矿井排水在空气压缩机降低排气温度中的应用.pdf

应用 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 3 0 6 0 4 4 矿井排水在空气压缩机降低排气温度中的应用 何 传超 ( 广东松山职业技术学院， 广东韶关 5 1 2 1 2 6 ) 摘要：大流量的矿井排水常年温度处于大约 2 2 的状态。夏天，矿用空气压缩机排气温度超标，影响其可靠工作和运行效 率。用矿井排水冷却空气和压缩机的循环用水能确保空气压缩机循环用水的温度不超标 ，确保空气压缩机的排气温度不超标， 可提高空气压缩机夏天高温季节的运行效率和工作可靠性。 关键词 ：矿井排水 ；空气压缩 机；排 气温度 ；循 环冷却水 中图分类号 ：T D 7 2 4 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 99 4 9 2( 2 0 1 3 ) 0 60 1 6 30 3 Ap p l i c a t i o n o f M i n e Dr a i n a g e i n t h e Ai r Co mp r e s s o r t o Re d u c e Ex h a u s t Ga s Te mp e r a t u r e HE Chu a n c ha o ( G u a n g d o n g S o n g s h a n P o l y t e c h n i c C o l l e g e ，S h a o g u a n 5 1 2 1 2 6 。C h i n a ) Abs t r a c t ：T he t e mp e r a t u r e o f b i g flo w mi n e d r a i n a g e i s a b o u t 2 2 I n s u mme r 。mi n e a i r c o mp r e s s o r d i s c h a r g e t e mp e r a t u r e e x c e e d e di t i n flu e n c e s t h e r e l i a b i l i t y a n d o p e r a t i o n a l e f f i c i e n c y Us e t h e c o o l i n g a i r a n d t he c o mp r e s s o r o f mi n e d r a i n a g e wa t e r r e c y c l i n g c a n e ns ur e t h a t t h e t e mp e r a t u r e o f t h e a i r c o mp r e s s o r wa t e r r e c y c l i n g n o t e x c e s s i v e ， a n d e n s u r e t h e a i r c o mp r e s s o r e x h a us t t e mp e r a t u r e n o t e x c e e d e d I t i mp r o v e s t h e o p e r a t io n a l e f f i c i e nc y a n d r e l i a b i l i t y 0 f t h e a i r c o mp r e s s o r i n h i g h t e mp e r a t u r e s e a s o n K e y wo r ds ：mi n e d r a i n a g e：a i r c o mp r e s s o r ；d i s c h a r g e t e mp e r a t u r e：c y c l e c o o l i n g wa t e r O引言 矿用空气压缩机是专 为风动机械提供动力用 风 的设备 。空气压缩机夏天排气温度常超标 ，有 时高达 1 6 0 以上 ，排气温度过高一方面使活塞 与气 缸间的润滑油失效造 成机械 故障甚至停机 ； 另一方面使得压缩机 的压缩功剧增 ，耗电急剧增 加 。造成压缩 机排气温度过高的主要原因是压缩 机压循环冷却 用水温度过高。空气压缩机压缩空 气过程中产生的热量由冷水带走，水从空气压缩 机 吸热后成了热水进入冷却塔 ，由大气吸热后降 温成冷水 ，循 环使用 ，称为循环冷却 水。