一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统及方法
阅读说明：本技术 一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统及方法 (System and method for recycling waste heat of return air shaft in cold mine area ) 是由 徐宇 李孜军 王君健 陈寅 贾敏涛 李蓉蓉 王巧莉 章梦胜 张修智 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统及方法,该装置包括余热回收预热机构和半导体热电转换机构；该方法包括步骤一、回风过滤网的安装；二、回风井内矿井回风的过滤；三、矿井回风余热的回收和进风预热；四、判断进风井内的风流温度是否大于设定的最低温度；五、半导体热电转换机构对蓄电池进行充电；六、半导体热电转换机构对进风加温；七、再次判断进风井内的风流温度是否大于设定的最低温度；八、电辅助加热器对进风加温。本发明能够对回风余热进行回收,同时能够通过回收的余热进行进风预热和温差发电,实现了在加热进风的同时进行发电的能源综合利用,提高了能量的利用率,实现了物尽其用,节约了矿井建设的固有资产。(The invention discloses a waste heat recovery comprehensive utilization system and method for a return air shaft in a cold mining area, wherein the device comprises a waste heat recovery preheating mechanism and a semiconductor thermoelectric conversion mechanism; the method comprises the steps of firstly, mounting a return air filter screen; secondly, filtering mine return air in a return air well; thirdly, recovering the waste heat of return air of the mine and preheating the inlet air; judging whether the temperature of the air flow in the air inlet well is higher than the set lowest temperature or not; fifthly, charging the storage battery by the semiconductor thermoelectric conversion mechanism; sixthly, heating the inlet air by the semiconductor thermoelectric conversion mechanism; seventhly, judging whether the temperature of the air flow in the air inlet well is higher than the set lowest temperature again; eighthly, heating the inlet air by an electric auxiliary heater. The invention can recover the waste heat of the return air, and can simultaneously carry out air inlet preheating and thermoelectric generation through the recovered waste heat, thereby realizing the comprehensive utilization of energy sources for power generation while heating the inlet air, improving the utilization rate of energy, making the best use of things and saving the inherent assets of mine construction.)
