目前，在煤礦的開采中通風是十分重要的，礦井需里的通風量大且通風溫度常年基本維持20℃左右不變，而且隨著深度的增加礦井回風的風溫在不斷升高。因此礦井回風中蘊含有巨大的低溫熱能。

當地面新鮮風流送入進風井筒以后，供給工作面新鮮空氣的同時也吸收來自沿程圍巖散熱、機械設備散熱、煤體氧化、人員等方面的散熱，當風流從回風井排出時，礦井回風的溫度比進風高出許多，加之礦井回風量大，因此，礦井回風中蘊藏著大量的低溫熱能，而這部分熱能未被利用，直接排到大氣，會造成熱能的極大浪費。

如果以礦井回風作為低溫熱源，分別利用分離式熱管和重力式技術，將其轉變?yōu)橛杏玫母邷責嵩?，用于滿足井筒防凍，則會是一個很好的作用。

現階段煤礦通風換熱分析

在冬季，礦井作業(yè)通過鍋爐提供熱源以井筒防凍要求。這樣，不僅消耗大量煤炭，而且煤煙造成環(huán)境污染；在夏季，井筒降溫通常會采取通風降溫、控制井下熱源方式、機械制冷水降溫、人工制冰降溫及空氣壓縮制冷降溫等技術降低工作面風流溫度。

采用的熱泵技術提取回風中的熱量，通過熱泵機組等配套設備將其轉移到進風井筒處，但對于進風井與回風井距離較遠的工礦地區(qū)或分散通風的礦井來說，如果將回風輸送到新風井附近，無疑需要鋪設較長的運輸風道，不僅增加設備的投資，而且會使礦區(qū)管道更加復雜;同時，在輸送過程中，必然會存在熱能的損失，使回收效果降低。

熱管換熱器在礦井回風余熱中的應用

1 分離式熱管換熱器應用

針對上述問題，且對于進風井與回風井距離較遠的工礦地區(qū)而言，對于進風井和回風井處在同一個工業(yè)場地的礦區(qū)，可利用重力式熱管換熱器，本文提出可利用分離式熱管換熱器回收礦井回風余熱來達到井筒防凍的效果。

1.1 應用方案簡述

分離式熱管換熱器系統(tǒng)如圖1、圖2所示：

圖1 分離式熱管換熱器剖面圖

冬季運行時，礦井回風順著擴散塔引至熱管熱器蒸發(fā)段，熱管中工作液體受熱蒸發(fā)，蒸汽在壓力差的作用下順著上升管流入換熱器冷凝段放出汽化潛熱，回風放出汽化潛熱后溫度降低，順著排風風道排至大氣。新風管道引至換熱器冷凝段吸收汽化潛熱達到預熱目的，加熱后的空氣溫度升高到規(guī)定溫度以上，沿著進風風道最終送入井筒內;冷凝后的工作液體在重力的作用下，順著下降管回流到蒸發(fā)段的液池當中。只要有加熱源，這一過程就會循環(huán)進行。

圖2 分離式熱管換熱器俯視圖

如圖2所示，冷凝段可以設置多臺換熱器并聯(lián)安裝，蒸汽順著上升管分流至不同換熱器的冷凝段，分別冷凝后再沿著下降管統(tǒng)一回流至換熱器的蒸發(fā)段。因此可靈活調整冷凝段換熱器的面積和擺放位置。

各個換熱器冷凝段的下聯(lián)箱均裝有不凝結氣體分離管，上面裝有排氣閥，定期打開排氣閥可將不凝結性氣體排出，保證換熱器安全運行。

1.2 方案優(yōu)勢分析

a) 熱流空氣通過熱管的蒸發(fā)段管壁和冷凝段管壁直接將熱量傳給冷流空氣，避免了普通換熱器通過第三方換熱介質傳熱所造成的熱能損失，提高換熱效率;

b) 由于其蒸發(fā)段和冷凝段分開，可以避免制造很長的輸送風道。據文獻報道[8]，蒸發(fā)段和冷凝段的距離可達上百米乃至數百米，這一點對于礦上場地擁擠，或進風井與回風井距離相對較遠的工礦地區(qū)來說，具有更大的意義;

