機械廢熱回收技術(shù)方案(科研項目)

1、PAGE PAGE 0山東宏河礦業(yè)集團紅旗煤礦空壓機廢熱回收利用科研項目技術(shù)方案 2012.3紅旗煤礦空壓機廢熱源熱泵科研項目PAGE PAGE 15 目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc2766724991、工程概況 PAGEREF _Toc276672499 h 2HYPERLINK l _Toc2766725002、項目實施的必要性 PAGEREF _Toc276672500 h 2HYPERLINK l _Toc2766725013、設(shè)計依據(jù) PAGEREF _Toc276672501 h 2HYPERLINK l _Toc2766725024、設(shè)計

2、原則及內(nèi)容 PAGEREF _Toc276672502 h 3HYPERLINK l _Toc2766725035、空壓機廢熱換熱量計算 PAGEREF _Toc276672503 h 3HYPERLINK l _Toc2766725046、建筑熱負荷計算 PAGEREF _Toc276672504 h 4HYPERLINK l _Toc2766725057、冷熱源及建筑負荷統(tǒng)計 PAGEREF _Toc276672505 h 5HYPERLINK l _Toc2766725068、能量回收系統(tǒng)原理分析 PAGEREF _Toc276672506 h 5HYPERLINK l _Toc2766

3、725079、設(shè)計思路 PAGEREF _Toc276672507 h 6HYPERLINK l _Toc27667250810、達到的效果 PAGEREF _Toc276672508 h 7HYPERLINK l _Toc27667250911、研發(fā)內(nèi)容 PAGEREF _Toc276672509 h 8HYPERLINK l _Toc27667251012、主要經(jīng)濟技術(shù)指標、項目最終目標 PAGEREF _Toc276672510 h 11HYPERLINK l _Toc27667251113、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點 PAGEREF _Toc276672511 h 11HYPERLINK l _

4、Toc27667251214、研究或研制開發(fā)的技術(shù)路線，實施的方式、方法、步驟 PAGEREF _Toc276672512 h 11HYPERLINK l _Toc27667251315、技術(shù)、經(jīng)濟可行性及可靠性分析、論證 PAGEREF _Toc276672513 h 12HYPERLINK l _Toc27667251416、對安全、環(huán)境、健康的影響性分析 PAGEREF _Toc276672514 h 13HYPERLINK l _Toc27667251517、現(xiàn)有基礎(chǔ)、技術(shù)條件，保證體系 PAGEREF _Toc276672515 h 15HYPERLINK l _Toc2766725

5、1718、項目負責人、項目組成員及分工 PAGEREF _Toc276672517 h 171、工程概況1.1項目名稱：山西紅旗煤礦空壓機廢熱源熱泵科研項目1.2項目概況：本項目為紅旗煤礦壓風機房、副井提升機房、機車充電房、器材科庫及油脂庫建筑提供冬季采暖，供暖面積共計2529 m2，根據(jù)設(shè)計院提供的數(shù)據(jù)實際供暖面積為：2000 m2，目前紅旗煤礦壓風機房有3臺空氣壓縮機組，長年保持一臺開啟狀態(tài)，空氣壓縮機所產(chǎn)生的廢熱為熱泵項目的熱能，利用創(chuàng)造了極佳的條件。2、項目實施的必要性（1）根據(jù)調(diào)研結(jié)果的總結(jié)，按現(xiàn)有條件：利用空壓機散熱所提供新熱源，是最佳方案。（2）空壓機散熱量：礦上有三臺空壓機散熱

6、所產(chǎn)生的熱能，空壓機廢熱的溫度常年保持在35以上，單臺相對風量249.4 m3/min.。（3）采用熱泵將空壓機冬季的熱能加以利用，達到空壓機廢熱的回收利用，實現(xiàn)向壓風機房、副井提升機房、機車充電房、器材科庫及油脂庫供暖，同時解決夏季空壓機房的降溫需求。（4）熱泵機組在提供能量的同時，除消耗少量的電能以外，現(xiàn)場沒有任何污染物體排放。（5）綜合以上可以總結(jié)出本項目空壓機廢熱及其它回收能源利用的熱泵技術(shù)是一種以消耗少量電能為代價，能將大量無用的低溫熱能變?yōu)橛杏玫母邷責崮艿难b置。通過熱泵技術(shù)可以回收空壓機運行過程中所蘊藏的低溫熱能，可以滿足冬季采暖的需求。實現(xiàn)不燃煤，取消燃煤鍋爐，減少大氣污染，項目