技术领域
本发明属于矿井余热回收利用节能技术领域，具体涉及一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统及方法。
背景技术
低温是制约矿井开采的一大因素，我国《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423-2020)中明确指出，进风井巷空气温度应不低于2℃；低于2℃时应有空气加热设施，且不应采用明火直接加热进入矿井的空气。我国现存寒冷矿区较多，一方面在我国北方地区，由于纬度较高，导致冬季环境温度偏低，在未进行预热时矿井进风口温度普遍低于2℃；另一方面近年来资源需求量逐步增大，矿物开采逐步转向西部地区，矿山地处高海拔导致温度较低，时常出现冻冰现象。在低温环境下工作，工作人员和机械设备的工作效率大幅下降，不仅会限制矿产资源的顺利开发，且冻冰坠落还会威胁到工人的生命安全。
当前矿山采取的主要预热措施有电预热、加热炉预热等，对于高海拔矿山而言，电费昂贵，资源运输难度大。且通过加热炉预热会消耗大量资源，生成诸多污染物，造成温室效应，不利于进行绿色矿山的建设。而矿井回风具有风量大、回风温度恒定等特点，作为一种重要的低温余热资源，近年来被广泛应用于代替传统热风炉为井口供暖。但是目前的矿井余热回收装置大多使用直冷式或喷淋式进行换热，其设备笨重、建立成本高、故障率高。热管换热器虽具备极简的工艺性和较高的传热性能，可用于回收利用存在于固、液、气等多种形式介质中的余热，但由于矿山进风井与回风井距离通常较远，因而时有对进风的预热不佳的情况出现。且在现有研究中热管换热只能进行一级能量回收，无法调节制冷量，从而易造成能量的浪费以至于发生过冷或过热现象，影响工人的体感舒适度。现阶段对于矿井回风余热的回收利用尚不完善，不能达到充分利用资源，节能绿色开采的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其将重力式热管和半导体热电转换机构组合在一起对余热资源进行回收，重力式热管一方面能够通过回收的余热资源产生热量进行进风的预热，另一方面还能够利用重力式热管产生的剩余热量用于半导体热电转换机构的温差发电，实现了在加热进风的同时进行发电的能源综合利用，提高了能量的利用率，半导体热电转换机构既可作为温差发电装置使用，又可提升重力式热管的换热能力，且作为进风预热装置，物尽其用，节约了矿井建设的固有资产。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：包括回风井、进风井、连接在回风井和进风井之间的余热回收预热机构和设置在进风井内与所述余热回收预热机构相配合的热电转换系统，所述热电转换系统通过单刀双掷开关与蓄电池和外加电源连接，所述热电转换系统的输出端和蓄电池之间连接有稳压器，所述回风井内设置有回风风机，所述进风井内设置有进风风机和电辅助加热器，所述热电转换系统位于电辅助加热器和进风风机之间；
所述余热回收预热机构包括多个重力式热管，所述热电转换系统包括多个相串联的半导体热电转换机构，所述半导体热电转换机构的数量与重力式热管的数量相等且一一对应，每个所述重力式热管的外侧均设置有热管隔热层，所述重力式热管包括蒸发段、冷凝段和换热段，所述蒸发段位于回风井内，所述冷凝段位于进风井内，所述半导体热电转换机构的一端与冷凝段贴合；
所述进风井内设置有温度传感器，所述电辅助加热器、单刀双掷开关和温度传感器均与控制器连接。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述回风井的井壁上设置有回风隔热层，所述进风井的井壁上设置有进风隔热层。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述回风井内设置有回风过滤网，所述回风过滤网位于回风风机和所述余热回收预热机构之间。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述蒸发段上设置有换热翅片，所述蒸发段的外壁上包裹有吸热材料，所述换热段的内部填充有换热工质，所述热管隔热层包裹在换热段的外部。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述蓄电池上通过逆变器连接有矿井照明设备和矿用电器；
