CN120027471A - 一种矿井用热管式空气调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井用热管式空气调节系统，包括：热源采集组件，包括：高温机电设备散热罩，配置有连接脉动热管组的纳米流体热管；中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板，通过脉动热管组连接有相变储能罐；井口防冻组件，包括散热翅片组，与纳米流体热管连接；井下温控组件，包括吸收式热泵、辐射板、除湿新风机组和变频风机，吸收式热泵输入端连接纳米流体热管和相变储能罐，输出端连接辐射板、除湿新风机组和散热翅片组，变频风机输入端连接辐射板和除湿新风机组，输出端通入井下巷道内；智能控制组件包括控制器，实时采集各传感器数据，并实现各组件的控制。本发明实现了废热回收与空气调节协同，保障了矿井安全并降低能耗。

Description

一种矿井用热管式空气调节系统

技术领域

本发明属于矿井空气调节技术领域，具体涉及一种矿井用热管式空气调节系统。

背景技术

矿井空气调节系统是保障矿井安全生产的关键基础设施，目前，大多数矿井普遍采用中央集中式通风系统，通过专用风井进行回风，并利用通风机将通风后的空气直接排入大气中。

在热力学层面，地下开采空间呈现典型的深部地热效应，即地温随深度增加而升高。在实际地下煤矿开采过程中，一般来说，在恒温带以下，每向地下深入100米，地温大约会升高3摄氏度。而恒温带的温度通常维持在15摄氏度左右，因此，对于一个地下深度为600米的矿井来说，其地温可能会达到30摄氏度左右。此外，当空气流经地下巷道时，会与巷道围岩发生热湿交换，同时矿井内的大型设备散热也都会排入回风中。这些热量叠加后，使得回风风流的温度相较进风普遍升高8-15摄氏度。然而，目前煤矿的回风都是直接排放到大气中，其中蕴含的大量热能并未得到有效利用。以年产量500万吨矿井为例，其回风余热总量相当于约6000吨标准煤的发热量，具有可观的低位热能利用价值。然而，现有系统却将其作为废热直接排放，造成能源浪费与环境热污染。

另一方面，为了确保进风井井口的防冻需求，煤矿企业通常还需要采用燃煤锅炉生产蒸汽，并通过换热设备对进风进行加热。对于煤矿企业来说，虽然直接消耗矿井自产煤炭非常方便，但燃煤锅炉的效率相对较低，而且煤炭属于不可循环能源，燃烧后还会造成污染。同时，燃烧自产煤炭还减少了可以外销的煤炭量，进而降低了企业的利润。

因此，我们提出一种矿井用热管式空气调节系统，来解决上述技术问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种矿井用热管式空气调节系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种矿井用热管式空气调节系统，包括热源采集组件、井口防冻组件、井下温控组件以及智能控制组件，其中：

所述热源采集组件包括高温机电设备散热罩、中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板，所述高温机电设备散热罩上配置有纳米流体热管，所述纳米流体热管通过工质输送管路连接有脉动热管组，所述中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板通过脉动热管组连接有相变储能罐；

所述井口防冻组件包括散热翅片组和湿度感应涂层，所述散热翅片组通过工质输送管路与纳米流体热管连接，所述湿度感应涂层贴合于散热翅片组的表面；

所述井下温控组件包括吸收式热泵、辐射板、除湿新风机组和变频风机，所述纳米流体热管和相变储能罐均与吸收式热泵的输入端相连通，所述辐射板、除湿新风机组和散热翅片组均与吸收式热泵的输出端相连通，所述辐射板和除湿新风机组的输出端均与变频风机的输入端相连通，所述变频风机的输出端通入井下巷道内；

所述智能控制组件包括控制器，所述控制器通过无线传感网络实时采集热源采集组件的温度数据、井口防冻组件的湿度数据及井下温控组件的压力数据；所述控制器内置数字孪生模型与源-网-荷协同算法，并通过工业总线实现各个组件的控制。

