和密封构件没有腐蚀性；此外可根据管件的材质和污垢的主要成分及特性，选择适当硬度的材质制作所述的清洗小球；

3、本发明中物理除垢装置的发射水泵与该换热管段之间以两套取水路径和回水路径连接，当所述发射水泵是以第一套取水路径和回水路径工作时，该发射水泵的回水流经所述小球收集器及发球管；使发射水泵产生的高压高速水流带动清洗小球冲入至该换热管段的入水管端，进入至该换热管段，使水产生湍流，各清洗小球快速碰撞管壁；故可增加除垢的效率；当所述发射水泵是以第二套取水路径和出水路径工作时，该发射水泵的取水流经所述捕球器及小球收集器，在换热管段的出水管端捕球器所在位置形成较大的漩涡状吸力，使捕球器收集的小球和管壁的污垢碎渣被快速带入至小球收集器内，碎渣进入第一三通管的第三支管经排污口排出，提高小球的收集和循环速度。

4、本发明中物理除垢装置的发球管是连接于该换热管段的入水管端的一侧管壁且与该换热管段连通，使该发射水泵以第一套取水路径和回水路径工作时，该发射水泵产生的高压高速水流将小球收集器内的清洗小球高速冲入该换热管段，且与该换热管段的水流方向呈一角度，故使得若干清洗小球以呈与管壁呈一定角度的初速度运动，由此增加小球与管壁的撞击几率，提升除垢效率。

5、本发明中物理除垢装置仅借助发射水泵、至少1个三通管及配合阀门的启闭，即可实现自动化收集和发射清洗小球全部操作过程，无需设置专门的发球装置，使整个系统的结构简单，维护成本低，更重要的是其操作和控制手段也非常简单，简化流程。

经试用发现，本发明的综合防结垢系统，能明显减少、清除矿井降温工程系统的管道结垢，提高矿井水热的换热效率，能够使矿井降温系统的整个能效比提高40％。

附图说明

图1是本发明方案的框图。

图2是本发明中多级多通道过滤器结构示意图。

图3是本发明换热管段中换热器结构示意图。

图4是本发明中物理除垢装置结构示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

如图1所示为本发明的方案的框图。其包括位于矿井水流上游的多级多通道过滤器10，从多级多通道过滤器10出来的矿井水，在经过滤去除了大颗粒固体矿物质后，进入到换热管段20中的换热器，经与循环冷却水热交换，降低矿井水温，回收矿井热能。一个物理除垢装置30，并联在所述换热管段20的两端之间，用于发射和回收清洗小球，对换热管道20内已形成的结垢进行清理。

如图2所示，为本发明中多级多通道过滤器10的结构示意图。所述多级多通道过滤器10，包括一个供矿井水流过的入水口11和一个出水口12，并联的3个独立的通道101、102、103，其中通道101内串联有具不同孔径滤网的过滤器1011和1012，所述过滤器1011、1012底部具有一个固体颗粒物收集槽1013，所述收集槽1013还可包括一个排污口1014。其中所述在水流的上游的过滤器1011的网孔孔径大于过滤器1012的网孔孔径，以分别形成一级过滤和二级过滤。类似地，通道102内串联有具不同孔径滤网的过滤器1021和1022，通道103内串联有过滤器1031和1032。串联多级过滤器主要作用是将水体中不同粒径的杂质过滤；并联多个通道，主要是防止其中一个通道的过滤器发生堵塞后，还有其他通道可供矿井水通过。

如图3所示，为本发明中换热管段20的结构示意图，其包括连接于换热器23两端的入水管端21和出水管端22。其中换热器23包括一个管壳231及设于内部的换热管束232，管壳231内通入循环冷却水(冷却水入口和出口未标示)，换热管束232两端连接入水管端21和出水管端22，所述入水管端21接到多级多通道过滤器的出水口12，换热管束232内流过经多级多通过过滤器10过滤后的矿井水。

进一步地，可在管壳231内沿长度方向设有多个折流板，在折流板上设若干个水流通道，所述换热管束232贯穿所述折流板的水流通道，其中所述相邻折流板上的水流通道在管壳231的轴向上形成相对错位或交叉，从而使冷却水在换热器23的管壳231内流动时，不断地被这些水流通道所限制、改变流向，形成大量扰流和紊流，可冲刷管壳231和换热管束232，减少冷却水在管壳内结垢，提高换热效率。

如图4所示，为本发明中的物理除垢装置30，参见图1，其并联在该换热管段20的两端之间，所述物理除垢装置30主要通过高速高压水流带动清洗小球，喷射进入到换热管段20内或自换热管段20内收集这些小球，定期对换热管段20进行结垢清理。

