第 1 章 绪论
1.1 研究背景
能源是经济发展的动力，也是碳排放的主要来源。近年来，推动绿色发展转型成为全球大势[1]。2020 年 9 月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上作出了“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的承诺。相应的“十四五”规划中确立了构建现代能源体系的目标，提出了推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力的要求[2,3]。加速发展节能环保产业，不但有助于“双碳”目标的实现，更有助于构建我国现代能源体系。
我国是世界第一能源消费大国，截止 2020 年，我国煤炭消费占比为 56.8%，比规划目标下降 1.2 个百分点，与 2015 年（63.8%）相比下降了 7 个百分点[4]。尽管当前提出了实现碳达峰、碳中和的目标，但我国能源结构以煤炭为主的状况在较短时间内不会改变[5]。在煤矿产业中，煤矿矿井冬季井口防冻、建筑采暖以及生活用热均需要消耗大量热能，通常这些热源由燃煤锅炉提供，需要燃烧大量的煤炭的同时也造成了大量的污染。“双碳”目标的提出将要求煤炭行业生产更加绿色、低碳、环保。
近年来，国家及各地方陆续发布了包括《大气污染防治行动计划》在内的一系列政策性文件，要求淘汰 10 蒸吨及以下燃煤锅炉，明确了发展清洁供热的方向[6]。随着国家不断对锅炉淘汰政策的落实，如何利用绿色能源解决环保问题成了摆在各企业面前亟待解决的问题。为此，寻求节能环保的新型绿色供热方式同样成为了摆在煤炭企业面前的紧要任务[7]。在我国工业领域，蕴含着大量可利用余热资源，将这些余热资源进行有效回收，为工业生产或生活提供用热需求，不但有可以解决企业的用能问题，而且有助于节能环保。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 矿井回风余热利用技术研究现状
盛振兴[10]等通过结合热管理论，构想了一种矿井回风余热利用的热管换热系统，论证了该系统在经济和技术两方面可行性，并认为其应用前景广阔。
徐国领[11]以平煤三矿具体项目为例，对喷淋式矿井回风取热系统运行原理、系统设备选型进行了说明，对系统运行参数进行了分析，运行效果显示系统具有良好的除尘效果，可满足供热制冷需要，经济和环境效益显著。
刘军辉等[12]介绍了于 2008 年国内首个建成的东庞矿矿井回风余热热泵系统，阐述了该系统的余热资源提取方案和热泵机组的运行方案，并进行了经济效益分析和节能减排效益分析，结果显示该系统具有广泛的推广性。
董志峰等[13]利用 FIUENT 软件模拟研究了喷淋换热器安装高度和换热效率之间的关系，研究表明随换热器安装高度的增加换热性能也逐渐增加，但增加幅度逐渐减少，最后建议喷淋高度选在 10m 左右比较合理。
李注江等[14]在分析了煤矿产业热能现状的基础上，提出将热管技术应用于矿井回风中的余热利用，将矿井回风中的余热回收用于井口防冻等。
孙洋结[15]合冀中能源羊东矿余热回收项目,介绍了矿井回风余热利用系统中整体式热管换热器的设计方法，对系统运行效果进行了经济性分析。运行效果显示当新风平均温度超过临界温度时,该系统可实现新风预热功能。
牛永胜[16]针对高温热害矿井，以矿井回风余热作为冷热源，设计了一套可解决井下降温和地面用热问题的综合系统，使得设备投资以及运行成本大大降低。
白延斌[17]对矿井回风余热利用技术中的喷淋取热系统和直蒸取热系统原理进行了阐述，将其与其他新热源比较后，认为其它新能源不能满足需求时，应优先考虑矿井回风余热利用方案。
熊楚超等[18]在分析了现有矿井回风余热利用系统各自弊端的基础上，结合西铭冀家沟煤矿的具体项目，提出了分体式余热回收系统，经过分析认为该系统经济效益和环保效益良好，为井口防冻问题提供了新的方案。
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第 2 章 磁窑沟煤矿矿井回风换热系统设计
2.1 工程概况
2.1.1 自然条件
山西磁窑沟煤矿位于山西省忻州地区西北部河曲县，据统计，其年平均气温为8.8℃，冬季平均温度为-9.4℃，采暖室外计算温度为-16℃，最低气温集中于 1 月份，冬季极端温度为-26.9℃，采暖天数 180 天。
2.1.2 项目背景
磁窑沟煤矿工业场地现有一座集中燃煤锅炉房，内部设有 3 台 4 蒸吨燃煤蒸汽锅炉，为厂区生产及生活提供热源。磁窑沟煤业有限公司隶属于山西晋神能源有限公司，位于山西省忻州市河曲县境内。根据山西省人民政府淘汰 10 蒸吨及以下燃煤锅炉的通知，磁窑沟属于锅炉淘汰范围之列。而矿井回风中含有大量的低温余热，提取矿井回风中的低温余热来满足热需要是一条绿色能源利用方式，因此要开发矿井回风中的余热进行热利用为矿区提供热源。
2.1.3 回风余热资源分析