在进一步的技术方案中，所述热源采集组件中：

所述纳米流体热管的管壁涂覆碳化硅-石墨烯复合导热层；

所述相变储能罐内填充石蜡-膨胀石墨复合相变材料。

在进一步的技术方案中，所述井口防冻组件中：

所述散热翅片组包含轴向交错分布的V型翅片，翅片表面开设孔径50-200μm的微孔；

所述湿度感应涂层由温敏变色材料与导电石墨烯构成，当相对湿度大于设计阈值时触发防冻措施，启动定向加热。

在进一步的技术方案中，所述定向加热的实现方式为：通过湿度感应涂层电阻变化生成位置坐标信号；控制散热翅片组内两相流工质在指定区域形成涡流冲击，使指定区域温度升高。

在进一步的技术方案中，所述井下温控组件中：

所述辐射板为双层中空铝板结构，内部填充纳米二氧化硅气凝胶隔热层，表面覆盖远红外发射涂层；

所述除湿新风机组采用LiCl溶液为除湿剂，并与吸收式热泵形成闭式浓度差循环回路。

在进一步的技术方案中，所述智能控制组件包括部署于井下各分区的无线温湿度传感器、热流计及压力变送器；其中，数字孪生模型构建方法为：

基于历史数据训练LSTM神经网络预测热负荷，结合CFD仿真生成三维热场动态图谱；

所述源-网-荷协同算法实时计算最优工质分配策略，优先调用相邻区域相变储能罐应对突发低温工况。

在进一步的技术方案中，所述脉动热管组具有以下两种运行模式：

当矿井排水温度＞20℃时，启动脉动热管高频模式并关闭相变储能罐入口阀门；

当回风温度＜20℃时，切换为脉动热管低频模式并开启相变储能罐入口阀门。

在进一步的技术方案中，还包括应急供热子系统：在掘进工作面布置可移动式热管快装支架，支架末端连接微型涡流加热器；当监测到局部温度骤降超过设定阈值时，自动释放相变储能罐内热量并通过涡流加热器补充供热。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过热源采集组件、井口防冻组件、井下温控组件以及智能控制组件的协同工作，实现了矿井废热回收利用与空气调节协同，不仅保障了矿井的安全生产，还节约了能源，降低了运行成本，减少了环境污染。

2、本发明在整个的空气调节过程中，智能控制组件实时采集各项传感器数据，通过数字孪生模型对系统进行虚拟仿真和优化，同时运用源-网-荷协同算法对能量分配进行智能调度，这使得系统能够更加准确地预测和应对各种工况，能量分配更加合理和高效，实现了系统的智能化管理。

3、本发明实现了多级热源的回收，不仅可以将热量供给散热翅片组，预热进风和确保井口设备在寒冷环境中正常运行，从而有效地对井口进行防冻保护，还能够利用相变储能罐储存热量，在需要时释放储存的热量，以满足矿井的热能需求，有效提高了热能的利用率。

4、本发明除湿新风机组采用LiCl溶液为除湿剂，并与吸收式热泵形成闭式浓度差循环回路，在作业过程中，利用LiCl溶液的吸湿作用，有效降低新风的湿度，而吸湿后利用吸收式热泵的废热再生除湿剂，从而形成闭式循环，既高效又环保，确保了除湿新风机组的持续稳定运行。

5、本发明通过湿度感应涂层电阻变化生成的位置坐标信号，能够准确指示需要加热的区域，有效避免了盲目加热造成的能量浪费，涡流冲击的形成能够集中热量，使局部温度迅速升高，提高了加热效率，缩短了加热时间，这种定向加热的方式避免了全局加热带来的能量损耗，只针对需要加热的区域进行加热，有效节约了能源。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的热量传递路径示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，本发明提供一种一种矿井用热管式空气调节系统，包括热源采集组件、井口防冻组件、井下温控组件以及智能控制组件，其中：

所述热源采集组件包括高温机电设备散热罩、中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板，所述高温机电设备散热罩上配置有纳米流体热管，所述纳米流体热管通过工质输送管路连接有脉动热管组，所述中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板通过脉动热管组连接有相变储能罐；