7、符合國家節(jié)能政策。實現(xiàn)再生能源的利用，本項目符合節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的基本國策。3、設(shè)計依據(jù)本工程根據(jù)建設(shè)方提供的相關(guān)資料，并依據(jù)現(xiàn)行有關(guān)國家頒發(fā)的有關(guān)規(guī)范、標準進行設(shè)計，具體為：（1）地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 GB50366-2005（2）采暖通風與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范 GB50019-2003（3）煤炭工業(yè)采暖通風及供熱設(shè)計規(guī)范 MT/T5013-96（4）煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范 GB50215-2005（5）建筑給水排水設(shè)計規(guī)范 GB50015-2003（6）全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 暖通空調(diào)動力（7）全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 給水排水（8）通風與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范 GB502

8、43-20024、設(shè)計原則及內(nèi)容4.1 設(shè)計原則（1）研制高效節(jié)能的廢熱回收裝置。（2）安裝風機盤管或空氣處理機采暖及制冷，保證冬季供暖、夏季制冷。（3）采用渦旋式熱泵機組。機組高效率高、噪音低、免維護。（4）采用直接數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)自動監(jiān)控水平，做到無人值守。（5）系統(tǒng)綜合考慮節(jié)能、環(huán)保，節(jié)省投資。4.2 設(shè)計內(nèi)容本工程設(shè)計內(nèi)容包括：（1）空壓機廢熱熱量提取裝置（研制）；（2）熱泵機房系統(tǒng)；（3）末端連接系統(tǒng)；（4）末端系統(tǒng)；5、空壓機廢熱換熱量計算5.1空壓機廢熱參數(shù)空壓機廢熱溫度基本不受室外氣溫影響并且全年都比較恒定，空壓機廢熱風量為249.4 m3/min. 即4.16 m3/s

9、，冬季回風溫度35以上。空壓機廢熱實測數(shù)據(jù)計算表數(shù)：150. 140表速：V表=60/145=2.41真風速：V真=0.86XV表+0.03=2.1平均風速：V均=V真XS/S-0.4=1.75S=1.7X1.4=2.38m風量：Q=V均X60XS風量：1.75X60X2.38=249.4m3/min.5.2冬季可提取的熱量冬季按回風溫度35，相對濕度為15%，提取熱量后的空壓機廢熱溫度為5，相對濕度為95%，則可以從空壓機廢熱中提取的熱量為：空壓機廢熱換熱量計算Qqd=(h1d-h2d)pv=(48.61-18.31)4.161.281=161.47kW式中：Qqd冬季空壓機廢熱換熱量，kW

10、h1d冬季空壓機廢熱溫度為35，相對濕度為15%時的焓，kj/kg；h2d冬季空壓機廢熱溫度為10，相對濕度為95%時的焓，kj/kg；p排風平均空氣密度，1.281kg/ m3 ;v排風量，4.16m3 /s。5.3冬季熱泵系統(tǒng)可產(chǎn)生的熱量按照熱泵機組的綜合能效比4.0計算，則熱泵系統(tǒng)可產(chǎn)生的熱量為：Qs= Qqd/(1-1/COP)= 161.47/(1-1/4.0)=215.29 kW6、建筑熱負荷計算6.1室外設(shè)計參數(shù)及標準設(shè)計用室外氣象參數(shù)單位數(shù)值年采暖總天數(shù)d180冬季采暖室外計算溫度-15冬季空氣調(diào)節(jié)室外計算溫度-20冬季極端最低溫度平均值-30冬季室外平均風速m/s2.8冬季室