根据实际调查山西磁窑沟煤矿有回风井一座如图 2-1 所示，通风机风量介于74～130m3/s，额定风压为 936～2983Pa。根据测试矿井现有回风量为 116.7 m3/s，回风温度 12 ℃，湿度 85%，但未来矿井回风风量有可能降至 83.3m³/s。
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2.2 现有技术分析
我国煤矿矿井的深度通常从几十米到上千米不等[61]，在地温梯度下，矿井随着深度增加也必将导致矿井温度升高，这为地下矿井存在丰富的地热资源提供了前提条件。对于低温余热的界定不同学者有不同的定义[62-64]，但一般 200℃以下的余热可认为是低温余热。现有的余热利用技术有：直接热利用技术、有机朗肯发电技术和热泵技术等[65]，这些技术为低温能源的开发利用提供了保证。而矿井回风地热作为优质低温余热资源，现有的热提取方式大体包括以下四种，分别为喷淋式矿井回风换热技术、热管矿井回风换热技术、直蒸式矿井回风换热技术、直冷式矿井回风换热技术。
2.2.1 喷淋式矿井回风换热系统
喷淋式矿井回风换热系统原理图如图 2-3 所示[66]。以冬季供热为例，其原理为：在扩散塔内部上方布置有喷淋换热器，当矿井回风进入扩散塔散流后，喷淋换热装置喷淋出的低温水与高温矿井回风进行直接接触，从而使其发生充分的热湿交换，由于矿井回风中含有大量的煤尘以及腐蚀性气体，在喷淋换热的过程中这些杂质被带入喷淋水中，换热完成后的高温喷淋水需经过水处理器处理后进入热泵机组供热，供热完成后的再次变成低温水进入喷淋换热室内继续进行热湿交换。
喷淋式矿井回风换热系统的特点在于其通过直接接触式换热，换热效果较好，系统高效节能，且不存在换热器结霜问题。其次，该系统具有良好的除尘降噪功能，通过喷淋可以将回风中的煤尘沉降掉，并且对于降低回风由于风机运行震动等引起的噪声具有一定作用。但矿井排风中杂质较多,容易导致管道、设备堵塞、腐蚀，导致系统维修费用居高不下，系统配套设施较多，投资巨大的弊端；并且在寒冷地区，冬季容易出现大面积结冰，对生产安全造成威胁。
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第 3 章 热管换热器理论研究 ................................ 19
3.1 热管理论基础 ...................................... 19
3.1.1 热管结构及原理 ........................................ 19
3.1.2 传热阻力分析 ............................. 20
第 4 章 气-液型低温热管换热器设计与研发 ................................. 31
4.1 气-液型低温热管换热器设计 ............................................ 31
4.1.1 热平衡计算 ........................................ 31
4.1.2 工质及管壳材质 ............................. 33
第 5 章 现场应用及测试 ............................. 51
5.1 设备安装 ............................. 51
5.2 现场测试 .............................. 52
第 5 章 现场应用及测试
5.1 设备安装
在设备加工过程中，为了便于加工及运输，对理论上设计的 8 排管束气-液型低温热管换热器模块划分为了两个相同的 4 排管束小模块进行加工。在实际项目应用时通过连通管将两个小模块组合为一个大模块，安装原理如图 5-2 所示。由于回风换热设备体积和重量巨大，在现场安装时采用大型吊车进行吊装。
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结论与展望
结论
（1）磁窑沟回风余热利用项目通过采用本文所设计双级直冷式矿井回风取热系统，气-液型低温热管换热器单模块换热量 63kW，系统整体换热量 1937.6kW，实现了对磁窑沟煤矿回风余热的提取，为厂区生产及生活提供用热，运行过程中不消耗化石燃料，清洁环保。
（2）本文通过对气-液型低温热管换热器理论设计及研发过程的详细介绍以及设备实际运行性能测试，从理论和实践两方面验证了气-液性低温热管换热器在矿井回风余热提取中应用的可行性。
（3）本文通过对回风换热系统中一、二级回风换热器效能及系统效能的测试研究，发现一、二级回风换热器效能与系统效能之间具有明显的正相关性，这表明一、二级换热器的串联运行有助于取热系统整体效能的提升。串级越多取热量也越大，但要综合经济成本进行考虑，选取最优组合。
参考文献（略）