所述井口防冻组件包括散热翅片组和湿度感应涂层，所述散热翅片组通过工质输送管路与纳米流体热管连接，所述湿度感应涂层贴合于散热翅片组的表面；

所述井下温控组件包括吸收式热泵、辐射板、除湿新风机组和变频风机，所述纳米流体热管和相变储能罐均与吸收式热泵的输入端相连通，所述辐射板、除湿新风机组和散热翅片组均与吸收式热泵的输出端相连通，所述辐射板和除湿新风机组的输出端均与变频风机的输入端相连通，所述变频风机的输出端通入井下巷道内；

所述智能控制组件包括控制器，所述控制器通过无线传感网络实时采集热源采集组件的温度数据、井口防冻组件的湿度数据及井下温控组件的压力数据；所述控制器内置数字孪生模型与源-网-荷协同算法，并通过工业总线实现各个组件的控制。

本空气调节系统在实际地下煤矿开采过程中，热源采集组件负责收集矿井中的废热，包括高温机电设备散热、中温矿井水热量和低温回风热量，实现了多级热源的回收；井口防冻组件则是利用收集到的热量对井口进行防冻保护；井下温控组件通过吸收式热泵等设备对井下空气进行温度和湿度的调节；而智能控制组件负责实时采集各传感器数据，并通过数字孪生模型和源-网-荷协同算法进行优化控制各组件的运行。具体而言，矿井内的大型设备在运行过程中产生大量热量，这些热量通过高温机电设备散热罩进行散发，而纳米流体热管凭借其导热性能，高效吸收散热罩上的热量，随后，通过工质输送管路，这些热量被传递至散热翅片组，通过散发热量，预热进风和确保井口设备在寒冷环境中正常运行，从而有效地对井口进行防冻保护。中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板分别用于吸收矿井水中的热量以及回风中的热量，它们通过脉动热管组与纳米流体热管以及相变储能罐相连接，不仅可以将热量传递至纳米流体热管，也可将热量传输至相变储能罐进行储存，能够在需要时释放储存的热量，以满足矿井的热能需求。而吸收式热泵的输入端则是通过与纳米流体热管和相变储能罐相连，充分利用热源采集组件回收的热量作为驱动源，通过热泵循环实现井下空气的加热或冷却，其输出端连接有辐射板、除湿新风机组和散热翅片组，辐射板用于均匀散发或吸收热量，有效调节井下温度；除湿新风机组控制井下湿度，提供新鲜空气，散热翅片组则是利用这些热量为井口处加热，实现防冻保护。变频风机作为通风系统的关键组件，将经过温度和湿度调节后的新风通入井下巷道内，改善了矿工的工作环境，而这些新风中含有的热量，在回风过程中还能够通过与低温回风通道换热板和纳米流体热管接触进行热交换，从而再次被回收利用，进一步提高了热量的利用率。值得一提的是，在整个的空气调节过程中，智能控制组件实时采集各项传感器数据，通过数字孪生模型对系统进行虚拟仿真和优化，同时运用源-网-荷协同算法对能量分配进行智能调度，控制脉动热管组的工质调节阀、吸收式热泵的变频器及除湿新风机组的送风风门等各个组件的调节，这使得系统能够更加准确地预测和应对各种工况，能量分配更加合理和高效，实现了系统的智能化管理。相较于传统的中央集中式通风系统，本空气调节系统通过热源采集组件、井口防冻组件、井下温控组件以及智能控制组件的协同工作，实现了矿井废热回收利用与空气调节协同，不仅保障了矿井的安全生产，还节约了能源，降低了运行成本。

在一具体的实施方式中，所述热源采集组件中：

所述纳米流体热管的管壁涂覆碳化硅-石墨烯复合导热层；

所述相变储能罐内填充石蜡-膨胀石墨复合相变材料。

纳米流体热管的管壁涂覆碳化硅-石墨烯复合导热层，提高了热管导热系数，相较于传统铜管，有效提高了热传输效率；相变储能罐内填充石蜡-膨胀石墨复合相变材料，实现了热量的有效储存和释放。