11、外計算相對濕度67最大凍土深度m0.856.2室內(nèi)設(shè)計參數(shù)：房間名稱冬季新風標準m 3/h.人排風次/h噪聲標準dB(A)溫度0C相對濕度%壓風機房8-104040副井提升房18-204040機車充電房8-104040器材科、油脂庫8-106.3地面建筑熱負荷（提供建筑面積2529m2）。建筑面積為2529 m2 。地面建筑熱負荷：2529 m280w/ m2=202.32KW7、冷熱源及建筑負荷統(tǒng)計序號名稱總熱量（kW）總冷量（kW）備注1可回收廢熱215.292建筑采暖負荷202.323負荷對比+12.978、能量回收系統(tǒng)原理分析8.1系統(tǒng)原理根據(jù)現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，空壓機的排風溫度冬季為35

12、，排風量為249.4 m3/min，即4.16 m3/s，為熱泵機組良好的熱源。冬季采暖：利用回收空壓機廢熱的熱能為熱泵機組的熱源。夏季制冷：隔離空壓機廢熱，采用現(xiàn)場環(huán)境空氣作為散熱源。8.2壓縮機廢熱熱泵系統(tǒng)配置分析（1）利用空壓機房的多余位置作為熱泵機房。（2）研制廢熱回收裝置。（3）空壓機廢熱回收裝置。廢熱回收換熱器安裝于空壓機房外側(cè)排風處。空壓機廢熱熱交換器尺寸根據(jù)現(xiàn)場的尺寸確定，考慮到空壓機的廢熱中含有腐蝕性氣體，本設(shè)計壓縮機廢熱換熱器中主要部件均使用不銹鋼材質(zhì)?？諌簷C廢熱換熱器的循環(huán)氟利昂從裝置的下方流出，匯集于經(jīng)管路輸送至熱泵機組的氟利昂系統(tǒng)。 供暖外管線和末端散熱系統(tǒng)。9、設(shè)計

13、思路9.1設(shè)備選型選擇中溫型渦旋式空壓機廢熱源熱泵機組HE240型1臺（研制），用于壓風機房、副井提升機房、機車充電房、器材科庫及油脂庫冬季采暖。9.2機房平面布置空壓機廢熱源熱泵機房面積為：3.9m(長)3.35m（寬）3m（凈高）；圖9-2 空壓機廢熱源熱泵機房平面布置圖9.3室外管線系統(tǒng)（1）室外管線包括熱源水管道和空壓機廢熱換熱系統(tǒng)管道。（2）室外管線采用架空鋪設(shè)方式。（3）室外管線的布置根據(jù)現(xiàn)場布置情況設(shè)計路游。10、達到的效果10.1達到的效果（1）供回水溫度45/40。（2）冬季供暖室內(nèi)溫度車間810、控制室1820。10.2對周邊環(huán)境的影響熱泵機組在提供能量時，除消耗少量的電能

14、以外，現(xiàn)場沒有任何污染物體排放。11、研發(fā)內(nèi)容11.1空壓機廢熱回收換熱器空壓機排風溫度在3035之間，相對濕度10%以上，空壓機排風風量及其溫度、濕度一年四季變化不大，空壓機排風中能量儲量大，但溫度不宜直接使用，能量不易采集，因此需研究一種高效空壓機廢熱熱能提取換熱裝置，即一種新型的“空氣”熱交換器，將空壓機所產(chǎn)生的廢熱能交換到循環(huán)水中，作為熱泵系統(tǒng)的低溫熱源，不斷循環(huán)使用。系統(tǒng)流程圖見11-1。圖11-1 空壓機廢熱源熱泵系統(tǒng)示意圖與空壓機排風及通風方式適應的高效換熱裝置。要求達到：研究空壓機廢熱換熱器的材質(zhì)。換熱器的材質(zhì)直接影響換熱效率，包括表面式換熱器、間壁式換熱器的材質(zhì)。根據(jù)各個部件