c) 與常規(guī)的熱管換熱器相比，分離式熱管的蒸汽在冷凝段中自上而下與液膜同向流動，可以避免單管式長熱管換熱器易于出現的攜帶極限。因此相同換熱情況下，可以選擇更小直徑的管子做傳熱管，保證裝置的緊湊性;

d) 冷、熱流體完全隔離，可以大幅度地改變冷凝側或蒸發(fā)側面積來調整熱流密度，進而調整熱管管壁溫度，使其保證在低溫流體的露點以上，從而可防止有腐蝕性氣體的露點腐蝕，保證設備的長期運行;

e) 結構設計和位置布置簡單靈活，可以方便實現順、逆流的混合分布，同時可以設置多個冷凝段，將其并聯(lián)使用，對不同環(huán)境的冷源分別加熱，可完全適應不同礦區(qū)的各種要求。

2. 重力熱管換熱器用于礦井回風余熱的回收

對于進風井和回風井處在同一個工業(yè)場地的礦區(qū)，可利用重力式熱管換熱器，在冬季將礦井回風中余熱進行回收，預熱進風井筒;同時，在夏季時經過閥門轉換后，將回風當做冷源使用，達到冷卻進風井筒，降低熱害的效果。

2.1 應用方案簡述

重力式熱管換熱器系統(tǒng)如圖3、圖4所示。

圖3 重力式熱管換熱器剖面圖

1.回風風道;2.進風風道;3.重力式熱管換熱器;4.排風風道;5.新風風道;11、12、21、22、41、42、51、52.各風道內閥門

圖4 重力式熱管換熱器俯視圖

1.回風風道;2.進風風道;3.重力式熱管換熱器;4.排風風道;5.新風風道;11、12、21、22、41、42、51、52.各風道內閥門。

冬季工況下：閥門12、21開啟，11、22關閉;同時，42、51開啟，41、52關閉。礦井回風順著回風風道1引至第三主風道03，并以一定的風速橫向掠過換熱器的蒸發(fā)段。液池中的工作液體受熱蒸發(fā)，蒸汽在壓力差作用下向上流入熱管較冷的冷凝段，放出汽化潛熱;回風放出汽化潛熱后溫度降低，沿著第四主風道04進入排風風道4，最終排至大氣或作為其它方式的熱源繼續(xù)使用;室外的冷空氣順著新風管道5到達第二主風道02，吸收汽化潛熱，達到預熱目的;加熱后的空氣溫度升高到規(guī)定溫度以上，沿著第一主風道01進入進風風道2，最終送入井筒內;冷凝后的工作液體在重力的作用下，回流到蒸發(fā)段的液池當中。只要有加熱源，這一過程就會循環(huán)進行。

夏季工況下：閥門11、22開啟， 12、21關閉;同時，41、52開啟， 42、51關閉。新風溫度較高，蘊含大量低溫熱能;相反，回風側溫度較低，可吸收新風的熱量以達到冷卻新風的目的。工作原理與冬季相似，在此不再贅述。

2.2 方案優(yōu)勢分析

a) 本方案將礦井回風與井筒進風結合在一起進行熱交換，在冬、夏季分別達到預熱和冷卻進風井筒效果;

b) 因為冷、熱流體不同時流過同一換熱器壁面，所以熱管壁面不易損壞，大大增強了設備運行的可靠性，可長期連續(xù)運行;

c) 流體是在熱管外壁橫掠換熱，再加上翅片的存在，因此氣流的擾動性加強，可有效防止積灰;同時熱管壁溫高，管外始終呈干燥狀態(tài)，不會結膜也不易粘附煙灰等，所以可有效防止堵塞;

d) 結構設計緊湊占地空間小，布置簡單靈活，特別是對進風井與回風井位于同一工業(yè)場地的中央并列式或區(qū)域通風式的礦井來說，可以減少過長的風道造成的初投資增大和熱能的損失。

在節(jié)能減排的大政策指引下，尋求更加低碳環(huán)保的方法來進行礦井中通風換熱勢在必行。熱管換熱器因其高效換熱、靈活布置、無耗能等優(yōu)點，必然會在通風換熱領域大展拳腳。