在一具体的实施方式中，所述井口防冻组件中：

所述散热翅片组包含轴向交错分布的V型翅片，翅片表面开设孔径50-200μm的微孔；

所述湿度感应涂层由温敏变色材料与导电石墨烯构成，当相对湿度大于设计阈值时触发防冻措施，启动定向加热。

散热翅片组通过轴向交错设计的V型翅片，这种设计有效地促进了湍流的形成，从而强化了换热效果，同时，翅片表面50-200μm的微孔能够增强毛细抽吸效应，使得换热系数得到提升，热响应时间缩短，进而有效地增强了整体的散热效率。此外，温敏变色材料与石墨烯导电层耦合，温敏变色材料临界湿度85%，当相对湿度＞5%时，通过电阻变化定位湿区，一旦检测到湿区，便会触发防冻措施，启动定向加热，从而实现了智能化的防冻功能。

在一具体的实施方式中，所述定向加热的实现方式为：通过湿度感应涂层电阻变化生成位置坐标信号；控制散热翅片组内两相流工质在指定区域形成涡流冲击，使局部温度升高。

通过湿度感应涂层电阻变化生成的位置坐标信号，能够准确指示需要加热的区域，有效避免了盲目加热造成的能量浪费。涡流冲击的形成能够集中热量，使局部温度迅速升高，提高了加热效率，缩短了加热时间。这种定向加热的方式避免了全局加热带来的能量损耗，只针对需要加热的区域进行加热，有效节约了能源。

在一具体的实施方式中，所述井下温控组件中：

所述辐射板为双层中空铝板结构，内部填充纳米二氧化硅气凝胶隔热层，表面覆盖远红外发射涂层；

所述除湿新风机组采用LiCl溶液为除湿剂，并与吸收式热泵形成闭式浓度差循环回路。

辐射板采用双层中空铝板结构，并内部填充纳米二氧化硅气凝胶隔热层，能够减少热损失，同时表面覆盖远红外发射涂层，能够增强辐射效率，从而使得辐射板能够均匀释放热量。而除湿新风机组采用LiCl溶液为除湿剂，并与吸收式热泵形成闭式浓度差循环回路，在这个过程中，利用LiCl溶液的吸湿作用，有效降低新风的湿度，而吸湿后利用吸收式热泵的废热再生除湿剂，从而形成闭式循环，既高效又环保，确保了除湿新风机组的持续稳定运行。

在一具体的实施方式中，所述智能控制组件包括部署于井下各分区的无线温湿度传感器、热流计及压力变送器；其中，数字孪生模型构建方法为：

基于历史数据训练LSTM神经网络预测热负荷，结合CFD仿真生成三维热场动态图谱；

所述源-网-荷协同算法实时计算最优工质分配策略，优先调用相邻区域相变储能罐应对突发低温工况。

LSTM神经网络通过深度挖掘和分析历史数据，经过充分训练后，能够高度准确地预测热负荷的变化趋势，为系统的热能管理提供了坚实而科学的依据。同时，结合CFD仿真生成三维热场动态图谱，使得系统的热能分布状态直观可见，便于运维人员进行精准调控。此外，源-网-荷协同算法以其强大的实时计算能力，能够迅速制定出最优的工质分配策略，确保系统在各种复杂多变的工况下都能保持高效稳定的运行状态，有效降低了能耗。值得一提的是，该算法在应对突发低温工况时，能够优先调用相邻区域的相变储能罐，迅速调整系统运行状态，有效提升了系统的应急响应速度和整体稳定性。

在一具体的实施方式中，所述脉动热管组具有以下两种运行模式：

当矿井排水温度＞20℃时，启动脉动热管高频模式并关闭相变储能罐入口阀门；

当回风温度＜20℃时，切换为脉动热管低频模式并开启相变储能罐入口阀门。

当矿井排水温度超过20℃的阈值时，系统自动启动脉动热管的高频模式，以快速有效地散发热量，确保系统不会因过热而受损，同时，关闭相变储能罐的入口阀门，有效阻止热量传递至相变储能罐内进行储存，从而确保这部分热量能够直接且快速地由脉动热管组传递给纳米流体热管，随后供给散热翅片组用于井口防冻，降低了能量传递过程的损耗。而当回风温度低于20℃的阈值时，系统自动切换为脉动热管的低频模式，以减少不必要的能量消耗，同时，开启相变储能罐的入口阀门，储存多余的热量，以备不时之需。通过这两种运行模式的灵活切换，脉动热管组能够适应不同的矿井环境条件，确保系统在各种工况下都能保持高效、稳定的运行状态。