15、的功能采用熱阻及導熱率不同的材質(zhì)。要使空壓機排風中的能量充分交換到循環(huán)水中，同時減少能量向大氣的散失。研究空壓機廢熱換熱器內(nèi)外部結(jié)構(gòu)。研究各種換熱器在內(nèi)部的空間布置形式，抵抗礦井回風中的腐蝕性氣體的能力。研究隨著運行時間的增加換熱器表面集灰的情況及對換熱器效率影響的關(guān)系，研制可靠的去除表面集灰的系統(tǒng)，導流裝置。研究不同形式的空壓機廢熱換熱器的外形與增加的通風局部阻力的關(guān)系?？諌簷C廢熱換熱器的結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)現(xiàn)有空壓機機房的出風口尺寸設(shè)計空壓機廢熱換熱器的結(jié)構(gòu)。 11.2空壓機廢熱源熱泵機組開發(fā)作為低溫熱源的循環(huán)水要通過熱泵機組主要部件之一的蒸發(fā)器，因此要求蒸發(fā)器要適應礦井回風換熱器循環(huán)水各項指標

16、的要求。確定蒸發(fā)器的形式與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，考慮循環(huán)水腐蝕性、懸浮物、硬度等指標，設(shè)計新型臥式殼管式蒸發(fā)器。研究傳熱管的材質(zhì)及布置形式對工質(zhì)充注量、換熱效率、結(jié)垢特性的影響規(guī)律。根據(jù)循環(huán)水腐蝕性、懸浮物、硬度等指標，以換熱量大小不同形成系列產(chǎn)品。研究開發(fā)空壓機廢熱源熱泵機組。以新型蒸發(fā)器為基礎(chǔ)，配套選型壓縮機、冷凝器、節(jié)流部件、工質(zhì)(采用環(huán)保型工質(zhì))、電磁閥、控制器等，設(shè)計新型高效的中溫型空壓機廢熱源熱泵機組。空壓機廢熱源中溫型熱泵機組相關(guān)技術(shù)參數(shù)見下表11-1。HE240B型熱泵基本技術(shù)參數(shù)機組型號HE240B電源電壓3-380V-50Hz啟動方式名義制冷量kW195.0制冷輸入功率kW44.2名義

17、制熱量kW227.1制熱輸入功率kW60.94壓縮機型式全封渦旋式壓縮機數(shù)量4（暫定）制冷劑R-22（暫定）蒸發(fā)器型 式殼管式熱交換器水管直徑DN65冷凍水流量m3/h22.7地下水流量m3/h12.1冷凝器型 式殼管式熱交換器水管直徑DN65地下水流量m3/h14.2熱水流量m3/h25.1外型尺寸(LWH)2.11.21.9m（暫定）機組重量1280暫定）運行重量1430暫定）11.3自控系統(tǒng)技術(shù)完成對整個系統(tǒng)全部設(shè)備的監(jiān)測與自動控制，實現(xiàn)“現(xiàn)場無人值守，巡邏值班”的目標。控制原理見圖11-3. 圖11-3 自控原理12、主要經(jīng)濟技術(shù)指標、項目最終目標12.1 主要技術(shù)經(jīng)濟指標另加引風機，

18、對空壓機廢熱換熱器局部阻力沒有任何影響。熱泵系統(tǒng)出水溫度不低于40。熱泵機組能效比不低于4.0。空壓機廢熱源熱泵系統(tǒng)性能穩(wěn)定、免維護，運行壽命20年。12.2 目標回收空壓機運行過程中所產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，達到系統(tǒng)無人職守，力爭獲得煤礦新技術(shù)獎項。13、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點13.1 技術(shù)關(guān)鍵 空壓機廢熱換熱器的的研制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)、換熱效率、局部阻力、除塵方式?？諌簷C廢熱源熱泵機組的研制，出水溫度不低于40，采用環(huán)保型工質(zhì)，能效比不低于4.0，噪音低，免維護?？諌簷C廢熱源熱泵系統(tǒng)可靠性研究。13.2 項目創(chuàng)新點研制出高效低阻力空壓機廢熱回收換熱器。研制出空壓機廢熱源熱泵機組。1