所述控制器、蓄电池和逆变器均置于矿井外的蓄电利用控制室内。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述半导体热电转换机构包括P型半导体、N型半导体和金属导流条，所述P型半导体和N型半导体通过金属导流条串接。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述半导体热电转换机构上与冷凝段贴合的一端为C型端，所述半导体热电转换机构的C型端扣设在多个重力式热管的冷凝段上。
上述的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，其特征在于：所述单刀双掷开关的动触点与半导体热电转换机构的输入端连接，所述单刀双掷开关的第一静触点与蓄电池连接，所述单刀双掷开关的第二静触点与外加电源连接。
本发明还公开了一寒冷矿区回风井余热回收综合利用的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、回风过滤网的安装：在回风井内安装回风过滤网，同时使回风过滤网位于回风风机和所述余热回收预热机构之间；
步骤二、回风井内矿井回风的过滤：回风风机将经过连接巷道进入回风井内的含有大量低温热能的矿井回风抽送至回风过滤网进行过滤，进而流向所述余热回收预热机构；
步骤三、矿井回风余热的回收和进风预热：当回风井过滤后的矿井回风流过所述余热回收预热机构时，给予重力式热管的蒸发段热量，使换热段内的换热工质发生相态变化并携带大量热能朝着冷凝段转移，当发生相态变化后的换热工质移动到冷凝段后，关闭电辅助加热器，通过冷凝段将换热工质的热量散发对进风进行预热，同时换热工质发生相态变化，受重力作用沿换热段管壁回到蒸发段；
步骤四、判断进风井内的风流温度是否大于设定的最低温度：通过温度传感器实时监测进风井内的温度，当进风井内的温度大于设定的最低温度时，执行步骤五；当进风井内的温度小于或等于设定的最低温度时，执行步骤六；
步骤五、半导体热电转换机构对蓄电池进行充电：通过控制器控制单刀双掷开关动作，使多个相串联的半导体热电转换机构和蓄电池构成一个回路，半导体热电转换机构受塞贝克效应作用产生电动势，在稳压器的作用下稳定输出并被保存在蓄电池中；
步骤六、半导体热电转换机构对进风加温：通过控制器控制单刀双掷开关动作，使所述半导体热电转换机构和外加电源构成一个回路，利用帕尔贴效应促进重力式热管换热器吸收回风余热，从所述半导体热电转换机构上远离冷凝段的一端释放热量对进风井内的进风加温；
步骤七、再次判断进风井内的风流温度是否大于设定的最低温度：当进风井内的温度大于设定的最低温度时，返回步骤三；当进风井内的温度小于或等于设定的最低温度时，执行步骤八；
步骤八、电辅助加热器对进风加温：启动电辅助加热器对进风进行加温。
上述的方法，其特征在于：步骤五中对蓄电池进行充电时，半导体热电转换机构上与冷凝段贴合的一端受热，温度升高，进而使得半导体热电转换机构上与冷凝段贴合的一端与半导体热电转换机构上处于寒冷地区进风直吹的另一端之间产生温度差，进而受塞贝克效应作用产生电动势。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的系统，通过将多个重力式热管组合在一起形成余热回收预热机构，并将余热回收预热机构和半导体热电转换机构结合在一起进行矿井回风余热的回收和利用，余热回收预热机构能充分利用矿井回风中的低温热能对矿井进风进行预热，半导体热电转换机构能将余热回收预热机构产生的剩余热量进行温差发电，进而将电能储存在蓄电池中备用，整个过程无需采用额外燃料进行进风的加热，节约资源，绿色环保。
2、本发明采用的系统，通过将半导体热电转换机构的一端和重力式热管的冷凝段贴合，当重力式热管转换的热量不足以支持进风预热的需求时，通过外加电源在半导体热电转换机构上通上直流电时，半导体热电转换机构可提取贴合重力式热管一端的热量传递至另一端，使重力式热管吸收矿井回风余热的能力加强，可进一步提高重力式热管的换热效率，提高能量利用率。