如图4所示，物理除垢装置30的一个具体实施例，所述物理除垢装置30包括：捕球器31、小球收集器32、第一三通管40、第二三通管50、第三三通管60、发射水泵P、控制器90以及A1、A2、B1、B2、B3、B4为电子阀门，C1、C2、C3、C4、C5、C6为手动阀门；各电子阀门均匀控制器90信号连接，受到控制器90的控制而在启闭之间切换。

所述捕球器31，设于该换热管段20的出水管端22内，通过第一三通管40的第二支管42与小球收集器32连接，第一三通管40的第一支管41接设于该换热管段20的入水管端11的管壁一侧且与该换热管段20连通，第一三通管的第三支管的管路上设有所述的小球收集器32。第一支管41为发球管，第二支管42为回球管，其中在第一支管41设有电子阀门A1和手动阀门C1；第二支管42设有电子阀门A2及手动阀门C2、C3。第三支管43具有一个末端开口，为排污口，该位置设有手动排污阀门C6。

一个第二三通管50，包括第一支管51、第二支管52及第三支管53。所述第一支管51与换热管段20的入水管端21连接，第二支管52连接发射水泵P的入水口，则第一支管51及第二支管52连通时构成发射水泵P的第一取水路径；第三支管53与第一三通管40的第三支管43连通。在第一支管51上设有电子阀门B1及手动阀门C4；在第三支管53上有电子阀门B2。

一个第三三通管60，包括第一支管61、第二支管62及第三支管63。所述第一支管61与换热管段20的出水管端22连接，第二支管62连接发射水泵P的出水口，则第一支管61及第二支管62连通时构成发射水泵P的第二回水路径；第三支管63与第一支管的第三支管43连通。在第一支管61上设有电子阀门B4及手动阀门C5；在第三支管63上有电子阀门B3。

根据图示实施例的系统，其工作方式为：

1)安装本实施例的除垢系统在换热管段20上；

2)连接电源，控制器90开始按照以下流程工作：

a、打开阀门A2、B2、B4，关闭阀门A1、B1、B3；

这种情况下，发射水泵P的工作水循环路径是：

取水依次由换热管段20的出水管端22，流经所述捕球器31、回球管(即第二支管42)、途中流经小球收集器32、所述第一三通管的第三支管43、第二三通管的第三支管53、所述第二三通管的第二支管52构成所述发射水泵P的第二取水路径；发射水泵P的回水路径为经阀门B4、第二支管62、第一支管61构成的第二回水路径；如此，在捕球器31的位置处形成涡旋和吸力，可以快速将清洗小球收集并带入至小球收集器32，同时快速排出污垢碎渣。

b、打开阀门A1、B1、B3，关闭阀门A2、B2、B4，发射清洗小球；

这种情况下，发射水泵P的工作水循环路径是：

取水路径为，自换热管段20的入水管端21，流经第一支管51及第二支管52所构成的发射水泵P的第一取水路径；发射水泵P的回水路径为经阀门B3、第三支管63、第一三通管40的第三支管43、途中流经小球收集器32，发球管(第一支管41)构成第一回水路径；如此，经管发射水泵P作用形成高压高速水流，带动小球收集器32内的清洗球以高速自发球管41喷入至入水管端21，且与该换热管段20的管壁呈一夹角的初速度开始运动，高速喷入的水流同时在换热管段20内产生紊流现象，大大提升清洗小球高速撞击换热管段20内壁面的几率，使水垢被快速有效地冲刷打碎，提升除垢效率。

c、发射后的清洗小球在管道水流的带动下进入降温设备换热管路中清洗内壁污垢。

d、重复上述操作。

由上述过程不难看出，上述实施例中物理除垢30中发射水泵P与该换热管段20之间是以两套取水路径和回水路径连接，当所述发射水泵P是以第一套取水路径和回水路径工作时，该发射水泵P的回水流经所述小球收集器及发球管；当所述发射水泵P是以第二套取水路径和出水路径工作时，该发射水泵P的取水流经所述捕球器及小球收集器；且所述发射水泵P分别以第一套、第二套取水路径和回水路径工作时，流经该小球收集器的水流方向相反。其中第一套取水路径和回水路径与第二套取水路径和回水路径中，其部分区段的管道可能是重叠的(即既在第一套取水\回水路径中承担管路作用，也在第二套取水\回水路径中承担管路作用)，但因阀门的启闭不同，使水流方向完全相反。故，所述物理除垢装置30借助发射水泵P不同的工作路径，可起到快速收集清洗小球和高速发射清洗小球的作用。