夏天大 气温度高循环冷却水温也高了，通入空气压缩机 内吸热量减少 ，排气温度 自然也就上升了。 矿山井下工作场地有地下水涌出 ，各工作面 上 的涌水汇集 于水池 中由水泵排至地表直接流 人 江河 中 ，这 称为 矿井排 水 。 由于井 下地 温恒 定 ，矿井 排水 的水 温接 近于恒温 ，常在 2 2 左 右。矿井排水量大 ，一般矿井每小时排水量有数 百吨 ，处于地下水层 中的大型矿 山，如广东凡 口 矿每小 时排水量可达上千吨。这就给空气压缩机 的循环冷却用水提供 了夏天冷却介质。矿井排水 含有泥尘和少量对金属有腐蚀性 的介质 ，有时还 含有硬水 中的钙离子 ，不能直接用于空气压缩机 的冷却。只能将其替代大气来冷却空气压缩机排 出的热水 。 1 空气压缩机简介 矿 山用 空气 压缩机多为往复 活塞式 压缩机 。 它的工作原理和理论循环如图 1 所示 ，活塞 1 由动 力机构经平面曲柄机构拖动，在气缸2 内作往复 直线运动 ，当活塞 1 从左 向右移时 ，缸 内容积加 大，气压下降，压差作用下 ，吸气阀3 打开气缸 进人 吸气行程。当活塞移至右点时 ，吸气过程结 束；开始左移，压缩已吸人的空气，压力上升至 排气压力 ( 略高于储气罐压力)时，排气阀4 在 收稿 日期 ：2 0 1 21 22 8 二 二 二 图 1 压缩机示意图 压差作用下打开 ，活塞左移推动缸 内高压气体排 人储气罐，完成一个循环，为节省压缩耗功和降 低排气温度，矿用空气压缩机多为两级压缩 ，其 图 2理论循环 图 理论循环图如图 2 所示。 大气状态空 气吸人后压缩到 中 间 压 力 P ， 排 至 中 间 冷 却 器 ，由循环冷却 ，水将压缩空气冷 却接近大气温度 后再进人二级压 缩到排空压力 P，进入储气罐 ，完成一个循环。中 间冷却使得进入二级压缩空气温度比一级排气温度 降低很多，其比容也小 ( 比容是指 l 空气所占 的空间容积) 。使得二级压缩过程所耗功比没有中 间冷却时少很多，排气温度也低很多。因此中间冷 却条件好坏是影响空气压缩机的关键。中间冷却减 少压缩功的多少可从 图 2 中的阴影面积大小来 反 映。中间冷却条件好，进入二级压缩空气温度低， 吸人二级压缩空气的比容低，阴影面积加大，其节 省压缩功就大， 二级压缩排气温度也低。矿用空气 压缩机排气温度超标主要是二级压缩的排气温度 ， 此外，气缸周围没有冷却水套 ，它将带走压气过程 中产生的部分热量，气缸冷却好，空气压缩带走热 量多，排气温度低，压缩空气过程消耗的功更小。 2 技术方案 现有 的空气 压缩机 的循 环冷却 水 系统组成 为：冷水池一冷水泵一送水至空气压缩机内的冷 却器 ( 包括气缸水套 、中间冷却器 、压后冷却 器 )一热水池一热水泵一热水冷却塔一冷却池。 热水冷却是将从空气压缩机出来的热水从热水池 中用热水泵抽至冷却塔上面喷淋下浇，塔下部有 常温空气进入沿塔身上升 ，上升过程中与热水交 换热量变为热气 ，从塔顶 冒出 ，热水放热降温后 从塔底返入冷水池 ，夏天空气温度高 ，改用矿井 排水冷却从热水池抽来的热水 ，取代热水冷却塔 。 矿井排水冷却器由沉入矿井排水渠的钢管束 组成 ，矿井排水从副井 ( 或运输井)出来，压气管 也从此井送人井下 ，因此空气压缩机房在副井周 围。矿井排水至地表后常由明渠排至江河中，排水 明渠离压气房不远。将一段排水明渠设一闸板，使 渠内水层加深 ，换热管束沉于矿井排水层中，管束 内流过循环热水，管束外流过矿井排水 ，两者逆流 布置。空气压缩机排出的热水汇人热水池 ，由热水 泵从热水池中抽至管束 内流过 ，换热后流回空气压 缩机的冷却水池中供空气压缩机冷却用。换热管束 沉于矿井排水层下 ，水较深 ，从矿井送来 的冷水经 管束吸热后上浮由闸板溢出，图3 为示意图。 R， J 、 ， J 、 旷井排水 、 图 3换热管束不意图 3 换热管束设计计算 3 1 设计计算 内容 换热管束是管 内热水与管外矿井水之间的换 热装置 。设计计算时 ，要根据其要求循环水的温 差和流量确定换热量 ，再根据结构尺寸 与换热状 态计算传热系数 ，由 计算定下换热管束的表面 积 ，最后确定管束的长度和单根管道的直径 。 计算传热系数 K按管 内压力水流和管外无压 流动的状态近似计算。计算时要确定管内热水对 管内壁 的对流换热系数 O g 。 ，以及管外壁矿井排水 无压流动时对外壁的对流放热系数 ，为了计算 上述 内容 ，还需要现运行空气压缩机 的参数 ，如 二级压缩过程指数 、中间冷却器的参数等。 3 2空气压缩机运行参数确定 3 2 1 二级压缩过程平均指数确定 如二级压缩的进气温度 和压力 P 以及排空 何传超：矿井排水在空气压缩机降低排气温度中的应用 温度 和压力 P ，则二级过程平均指数 ： 莉 l n ( p 2 p 1 ) 3 2 2 中间冷却器换热系数和换热面积之乘积K F 确定 测记下中间冷却器进出水温t ： 、 ： 。装水表 计冷却水流量q ，进出压缩空气的温度t 、 ： 。 按理论排气量计算其压缩空气的质量流量 历 ： ： 历2 = o P0 6 0 。理论排气量； P 。 大气状态 ( 标准 )空气密度。 中间冷却器换热量：Q = C 历 ： 一 ： ) 中间冷却器的对数温差 ： m ； 其 中 ： A t = - t ； ( 逆 流 )； A t = ； 一 t ：； KF = 。 3 2 3 确保二级排气温度 一 达标 应确保二级吸气温度 一 。 ，空气压缩机二级 排气 温度行业规定 t 一 ： 1 6 0 C ，即已知为 r 2 一 = t 2 2+2 7 3 C =43 3 K 。 一 一 ( ) ； 其 中： 凡 z为二级压缩平 均指数 ( 通常在 1 2 01 3 5 之间) 。 3 3 空气压缩机循环冷却水工作温度确定 空气压缩机循环冷却水工作温度主要 由中间冷 却器确保，其出气温度小于 一 ， 对应的中间冷却 器工作换热量 Q z = 历 2 C p ， 2 一 2 ) = 历 C p ， 2 一 t 2 一 1 ) 。 中间冷却器工作计算温差 f 由下式计算： ：a t ； - m； 一 。 + ) 一 q O 一 f ) = Qz t l t 2 冷却水人出 口温差 ： 入水温 t - _ ( 待定) ，代入求解此方程可得 t】。 3 4 矿井排水换热管束设计 3 4 1 换热管束结构确定 换热管束设定为z 根，直径为d，管厚度 的 管子 ，并列置于矿井排水面以下。空气压缩机的循 环排水在管束内流动，管束外为矿井排水，两者逆 向流动。管内壁与热水对流换热按压力水流类型计 算，管外矿井排水与外壁换热用无压自然对流来近 似计算。流过管内热水流量按热水泵的流量 历 计， 其流人口 处温度为改造前的中间冷却器测得的 温度 t ： ，出口温度为前已计算出来的要求冷却水 的温度t ，再减去一个吸热温差 ，这主要考虑 t 。 已低于周 围大气温度 ，流动过程在冷水池中会吸 收周围热量 ，温度会上升，为保证空气压缩机中问 冷却的人 口水温为 。 ，矿井水冷却后的循环水温应 低于 t ，流动吸热进入水池后方能确保低于 t 。 3 4 2 换热管束传热系数的确定 换热管束传热过程为：循环热水对管内壁表 面放热 ，再通过管壁导热 ，传到管壁外表面对管 束外的矿井排水对流放热。其热阻由三部分组 成 ：内壁对流热 阻、壁厚导热阻 、管外壁对流热 阻。根据传热计算公式传热系数： 1 ， l 2 其 中： 为内壁对流放热系数； 为外壁对 流放热系数； A为管壁材料导热系数。 、a ： 通过相似准则方程计算 ： O n 2a m u p o t l-一 ； 流雷诺数： ： V d 。 c ( G 尸 2 ； 其 中的C、 n、B、 得 其中的 R 为热水 其中 G = B g d _ 3 At ； P 、 均可查流体手册 3 4 3 矿井排水换热管束耗热量确定 按热水泵流量 ，人 口温度为现运行时 ( 未改 前 )中间冷却器排水温度 t l，出 口温度为 t 。 一 ， z 为流动过程升温 ，可根据实际流程 吸 热 情 况 确 定 。 管 束 换 热 量 为 Q ， 则 Q =g t C e l l ) 。, I t- ( t- A t 3 4 4 管束长度确定 前面 已确定 了管束 中管子 根数 z和 内径 d， 为便于计算 ，管束外矿井排水温按定温处理 ，这 主要是矿井排水量大 ，换热时间短 ，这样也便于 分析，其换热对数温差 为： At一 ( 0 一 1 一 I t o 一 ( l A t ) 一 ， ， I n 二 ! ； I t 0 - ( t 】 一A t ) 】 ( 下转 第 1 8 7 页) 二 二 二 二 二 吴宏新： C M O S 集成电路测试与巧妙应用 庳用 ( + f 1 ) 2 ， + f ( + ， ) 2 时 ，与非门输 出低 电压 ( 逻辑 电平 “ 0 ”) ，反之 ，与非门输 出高电压 ( 逻 辑电平 “ l ”)为调试整定时，设计当I ， ， ( 相电 压) 或 、 ， 等于或小于0 5 倍正常相电压时被 视为断相故障。 