3、本发明采用的系统，通过在进风井内设置电辅助加热器，当回收的矿井回风余热不足以对进风进行预热时，可通过电辅助加热器对进风进行辅助加温，进而避免由于对进风预热不佳导致矿井出现低温环境，进而降低工作效率。
4、本发明采用的方法，当矿井回风余热足以对进风进行预热时，重力式热管除了被用于加热矿井进风外，其剩余产生热量可用于半导体热电转换机构进行温差发电，所产生电能被储存在蓄电池中用于给矿井中各设备供电，对能量进行了二级回收，一方面可控制重力式热管加热进风时不会出现过冷过热现象，另一方面又可充分利用能量资源，防止浪费。
5、本发明采用的方法，当矿井回风余热不足以对进风进行预热时，半导体热电转换机构除进行温差发电外，仍可进行综合利用，当季节转换，重力式热管换热不能满足矿井进风预热需求时，可通过设置外加电源，利用热电材料的帕尔贴效应进行矿井进风的加温，可达到物尽其用，减少额外经济支出的作用。
综上所述，本发明将重力式热管和半导体热电转换机构组合在一起对余热资源进行回收，重力式热管一方面能够通过回收的余热资源产生热量进行进风的预热，另一方面还能够利用重力式热管产生的剩余热量用于半导体热电转换机构的温差发电，实现了在加热进风的同时进行发电的能源综合利用，提高了能量的利用率，半导体热电转换机构既可作为温差发电装置使用，又可提升重力式热管的换热能力，且作为进风预热装置，物尽其用，节约了矿井建设的固有资产。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明余热回收综合利用系统的使用状态图。
图2为本发明重力式热管的换热原理图。
图3为本发明半导体热电转换机构的温差发电原理图。
图4为本发明半导体热电转换机构的进风加温原理图。
图5为本发明的控制框图。
图6为本发明方法的流程框图。
附图标记说明:
1—回风井； 2—回风风机； 3—回风隔热层；
4—回风过滤网； 5—重力式热管； 5-1—蒸发段；
5-2—冷凝段； 5-3—换热段； 5-4—换热翅片；
5-5—吸热材料； 6—热管隔热层； 7—进风井；
8—进风隔热层； 9—半导体热电转换机构； 9-1—P型半导体；
9-2—N型半导体； 9-3—金属导流条； 10—外加电源；
11—电辅助加热器； 12—温度传感器； 13—进风风机；
14—控制器； 15—稳压器； 16—蓄电池；
17—逆变器； 18—矿井照明设备； 19—矿用电器；
20—单刀双掷开关。
具体实施方式
如图1至图5所示的寒冷矿区回风井余热回收综合利用系统，包括回风井1、进风井7、连接在回风井1和进风井7之间的余热回收预热机构和设置在进风井7内与所述余热回收预热机构相配合的热电转换系统，所述热电转换系统通过单刀双掷开关20与蓄电池16和外加电源10连接，所述热电转换系统的输出端和蓄电池16之间连接有稳压器15，所述回风井1内设置有回风风机2，所述进风井7内设置有进风风机13和电辅助加热器11，所述热电转换系统位于电辅助加热器11和进风风机13之间；
所述余热回收预热机构包括多个重力式热管5，所述热电转换系统包括多个相串联的半导体热电转换机构9，所述半导体热电转换机构9的数量与重力式热管5的数量相等且一一对应，每个所述重力式热管5的外侧均设置有热管隔热层6，所述重力式热管5包括蒸发段5-1、冷凝段5-2和换热段5-3，所述蒸发段5-1位于回风井1内，所述冷凝段5-2位于进风井7内，所述半导体热电转换机构9的一端与冷凝段5-2贴合；
所述进风井7内设置有温度传感器12，所述电辅助加热器11、单刀双掷开关20和温度传感器12均与控制器14连接。
实际使用时，通过将多个重力式热管5组合在一起形成余热回收预热机构，并将余热回收预热机构和热电转换系统结合在一起进行矿井回风余热的回收和利用，余热回收预热机构能充分利用矿井回风中的低温热能对矿井进风进行预热，热电转换系统能将余热回收预热机构产生的剩余热量进行温差发电，进而将电能储存在蓄电池16中备用，整个过程无需采用额外燃料进行进风的加热，节约资源，绿色环保。
