一种矿井乏风动能管理装置与方法 |
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| 申请号 | CN201710493056.9 | 申请日 | 2017-06-26 | 公开(公告)号 | CN107130917A | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
| 申请人 | 中国矿业大学; | 发明人 | 李小川; 向武; 尧燕萍; 刘颀; 王启立; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种矿井乏 风 动能 管理装置与方法，在扩散器后面设置动能管理装置，对这部分动能进行 回收利用 ，但是不以增加 通风 机功耗为代价而提高效率，避免了 电能 转换为电能的误区。先通过集流器对扩散器出口乏风气流进行引流，尽可能减少风量损失，在疏流器的协同整流下，形成环形的气流通道，气流直接冲击 工作腔 中发 电机 的 叶轮 ，减少冲击损失。由于矿井乏风具有风量、风速、风向持续稳定的特点，发电机产生 电压 、 频率 较为稳定的交流电，经过转换处理可以供给负载。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种矿井乏风动能管理装置，其特征在于，包括集流器、疏流器、工作腔、消能管和支架；所述疏流器设置于集流器内，沿乏风的流动方向集流器与工作腔和消能管顺序连接；所述集流器包括一个锥弧形集流道，集流道的收口端连接一段圆筒Ⅰ；所述疏流器包括一段圆筒Ⅱ，圆筒Ⅱ的一端以外凸的曲面疏流罩密封，一端以圆板密封；所述疏流器同轴悬置于集流器内，其疏流罩端正对集流器的开口方向，集流器和疏流器形成环道协同整流装置；所述工作腔后部设有发电机，发电机外部设置防腐蚀机壳，防腐蚀机壳与工作腔之间形成环形气流通道，发电机的传动轴伸出机壳在接近工作腔前端口部位安装风轮，所述风轮与工作腔同轴设置,且与疏流器之间留有间隙；所述消能管锥形结构，其较细端与工作腔连接；所述集流器、疏流器、工作腔、消能管组装完毕后，安装于支架上，使集流器正对通风机的出风口设置。 |
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| 说明书全文 | 一种矿井乏风动能管理装置与方法技术领域[0001] 本发明涉及矿井乏风管理领域，具体涉及一种矿井乏风动能管理装置与方法。 背景技术[0002] 为了冲淡和排除井下的有害气体和粉尘，为井下各巷道及采掘工作面提供新鲜风流，保证井下工作人员有足够数量、符合要求的空气供呼吸，确保井下工作人员的人身安全，改善井下工作环境，在煤矿生产中必须不间断地向井下供给大量的新鲜空气。煤矿用主通风机就是向井下输送空气的设备，通常情况井下每采1t 煤炭就要向井下输送 4-6t 新鲜空气，矿井主通风机的电耗平均约占煤矿电耗的8%-15%，它是煤矿井下通风不可缺少的安全设备，也是矿井的关键设备。中国煤矿数量众多，由此产生的乏风量也是相当可观的，一个典型煤矿主排风口的乏风量为6×105-10×105m3/h。 [0003] 目前，国内外对矿井乏风回收与利用的技术主要集中于瓦斯利用和余热回收两方面，很少有关于处理矿井乏风动能方面的技术，本发明弥补了对矿井乏风能源回收利用的不足。若不考虑矿井通风机性能参数的变化，只从风力机发电的可利用角度来考虑，环道协同整流装置离扩散器出口越近，风力机的有效功率值越大。但是，在通风过程中，受风力机影响，在风力机前形成的滞止压力会对通风机的正常通风造成一定影响，通风机的效率会降低，这种影响的强度与风力机叶片面积有关。为了保证矿井通风系统的通风量，会增加通风机功耗。如何不增加通风机出力将动能转换，这是我们需要解决的难点。 [0004] 本发明开发了一种矿井乏风动能管理装置，通过一定的结构参数的设定，达到不影响通风机出力的目的，发明了环道协同整流的方法，减少乏风流动损失与冲击损失，提高乏风动能转换的效率。 发明内容[0005] 本发明针对矿井通风机出口乏风直排造成能量浪费的情况，发明了一种将乏风动能转换而不影响通风机出力的矿井乏风动能管理装置与方法。 [0006] 本发明采用的技术方案是：一种矿井乏风动能管理装置，包括集流器、疏流器、工作腔、消能管和支架；所述疏流器设置于集流器内，沿乏风的流动方向集流器与工作腔和消能管顺序连接；所述集流器包括一个锥弧形集流道，集流道的收口端连接一段圆筒Ⅰ；所述疏流器包括一段圆筒Ⅱ，圆筒Ⅱ的一端以外凸的曲面疏流罩密封，一端以圆板密封；所述疏流器同轴悬置于集流器内，其疏流罩端正对集流器的开口方向，集流器和疏流器形成环道协同整流装置；所述工作腔后部设有发电机，发电机外部设置防腐蚀机壳，防腐蚀机壳与工作腔之间形成环形气流通道，发电机的传动轴伸出机壳在接近工作腔前端口部位安装风轮，所述风轮与工作腔同轴设置,且与疏流器之间留有间隙；所述消能管锥形结构，其较细端与工作腔连接；所述集流器、疏流器、工作腔、消能管组装完毕后，安装于支架上，使集流器正对通风机的出风口设置。 [0007] 所述集流器的入射角为30°，其开口处内径是矿井扩散器出口内径的1.5-2倍，用于将气流聚集，增大压力和流速；所述圆筒Ⅰ的内径与集流道收口处内径相等。 [0009] 所述疏流罩呈球面或椭球面；圆筒Ⅱ的直径为圆筒Ⅰ直径的1/4-1/3，圆筒Ⅱ的长度为自身直径的0.5-1倍，圆筒Ⅱ与圆筒Ⅰ等长；圆筒Ⅱ的壁厚为2-4mm；圆筒Ⅱ的外壁周向均布支耳，能够与圆筒Ⅰ内的支耳通过连接板配合安装。 [0010] 所述发电机整体为圆筒形结构，前端用圆板密封，机壳末端采用整流罩结构，增强出口气流流通条件。 [0012] 所述发电机的型号可以根据使用需求选择，其g与机壳的固定方式由发电机的尺寸、形状、结构自由确定，例如通过支架、螺栓等固定，或者利用弹性装置压紧等。 [0014] 所述工作腔的内径与圆筒Ⅰ的内径相等，其壁厚3-5mm,长度为其自身直径的0.8-1.5倍；工作腔的两端连接有法兰，法兰轴向厚度10mm,径向宽度20mm,孔眼直径8mm。 [0015] 所述消能管的入口处直径与工作腔的直径相等，其长度为入口直径的0.8-1.2倍，敞角为4°-6°。 [0016] 一种采用矿井乏风动能管理装置的管理方法：1）矿井乏风在负压作用下经叶轮由通风机抽出，此时风速变大、动压增加；2）乏风进入扩散器，随着扩散器的截面增大，风机出口的一部分动压转化为静压，动压减小、静压增大，提高了通风机的效率；3）乏风通过扩散器出口后，在集流器和疏流器的协同整流下，使气流顺利进入圆筒Ⅰ与圆筒Ⅱ形成的环形入口通道，在风轮入口处形成均匀的速度场，保证气流均匀冲击风轮叶面，减少入口动能损失；4）风轮在气流的冲击作用下转动，通过传动系统以机械能的形式驱动发电机，发电机将机械能转变为电能储备或直接供给矿井其它设备用电；5）少部分残余风能在消能管完全耗尽。 [0017] 本发明的有益效果是：本发明为矿井乏风提供了一种新的能量回收与利用方式，使矿井乏风的利用从瓦斯和余热回收利用进一步扩大到乏风动能的利用，符合国家可持续发展的要求。矿井乏风由通风机抽出，通过扩散器排出，气流具有一定的动能，以较大的速度进入大气中，通常扩散器出口风速在10-15m/s。本发明在扩散器后面设置动能管理装置，对这部分动能进行回收利用，但是不以增加通风机功耗为代价而提高效率，避免了电能转换为电能的误区。先通过集流器对扩散器出口乏风气流进行引流，尽可能减少风量损失，在疏流器的协同整流下，形成环形的气流通道，气流直接冲击工作腔中发电机的叶轮，减少冲击损失。由于矿井乏风具有风量、风速、风向持续稳定的特点，发电机产生电压、频率较为稳定的交流电，经过转换处理可以供给负载。附图说明 [0018] 附图1为本发明实施例结构示意图。 [0019] 附图2为集流器、疏流器、工作腔、发电机以及消能管组装后的结构示意图。 [0020] 附图3为组装支架后的整体结构示意图。 [0021] 图中，1.集流器，1-1. 集流道，1-2. 圆筒Ⅰ，2.疏流器，2-1. 圆筒Ⅱ，2-2. 疏流罩，2-3.圆板，3.工作腔，3-1.散热孔，4.消能管，5.支架，6.发电机，6-1.风轮，6-2.机壳，6-3.散热管，7.支耳，8.连接板，9.法兰。 具体实施方式[0022] 如图1-3所示，一种矿井乏风动能管理装置，包括集流器1、疏流器2、工作腔3、消能管4和支架5；所述疏流器2设置于集流器1内，沿乏风的流动方向集流器1与工作腔3和消能管4顺序连接。 [0023] 如图2-3所示，所述集流器1包括一个锥弧形集流道1-1，集流道1-1的收口端连接一段圆筒Ⅰ1-2；集流器1的入射角为30°，其开口处内径是矿井扩散器出口内径的1.5-2倍，用于将气流聚集，增大压力和流速；圆筒Ⅰ1-2的内径与集流道1-1收口处内径相等；圆筒Ⅰ1-2的内壁周向均布至少三个支耳7，用于固定疏流器2，末端配有法兰9，用于连接工作腔3。 [0024] 如图2-3所示，所述疏流器2包括一段圆筒Ⅱ2-1，圆筒Ⅱ2-1的一端以外凸的曲面疏流罩2-2密封，一端以圆板2-3密封；所述疏流器2同轴悬置于集流器1内，其疏流罩2-2端正对集流器1的开口方向，集流器1和疏流器2形成环道协同整流装置；所述疏流罩2-2呈球面或椭球面；圆筒Ⅱ2-1的直径为圆筒Ⅰ1-2直径的1/4-1/3，圆筒Ⅱ2-1的长度为自身直径的0.5-1倍，圆筒Ⅰ1-2与圆筒Ⅱ2-1等长；圆筒Ⅱ2-1的壁厚为2-4mm；圆筒Ⅱ2-1的外壁周向均布支耳9，能够与圆筒Ⅰ1-2内的支耳7通过连接板8配合安装。 [0025] 如图2-3所示，所述工作腔3的内径与圆筒Ⅰ2-1的内径相等，其壁厚3-5mm,长度为其自身直径的0.8-1.5倍；工作腔3的两端连接有法兰9，法兰9轴向厚度10mm,径向宽度20mm,孔眼直径8mm；工作腔3后部设有发电机6，发电机6外部设置防腐蚀机壳6-2，机壳6-2整体为圆筒形结构，前端用圆板密封，末端采用整流罩结构，增强出口气流流通条件防腐蚀机壳6-2与工作腔3之间形成环形气流通道，机壳6-2的外部以及工作腔3的内壁分别对应设置至少3个支耳7，相应的支耳7之间通过连接接板8连接，机壳6-2下部设有散热管6-3，散热管6-3和支耳7共同作用使机壳6-2牢固地安装于工作腔3中，工作腔3的腔壁上开设散热孔 3-1，散热管6-3接通散热孔3-1，用于发电机6的散热以及接出发电机引线；机壳6-2内部焊接安装支架，发电机6通过螺栓固定于安装支架上，发电机6固定后保证其传动轴的高度位于工作腔3的中心，发电机6的传动轴伸出机壳6-2在接近工作腔3前端口部位安装风轮6-1，所述风轮6-1与工作腔3同轴设置,且与疏流器2之间留有间隙；风轮6-1的轮毂前端距疏流器末端30-60mm，风轮6-1的叶片外缘距离工作腔内壁10-20mm。 [0026] 如图2-3所示，所述消能管4为锥形结构，其较细端与工作腔3连接；消能管4的入口处直径与工作腔3的直径相等，其长度为入口直径的0.8-1.2倍，敞角为4°-6°。所述集流器1、疏流器2、工作腔3、消能管4组装完毕后，安装于支架5上，使集流器1正对通风机的出风口设置。 [0027] 所述发电机6的型号可以根据使用需求选择，其固定方式由发电机的尺寸、形状、结构自由确定，例如通过支架、螺栓等固定，或者利用弹性装置压紧等。 [0028] 一种采用矿井乏风动能管理装置的管理方法：1）矿井乏风在负压作用下经叶轮由通风机抽出，此时风速变大、动压增加；2）乏风进入扩散器，随着扩散器的截面增大，风机出口的一部分动压转化为静压，动压减小、静压增大，提高了通风机的效率；3）乏风通过扩散器出口后，在集流器1和疏流器2的协同整流下，使气流顺利进入圆筒Ⅰ1-2与圆筒Ⅱ2-1形成的环形入口通道，在风轮6-1入口处形成均匀的速度场，保证气流均匀冲击风轮6-1叶面，减少入口动能损失；4）风轮6-1在气流的冲击作用下转动，通过传动系统以机械能的形式驱动发电机6，发电机6将机械能转变为电能储备或直接供给矿井其它设备用电；5）少部分残余风能在消能管4完全耗尽。 [0029] 我国大多数矿井主要通风采用抽出式通风，在负压作用下新鲜空气进入矿井内，提供生存环境，并冲淡井下有毒有害气体和粉尘，保证安全生产，在回风井形成乏风。乏风从通风机后面的扩散器排出，具有一定的动能，本装置设置在扩散器出口一定距离，此距离的特点是乏风排气压力降为大气压力，再增加“环道协同整流装置”之后对通风机的影响会降到最小，不增加功耗，不影响发电机出力，但是乏风仍有一定的风速，经过集流器引流后风速、压力反而有进一步提升，增加风力机发电效率，在疏流器的分流作用下，气流不是直接冲击风轮轮毂（一般大型风轮轮毂前端略平或微凸，会产生冲击损失），在经过环形通道后驱动工作腔内的风轮转动，乏风动能转化为传动系统的机械能，而未被吸收的乏风动能从消能管快速排出，避免对在风力机叶后产生阻力，发电机将机械能转换为电能，可以通过用电设备或电能存储设备加以利用和存储，达到动能回收的目的。 |
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