在一具体的实施方式中，还包括应急供热子系统：在掘进工作面布置可移动式热管快装支架，支架末端连接微型涡流加热器；当监测到局部温度骤降超过设定阈值时，自动释放相变储能罐内热量并通过涡流加热器补充供热。

在掘进工作面布置可移动式热管快装支架，以应对局部温度的突然变化。当发生如突水事故等导致局部温度骤降至5℃的设定阈值时，可通过微型涡流加热器快速释放相变储能罐的热量，使得工作面温度能够迅速恢复至安全范围，确保掘进作业的正常进行和人员的安全。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，包括热源采集组件、井口防冻组件、井下温控组件以及智能控制组件，其中：

所述热源采集组件包括高温机电设备散热罩、中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板，所述高温机电设备散热罩上配置有纳米流体热管，所述纳米流体热管通过工质输送管路连接有脉动热管组，所述中温矿井水热交换器和低温回风通道换热板通过脉动热管组连接有相变储能罐；

所述井口防冻组件包括散热翅片组和湿度感应涂层，所述散热翅片组通过工质输送管路与纳米流体热管连接，所述湿度感应涂层贴合于散热翅片组的表面；

所述井下温控组件包括吸收式热泵、辐射板、除湿新风机组和变频风机，所述纳米流体热管和相变储能罐均与吸收式热泵的输入端相连通，所述辐射板、除湿新风机组和散热翅片组均与吸收式热泵的输出端相连通，所述辐射板和除湿新风机组的输出端均与变频风机的输入端相连通，所述变频风机的输出端通入井下巷道内；

所述智能控制组件包括控制器，所述控制器通过无线传感网络实时采集热源采集组件的温度数据、井口防冻组件的湿度数据及井下温控组件的压力数据；所述控制器内置数字孪生模型与源-网-荷协同算法，并通过工业总线实现各个组件的控制。

2.根据权利要求1所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，所述热源采集组件中：

所述纳米流体热管的管壁涂覆碳化硅-石墨烯复合导热层；

所述相变储能罐内填充石蜡-膨胀石墨复合相变材料。

3.根据权利要求1所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，所述井口防冻组件中：

所述散热翅片组包含轴向交错分布的V型翅片，翅片表面开设孔径50-200μm的微孔；

所述湿度感应涂层由温敏变色材料与导电石墨烯构成，当相对湿度大于设计阈值时触发防冻措施，启动定向加热。

4.根据权利要求3所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，所述定向加热的实现方式为：通过湿度感应涂层电阻变化生成位置坐标信号；控制散热翅片组内两相流工质在指定区域形成涡流冲击，使指定区域温度升高。

5.根据权利要求1所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，所述井下温控组件中：

所述辐射板为双层中空铝板结构，内部填充纳米二氧化硅气凝胶隔热层，表面覆盖远红外发射涂层；

所述除湿新风机组采用LiCl溶液为除湿剂，并与吸收式热泵形成闭式浓度差循环回路。

6.根据权利要求1所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，所述智能控制组件包括部署于井下各分区的无线温湿度传感器、热流计及压力变送器；其中，数字孪生模型构建方法为：

基于历史数据训练LSTM神经网络预测热负荷，结合CFD仿真生成三维热场动态图谱；

所述源-网-荷协同算法实时计算最优工质分配策略，优先调用相邻区域相变储能罐应对突发低温工况。

7.根据权利要求1所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，所述脉动热管组具有以下两种运行模式：

当矿井排水温度＞20℃时，启动脉动热管高频模式并关闭相变储能罐入口阀门；

当回风温度＜20℃时，切换为脉动热管低频模式并开启相变储能罐入口阀门。

8.根据权利要求1所述的一种矿井用热管式空气调节系统，其特征在于，还包括应急供热子系统：在掘进工作面布置可移动式热管快装支架，支架末端连接微型涡流加热器；当监测到局部温度骤降超过设定阈值时，自动释放相变储能罐内热量并通过涡流加热器补充供热。