需要说明的是，通过将半导体热电转换机构9的一端和重力式热管5的冷凝段5-2贴合，当重力式热管5转换的热量不足以支持进风预热的需求时，通过外加电源10在多个相串联的半导体热电转换机构9上通上直流电时，半导体热电转换机构9可提取贴合重力式热管5一端的热量传递至另一端，使重力式热管5吸收矿井回风余热的能力加强，可进一步提高重力式热管5的换热效率，提高能量利用率。
具体实施时，通过在进风井7内设置电辅助加热器11，当回收的矿井回风余热不足以对进风进行预热时，可通过电辅助加热器11对进风进行辅助加温，进而避免由于对进风预热不佳导致矿井出现低温环境，进而降低工作效率。
实际使用时，通过在重力式热管5的外侧设置热管隔热层6，能够有效减少重力式热管5换热过程中的能量损失。
具体实施时，通过在进风井7内设置温度传感器12，能够通过温度传感器实时监测进风井7内的温度，进而避免进风预热过程中，进风井7内出现过冷或者过热现象。
实际使用时，重力式热管5共设置7排，每排中相邻两个重力式热管5之间相隔0.4m。
本实施例中，所述回风井1的井壁上设置有回风隔热层3，所述进风井7的井壁上设置有进风隔热层8。
实际使用时，通过在回风井1的井壁上设置回风隔热层3在进风井7的井壁上设置进风隔热层8，能有效减少矿井回风和预热后进风的热能损耗，防止风流运输过程中的能量外溢。
本实施例中，所述回风井1内设置有回风过滤网4，所述回风过滤网4位于回风风机2和所述余热回收预热机构之间。
实际使用时，通过在回风井1内设置回风过滤网4，可过滤掉矿井回风中混杂的大颗粒粉尘，进而保证整个预热回收综合利用系统的使用寿命和运行安全。
本实施例中，所述蒸发段5-1上设置有换热翅片5-4，所述蒸发段5-1的外壁上包裹有吸热材料5-5，所述换热段5-3的内部填充有换热工质，所述热管隔热层6包裹在换热段5-3的外部。
实际使用时，通过在蒸发段5-1上设置换热翅片5-4和吸热材料5-5，能有效提高换热效率，进而提高回风余热的回收效率。
需要说明的是，重力式热管5可借用虹吸现象引起质量和能量的转移，当蒸发段5-1有热量输入时，换热段5-3的换热工质吸热，温度升高并发生相变，蒸汽向上移动，到达冷凝段5-2之后释放能量，遇冷凝结，凝结后的换热工质受到重力作用流回蒸发段5-1，整个循环过程无需施加外力，节能高效。
本实施例中，所述蓄电池16上通过逆变器17连接有矿井照明设备18和矿用电器19；
所述控制器14、蓄电池16和逆变器17均置于矿井外的蓄电利用控制室内。
实际使用时，逆变器17能够将蓄电池16中的直流电转化为交流电，进而便于给矿井照明设备18和矿用电器19供电。
本实施例中，所述半导体热电转换机构包括P型半导体9-1、N型半导体9-2和金属导流条9-3，所述P型半导体9-1和N型半导体9-2通过金属导流条9-3串接。
实际使用时，当P型半导体9-1与N型半导体9-2相连结的两端存在温差时，就会产生电流，在稳压器15的作用下，稳定输出的电能被存储到蓄电池16中，一组P-N半导体热电材料所能产生的电流较小，本发明中将多组P-N半导体热电材料串联起来，即可进行温差发电；给由P型半导体9-1和N型半导体9-2组成的热电偶接上一个外加电源10，当电流由金属导流条9-3流向N型半导体9-2时，或由P型半导体9-1流向金属导流条9-3时，结点处会向外界释放热量，形成热端，另一端节点则会不断从外界吸收热量形成冷端，所述半导体热电转换机构所产生制热制冷的功能本质是从半导体热电转换机构一端提取热量传递到另一端，从而形成温差。
本实施例中，所述半导体热电转换机构上与冷凝段5-2贴合的一端为C型端，所述半导体热电转换机构的C型端扣设在多个重力式热管5的冷凝段5-2上。
实际使用时，通过将半导体热电转换机构与冷凝段5-2贴合的一端为C型端，方便半导体热电转换机构的C型端紧扣重力式热管5，增加换热面积，有助于从重力式热管5中提取热量。
需要说明的是，所述半导体热电转换机构上与冷凝段5-2贴合的一端的金属导流条9-3为C型端。
本实施例中，所述单刀双掷开关20的动触点与半导体热电转换机构的输入端连接，所述单刀双掷开关20的第一静触点与蓄电池16连接，所述单刀双掷开关20的第二静触点与外加电源10连接。
实际使用时，通过切换单刀双掷开关20的动触点和两个静触点的开合，即可实现半导体热电转换机构的热转电和电转热操作。
如图6所示的一种寒冷矿区回风井余热回收综合利用的方法，包括以下步骤：