当三相电源正常时，+ f 1 、( 十 + 3 ) + f 1 ( + f 2、+ ， 3 ) 2 ，与非门输 出低电平 ，三极 管处于截止状态 ，微型继电器 KA处于断电状态 ， 常闭接点K A闭合 ，K M线圈得电，电动机可正常 起动和运转。 当所供本电动机线路 ( 即供电变压器二次侧) 发生断相故障时，其所对应相的相电流会降低或为 零 。那么 ，与非门相对应的那相输入低电平，输出 为高电平，使三极管基极处于高电位而导通，微型 继电器K A得电吸合 ， 使其常闭接点K A断开，K M 线圈断电，主回路动作跳闸起到保护作用 。 当供电变压器一次侧发生 断相故障时 ，其所 对应 的二次侧 电压并非等于零 ，还有正常 时 3 0 5 0 左右 的电压 。按最高 电压计算 ，+ ， ( + z 2、+ z 3)=0 50 8 V I I ( +V1 2、+ 1 3) ( + f 1 ) 2 或 ( + + n) 2 ，与非 门输入端相 对应的相输入电压 l 1( 或 l ，、 )会小于与 非门电源 电压 。与非 门输 出高电平 ，三极管饱 和导通， 微型继电器K A得电吸合，使其常闭接点 K A断开，K M线圈断电，主回路动作跳闸起保护 作用 。需要指出的是 ，当该装置用晶闸管交流或 直流调压 电路 中时，在其控制角 内，线路相当于 瞬时断相故障状态 ，电路 中滤波 电容起一定 的延 时作用，以免误动作。 3结束语 只用万用表就可 以测试 C MO S 集成电路性 能 好坏的方法，已经在笔者单位推广使用，实践证 明该测试方法测试速度快、所需设备少。而笔者 所设计 的三相电动机断相保护器也 已在工厂试验 使用 。经过一段 时间的运行 ，该断相保护器性能 稳定可靠，对低压侧和高压侧的断相故障，都有 很好的保护作用 。 参考 文献 ： 1 王志功，窦建华 C O MS 数字集成电路分析与设计：第 三版 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 9 2 王兆安 电力电子技术：第五版 M 西安 ：西北_ 3- 业大学出版社，2 0 0 6 3 颜建忠 交流异步电动机调压调速装置 J 煤矿机 电 1 9 9 1( 2 ) ：3 6 3 8 作者简介：吴宏新 ，男，1 9 7 5 年生，广东河源人，大学本 科，讲师。研究领域：机电一体化。已发表论文2 篇。 - 1- - 卜 一 - - 一 - 卜 +- 一 - 卜- - + - - - - t- +- +- +一 +- + 一- +一 十一 +一 十- +- ( 上接 第 1 6 5页) 换热面积 Fs = ； S ms F 管束长度 2 = 。 Z 竹 口 4 效果及注意事项 经改造大气温为 3 6 时，循环冷却水工作温 度为2 7 2 9 ，空气压缩机二级排气温度为 1 4 8 oC1 5 2 oC，控制了排气温度超标现象。据 粗略统计可省电5 1 ，因为每天实际排风量均在 变化 ，故节电数字对比只是一个粗略参考值。 此项改造 时 ，要保 留原有 的空气压缩机的循 环水冷却系统，季节变化时，当矿井排水温度高 于大气温度时，宜用原来的循环水冷却系统。 矿井排水换热管束外表易结泥尘 ，影响传热 效果 ，要常清洗，设置时应考虑方便清洗外表泥 尘 。矿井排水明渠 置放换热管束的区段 ，最好用 一 溢流 闸门，正常工作时矿井排水溢过闸门 ，以 - -L ( 编辑 ： 王智 圣) 一 -+ 一 卜 - - + - - + 确保换热管束所需沉没的水层深度 ，清洗外积泥 尘时， 将闸门全开，泥尘可顺流冲走。 由于矿井排水中的成分复杂，一般通常不宜 将其直接用于矿用空气压缩机的冷却，尽管这样 冷却效果好 ，且设备改动小，但会对空气压缩机 产生腐蚀和结垢 ，这类故 障很难处理 。只有经化 验其成分达到冷却水要求时方可真接用于空气压 缩机的冷却 。 参考文献 ： 1 蔡 文娟 物理化 学 M 北京 ：冶金工业 出版社 1 9 9 5 2 朱光俊 传输原理 M 北京 ：冶金 工业出版社 ， 20 09 作者简介：何传超 ，男，1 9 7 5 年生，安徽六安人 ，大学本 科 ，讲师。研究领域：化工工艺与节能环保。已发表论文 5 篇。 ( 编辑： 王智圣)