19、4、研究或研制開發(fā)的技術(shù)路線，實施的方式、方法、步驟14.1 技術(shù)路線根據(jù)空壓機的風量及散熱器的開式，設(shè)計空壓機廢熱換熱器的外形。確定空壓機廢熱換熱器的材質(zhì)。換熱器的材質(zhì)直接影響換熱效率，包括表面式換熱器、間壁式換熱器和換熱器外保溫材質(zhì)。根據(jù)各個部件的功能采用熱阻及導熱率不同的材質(zhì)。要使空壓機廢熱中的能量充分交換到循環(huán)水中，同時減少能量向大氣的散失。確定空壓機廢熱換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究換熱器內(nèi)部的空間布置形式及導流裝置，表冷器的數(shù)量及壓力與換熱效率的關(guān)系。模擬空壓機廢熱換熱器與增加的通風局部阻力的關(guān)系。試驗表面式熱交換器、間壁式熱交換器的集灰隨時間的變化規(guī)律已經(jīng)對換熱效率的影響規(guī)律。試驗循環(huán)水在

20、高溫型熱泵機組中產(chǎn)生污垢系數(shù)的規(guī)律，及對換熱效率的影響的變化規(guī)律。試驗隨著空壓機廢熱熱交換器循環(huán)水水質(zhì)時間的變化的規(guī)律。在上述現(xiàn)場和實驗測定結(jié)果的基礎(chǔ)上，完成水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計，為工程施工提供依據(jù)。14.2 研究試驗方法采用現(xiàn)場試驗、實驗室試驗及理論分析相結(jié)合的方法開展本項目研究。15、技術(shù)、經(jīng)濟可行性及可靠性分析、論證15.1 技術(shù)可靠性分析熱泵的商業(yè)應用有近三十幾年的歷史。如美國，截止1985年全國共有14,000臺地源熱泵，而1997年就安裝了45,000臺，到目前為止已安裝了400,000臺，而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(yè)建筑中地源熱泵系統(tǒng)占空調(diào)總量的19%，其中有新

21、建筑中占30%。美國熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源部、環(huán)保署、愛迪遜電力研究所及眾多地源熱泵廠家組成的美國地源熱泵協(xié)會，該協(xié)會在近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。與美國的熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國等國家主要利用淺層地熱資源，地下土壤埋盤管的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1999年的統(tǒng)計，家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥27%，國外在煤礦應用水源熱泵技術(shù)未見報道。中國自20世紀50年代就已經(jīng)開始了熱泵研究工作，但一直發(fā)展緩慢，直到20世紀80年代初國民經(jīng)濟有了較大的發(fā)展，使得制冷空調(diào)工業(yè)發(fā)展很快。進入20

22、世紀90年代后，隨城市開放和消費水平的提高，空調(diào)機及加熱產(chǎn)品迅速進入了家庭，能源供應緊張問題突出，節(jié)能及有效利用能源的工作刻不容緩，因此，熱泵的應用已提到議事日程。在中國，北京、沈陽、廣州等大城市發(fā)展非常迅速，目前應用于民用建筑、一般工業(yè)建筑的空調(diào)和供暖的水源熱泵系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。15.2 運行費用分析課題完成后，實現(xiàn)污染物的零排放。解決紅旗礦供熱面積2529m2 。表6-2空壓機廢熱源熱泵運行費計算設(shè)備運行季節(jié)設(shè)備功率運行時間百分數(shù)負荷百分數(shù)用電量（kWh）總量運行費用名稱（kW） 時間（小時）（kWh）冬季25432059551305697028485元機組506032400454019440循環(huán)水泵冬季54320216002160010800元年運行人工費及設(shè)備維修保養(yǎng)費用，此熱泵機組為無人職守，只需操作開機、關(guān)機及調(diào)節(jié)溫度，熱泵機組為進口渦旋式壓機保用20年，每年只需要簡單保養(yǎng)就可以。35000年供暖運行費用(元)7428516、對安全、環(huán)境、健康的影響性分析研究高效換熱器。要求換熱器本身應具有防塵防腐功能，