步骤一、回风过滤网的安装：在回风井1内安装回风过滤网4，同时使回风过滤网4位于回风风机2和所述余热回收预热机构之间；
实际使用时，当安装好回风过滤网4后，立即开启回风风机2。
步骤二、回风井内矿井回风的过滤：回风风机2将经过连接巷道进入回风井1内的含有大量低温热能的矿井回风抽送至回风过滤网4进行过滤，进而流向所述余热回收预热机构；
实际使用时，回风井1内的回风在流向所述余热回收预热机构之前均通过回风过滤网4进行过滤，进而能有效避免回风中混杂的大部分杂质进入所述余热回收预热机构中。
步骤三、矿井回风余热的回收和进风预热：如图2所示，当回风井1过滤后的矿井回风流过所述余热回收预热机构时，给予重力式热管5的蒸发段5-1热量，使换热段5-3内的换热工质发生相态变化并携带大量热能朝着冷凝段5-2转移，当发生相态变化后的换热工质移动到冷凝段5-2后，通过控制器14关闭电辅助加热器11，通过冷凝段5-2将换热工质的热量散发对进风进行预热，同时换热工质发生相态变化，受重力作用沿换热段5-3管壁回到蒸发段5-1；
实际使用时，重力式热管5利用虹吸原理实现换热工质在重力式热管5内部循环流动，蒸发段5-1和冷凝段5-2的距离可达上百米至数百米，适用于在进风井7和回风井1之间的连接，无需提供额外的循环动力，节能高效。
需要说明的是，当蒸发段5-1有热量输入时，换热段5-3内的换热工质吸热，温度升高并发生相变，呈蒸汽状态向上移动，到达冷凝段5-2之后释放能量，遇冷凝结，凝结后的换热工质受到重力作用流回蒸发段5-1，可继续进行回风余热的回收和利用，整个循环过程无需施加外力，节能高效。
步骤四、判断进风井内的风流温度是否大于设定的最低温度：通过温度传感器12实时监测进风井7内的温度，当进风井7内的温度大于设定的最低温度时，执行步骤五；当进风井7内的温度小于或等于设定的最低温度时，执行步骤六；
实际使用时，进风井7内的温度不低于2℃。
步骤五、半导体热电转换机构对蓄电池进行充电：通过控制器14控制单刀双掷开关20动作，使多个相串联的半导体热电转换机构9和蓄电池16构成一个回路，半导体热电转换机构9受塞贝克效应作用产生电动势，在稳压器15的作用下稳定输出并被保存在蓄电池16中，如图3所示；
实际使用时，重力式热管5除了被用于加热矿井进风外，其剩余产生热量可用于半导体热电转换机构进行温差发电，所产生电能被储存在蓄电池16中用于给矿井中各设备供电，对能量进行了二级回收，一方面可控制重力式热管5加热进风时不会出现过冷过热现象，另一方面又可充分利用能量资源，防止浪费。
需要说明的是，温度传感器12和稳压器15均串联在半导体热电转换机构和蓄电池16构成的回路中。
步骤六、半导体热电转换机构对进风加温：通过控制器14控制单刀双掷开关20动作，使所述半导体热电转换机构和外加电源10构成一个回路，利用帕尔贴效应促进重力式热管换热器5吸收回风余热，从所述半导体热电转换机构上远离冷凝段5-2的一端释放热量对进风井7内的进风加温，如图4所示。
实际使用时，半导体热电转换机构除进行温差发电外，仍可进行综合利用，当季节转换，重力式热管5换热不能满足矿井进风预热需求时，可通过设置外加电源10，利用热电材料的帕尔贴效应进行矿井进风的加温，可达到物尽其用，减少额外经济支出的作用。
步骤七、再次判断进风井内的风流温度是否大于设定的最低温度：当进风井7内的温度大于设定的最低温度时，返回步骤三；当进风井7内的温度小于或等于设定的最低温度时，执行步骤八；
步骤八、电辅助加热器对进风加温：通过控制器14启动电辅助加热器11对进风进行加温。
实际使用时，在对回风井1的进风进行预热时，需要通过温度传感器12实时监测回风井1内的温度，避免回风井1内过冷或者过热。
需要说明的是，可采用蓄电池16中所积蓄电能对电辅助加热器11供电，能有效提高能量的利用率。
本实施例中，步骤五中对蓄电池进行充电时，半导体热电转换机构9上与冷凝段5-2贴合的一端受热，温度升高，进而使得半导体热电转换机构9上与冷凝段5-2贴合的一端与半导体热电转换机构9上处于寒冷地区进风直吹的另一端之间产生温度差，进而受塞贝克效应作用产生电动势。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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