其中清洗小球未在图中示出，其概呈球状结构，其表面具有若干毛刺。例如可采用密度较大的核心，在外部包裹一层耐磨橡胶的外壳制成，在外壳表面形成若干毛刺。耐磨橡胶，其摩擦力大，除垢力强，重复利用率高，且在除垢时不会伤及较为坚硬的管道内壁；或者所述小球为钢丝缠绕形成的球状结构。其中小球收集器32可为筛状或篮状容纳装置，即能收集所述的清洗小球，但不影响水流和污垢碎渣通过。其中，所述捕球器31可为现有的任何结构，也可为筛状或篮状的漏斗形结构，可捕捉清洗小球并通过底端的开口将清洗小球汇集至小球收集器32内。所述发射水泵P为能够产生高压高速水流的泵。同时考虑本发明的系统主要是在煤矿内使用，需要实现防爆，故所述控制器70可为防爆电控系统。其中，各手动阀门C1-C6是为了方便维修而设置，也可以不设置或设置数量不限于本实施例中的一个。

以上所述，仅为本发明代表性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于矿井降温工程的综合防结垢系统，其特征是，所述防结垢系统包括：

一个多级多通道过滤器，包括一个供矿井水流过的入水口和一个出水口，在该入水口和出水口之间并联连接数个独立的通道，各通道内串联有至少两个具不同孔径滤网的过滤器，各过滤器底部具有一个固体颗粒收集槽；

一个换热管段，其包括一个换热器及与该换热器两端连接的入水管端和出水管端，所述入水管端连接所述多级多通道过滤器的出水口；所述换热器包括一个管壳及设于内部的换热管束，所述换热管束的两端分别连接该入水管端和出水管端，所述换热管壳内通入循环冷却水；

一个物理除垢装置，并联在所述换热管段的两端之间，其包括：物理除垢装置

一个捕球器，其设于该换热管段的出水管端，用于回收已通过该换热管段的清洗小球，所述捕球器与一个小球收集器以一个回球管连接，将回收的清洗小球集中收纳至所述的小球收集器内；一个发球管，所述发球管的一端接设并连通于该换热管段的入水管端的一侧管壁，所述发球管另一端与该小球收集器连接，所述发球管能够供该小球收集器内小球通过并进入所述换热管段的入水管端；一个发射水泵，该发射水泵与该换热管段之间以两套取水路径和回水路径连接；当所述发射水泵是以第一套取水路径和回水路径工作时，该发射水泵的回水流经所述小球收集器及发球管，将清洗小球以高速高压水冲入该换热管段；当所述发射水泵是以第二套取水路径和出水路径工作时，该发射水泵的取水流经所述捕球器及小球收集器；且所述发射水泵分别以第一套、第二套取水路径和回水路径工作时，流经该小球收集器的水流方向相反。

2.根据权利要求1所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置包括1个第一三通管，所述第一三通管的第一支管与所述捕球器连接，所述第一三通管的第一支管构成所述回球管；所述第一三通管的第二支管与该换热管段连接，该第一三通管道的第二支管构成所述的发球管；所述第一三通管的第三支管与所述小球收集器连接，且所述小球收集器设于所述第一三通管的第三支管的管道内。

3.根据权利要求2所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置还包括1个第二三通管，所述第二三通管的第一支管与所述换热管段连接，所述第二三通管的第二支管与所述发射水泵的入水口连接，所述第二三通管的第一支管与第二支管构成所述发射水泵的第一取水路径；所述第二三通管的第三支管与该所述第一三通管的第三支管连接。

4.根据权利要求3所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置还包括1个第三三通管，所述第三三通管的第一支管与所述换热管段连接，所述第三三通管的第二支管与所述发射水泵的出水口连接，所述第三三通管的第一支管与第二支管构成所述发射水泵的第二回水路径；所述第三三通管的第三支管与所述第一三通管的第三支管连接。

5.根据权利要求3或4所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置的所述第二三通管的第三支管、所述第一三通管的第三支管以及所述发球管构成所述发射水泵的第一回水路径。

6.根据权利要求3或4所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置的所述回球管、所述第一三通管的第三支管、第二三通管的第三支管、所述第二三通管的第二支管构成所述发射水泵的第二取水路径。

7.根据权利要求4所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置的所述发球管及回球管、所述第二三通管的第一支管及第三支管、所述第三三通管的第一支管及第三支管的管路上设有至少一个阀门，所述阀门为电子阀门或手动阀门。

8.根据权利要求7所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置还包括一个控制器，所述阀门为电子阀门，所述各电子阀门皆与所述控制器信号连接，由所述控制器控制各该电子阀门的启闭，以使得所述发射水泵以不同的取水路径、回水路径工作。

9.根据权利要求8所述的防结垢系统，其特征是，所述物理除垢装置的所述控制器为防爆电控系统。

10.根据权利要求1所述的防结垢系统，其特征是，所述换热管段的管壳内沿长度方向设有多个折流板，在折流板上设有水流通道，所述换热管束贯穿所述折流板的水流通道，其中所述相邻折流板上的水流通道在管壳的轴向上形成相对错位或交叉。