摘要
当矿井位于寒冷干燥地区,冬天的气温很低。当进风口内部有积水时,容易出现风口结冰的现象,为工程运输带来不便,从而对矿井井下的工作人员以及设备的安全生产带来严重安全隐患。目前常用的井筒防冻措施采用传统燃煤燃气锅炉,利用内部提供的蒸汽作为热源来进行井筒防冻,但该方式存在建筑占地面积大、投资大、能耗高、环境污染大、管理复杂等诸多缺点。恒温带基本上保持一定的埋深,地层恒温带具备稳定的地热潜力,如果提取矿井深层恒温带的地热用于井筒防冻对于节能减排具有重要的意义。本文创新性提出以恒温地层的地热能作为热管的驱动热源用于井筒防冻的新思路,结合井筒工况计算设计了一种L型重力热管,通过在重力热管中充入液氨工质,热管蒸发段以地下恒温层地热能为驱动力,当达到液体工质的饱和蒸发温度时,发生相变产生蒸汽。在热管两端温差压差的作用下,蒸汽上升至热管冷凝段,与冷凝段的井筒冷空气交换热量,热管通过提取地下恒温层地热能连续不断的保证了冬季井筒防冻需求。建立热管的物理模型,通过VOF模型模拟热管内两相流的热质交换,同时,使用UDF定义热管中的蒸发源项和冷凝源项,然后计算液体工作介质的蒸发和冷凝过程。通过模拟软件模拟所得的气液两相体积分数分布、温度场分布、压力场分布、速度场分布来分析不同时刻热管内液体工质的蒸发冷凝过程。通过数值模拟得出,热管冷凝端温度能够达到275K,热管提取恒温层热能用于井筒防冻的方案可行。优化热管的结构,针对热管蒸发段液池的充液率、管径、冷凝段和绝热段长度,进行了热管的优化模拟。结果表明,利用热管提取恒温层热能的方案经过优化后,热管冷凝端的温度提高275.6K,优化后的效果较为理想,同时,提出一种结构优化的热管管束设计。本课题能够为热管应用于地热开采预防井筒防冻方面提供理论依据,将热管技术与井筒防冻领域研究相结合解决生产实际问题。