[发明专利]一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法

摘要

本发明公布了一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法，所述空冷设施包括局部通风机、空冷器、风筒三部分，该优化计算方法以空冷器出口断面至风筒出口断面为热力系统，依据能量守恒定律分析风筒内风流、风筒外风流以及巷道围岩三者之间的耦合热交换关系，分别建立风筒内、外风流热平衡方程，采用有限差分法对该热平衡方程进行数值离散求解，可获得风筒内和风筒外沿程风流温度以及风筒内风流和风筒外风流混合后的风流温度。该优化计算方法能实现对单台或多台空冷设施布置位置及方式的优化计算，可对空冷器与采煤工作面之间距离、空冷器后接风筒长度以及布置多台空冷设施时各个空冷设施相距位置进行计算优化。

主权项

1.一种高温矿井进风顺槽空冷设施优化布置方法，其特征在于，所述优化布置方法相关设施包括进风顺槽(01)、巷道围岩(02)、局部通风机(03)、空冷器(04)、风筒(05)、风筒内风流(06)、风筒外风流(07)、采煤工作面(08)；所述空冷设施位于矿井进风顺槽(01)内部，其包括局部通风机(03)、空冷器(04)以及风筒(05)三部分；所述空冷设施优化布置方法是以空冷器(04)出口断面至风筒(05)出口断面间的热力系统为研究对象，依据能量守恒定律对风筒内风流(06)、风筒外风流(07)以及巷道围岩(02)三者之间的耦合热交换关系进行分析，分别建立风筒内、外风流热平衡方程，采用有限差分法对该热平衡方程进行离散求解，得到风筒内风流(06)温度、风筒外风流(07)温度及风筒内风流(06)和风筒外风流(07)混合后的风流温度；所述优化布置方法具体实施步骤包括如下：第一步，构建数学模型方程以空冷器(04)布置位置为坐标原点，沿进风顺槽(01)中心线为x轴，并以风筒外风流(07)方向作为x轴正方向，在空冷器(04)出口断面至风筒(05)出口断面间任取一微元段dx，该微元段风流温度变化为dT，分别列出其间风筒内风流(06)和风筒外风流(07)的热平衡方程，得到(1)风筒内风流(06)热平衡方程M₁C_PdT₁＝(T₂‑T₁)kπDdx‑M₁gsinθdx(2)风筒外风流(07)热平衡方程M₂di₂+(i₂‑i₁)dM₁＝(T₁‑T₂)kπDdx+k_τ(T_gu‑T₂)Udx‑M₂gsinθdx式中：M₁、M₂为风筒内风流(06)和风筒外风流(07)的质量流量，kg/s；T₁、T₂为风筒内风流(06)和风筒外风流(07)的温度，℃；i₁、i₂为风筒内风流(06)和风筒外风流(07)的焓值，KJ/kg；D为风筒(05)直径，m；k为风筒(05)内外间热交换系数，KW/m²·℃；k_τ为巷道围岩(02)不稳定换热系数，KW/m²·℃；T_gu为巷道围岩(02)原始岩温，℃；U为巷道围岩(02)断面周长，m；g为重力加速度，m²/s；θ为巷道围岩(02)开采倾角(3)根据相关热力学知识，将风筒内风流(06)和风筒外风流(07)相对湿度、含湿量、焓、风筒漏风率以及与风流温度有关的常数分别代入风筒外风流(07)热平衡方程式，得到式中：C_p为干空气的定压比热容，常取C_p＝1.005kJ/(kg·℃)；r为水蒸汽的汽化潜热，常取r＝2501kJ/kg；风筒内风流(06)和风筒外风流(07)始端相对湿度；为风筒内风流(06)和风筒外风流(07)相对湿度变化率；c为风筒(05)平均漏风率，m³/m；ρ为空气密度，kg/m³；d₁为风筒内风流(06)含湿量，kg/kg；b、ε′以及p_m为与风流温度有关的常数为简化分析，令：B₃＝k_τU因此，风筒外风流(07)热平衡方程式可表示为：B₁dT₂＝B₂(T₁‑T₂)+(T_gu‑T₂)B₃+B₄‑B₅T₂(4)热平衡方程边界条件式中：T_in为空冷器(04)出口风筒内风流(06)温度，℃；T_out为空冷器(04)出口处风筒外风流(07)，℃上述完成了对进风顺槽(01)单台空冷设备时数学模型的描述，对于进风顺槽布置多台空冷设施时，采用同样的原理方法进行描述；第二步，采用有限差分法对数学模型方程离散求解假定空冷器(04)出口断面至风筒(05)出口断面之间的距离为L，将其之间的巷道围岩(02)及风筒(05)均等分为n‑1段，则每段长度为Δx＝L/(n‑1)，令风筒外风流(07)节点编号i均为偶数，风筒内风流(06)节点编号j均为奇数，依据有限差分法，得到风筒内、外风流热平衡方程的离散方程(1)风筒外风流(07)热平衡方程离散‑B₂T_i‑3+(‑2B₁+B₂+B₃+B₅)T_i‑2‑B₂T_i‑1+(2B₁+B₂+B₃+B₅)T_i＝2B₃T_gu+2B₄,(i＝4,6...2n)(2)风筒内风流(06)热平衡方程离散即上述完成了进风顺槽(01)中布置单台空冷器(04)时风温计算数学模型，求解该数学模型即可得到风筒外风流(07)以及风筒内风流(06)各节点的温度；第三步，计算风筒(05)出口内外风流混合后的温度忽略风流空冷长度，假设风筒内风流(06)与风筒外风流(07)在风筒(05)出口处即充分混合，则可建立风流混合前后热平衡方程，得到M₁i₁+M₂i₂＝(M₁+M₂)i₃将风筒外风流(07)和风筒内风流(06)相对湿度、含湿量以及焓分别代入风流混合前后能量平衡方程中，得到式中：i₃为风筒内风流(06)和风筒外风流(07)混合后风流的焓，KJ/kg；T₃为风筒(05)出口处巷道、风筒及混合风流的温度，℃；为风筒内风流(06)和风筒外风流(07)混合后风流的相对湿度；对上述方程式整理，得到在实际应用过程中，对于单台空冷设备通过调整进风顺槽内空冷设施的空冷器(04)与采煤工作面(08)之间的距离以及风筒(05)的长度，进而制定最优的布置方式。