【摘 要】
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矿井开采深度逐年增加,导致其面临的热环境问题愈加严重。目前,地面冷水机组制冷-管道输冷-井下高低压换热器-光管式空冷器降温的模式在国内矿井得到广泛应用。但矿井巷道风流粉尘浓度较高,会不断附着在空冷器换热盘管表面,造成矿用空冷器的传热系数和换热效率显著降低,严重影响降温系统的整体能效。因此,本文提出地下巷道含尘风流先除尘-再降温的新模式。首先研究了喷淋方式对降低粉尘浓度的影响,其次分析了传统矿用空冷
【基金项目】
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国家自然科学基金资助（51978653）主被动改善深部地下空间热环境及热舒适评价研究；
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矿井开采深度逐年增加,导致其面临的热环境问题愈加严重。目前,地面冷水机组制冷-管道输冷-井下高低压换热器-光管式空冷器降温的模式在国内矿井得到广泛应用。但矿井巷道风流粉尘浓度较高,会不断附着在空冷器换热盘管表面,造成矿用空冷器的传热系数和换热效率显著降低,严重影响降温系统的整体能效。因此,本文提出地下巷道含尘风流先除尘-再降温的新模式。首先研究了喷淋方式对降低粉尘浓度的影响,其次分析了传统矿用空冷器换热性能,最后开展了空冷器传热优化研究,对提升矿用空冷器换热性能及降温系统整体能效具有一定的参考意义。主要结论如下:（1）改进矿用螺旋盘管空冷器设计方法,使用Schmidt提出的螺旋盘管转捩临界雷诺数判断管内流体流态,采用待定系数法求出壳程当量直径管外侧换热系数;与文献对比,本文设计的空冷器盘管长度同等条件下可减少5.23%;以相似理论为基础,建立了模块化螺旋盘管空冷器实验平台。（2）分析了喷淋方式、喷淋方向对降低粉尘浓度的影响规律,同时分析了进风速度、进风温度对空冷器换热效率的影响规律。单喷头喷淋时,喷头方向为逆喷时喷淋除尘效率最高,75.77%;双喷头喷淋时,双喷头最佳方案为双喷头方向为顺喷-顺喷;通过与文献对比验证,证明了实验系统可靠性,增大进风速度有助于壳程换热的增强,进风温度的增大对壳程换热没有影响。（3）建立了空冷器传热与流动数值模型,开展了空冷器流场、温度场及换热性能分析。研究发现,管内冷冻水在近壁面处中产生局部螺旋流动,空气在螺旋盘管螺旋周内周外产生涡旋流动;综合考虑传热增强与流阻增大等因素,增大风速有助于增强壳程换热;增加水速有助于增强壳程换热,但换热量增加幅度较小;使用低温流体来增大温差,增加换热量。（4）对空冷器换热盘管螺径、螺距进行了优化,同时研究了不同长短轴比的椭圆盘管式空冷器换热性能变化。研究发现,管间局部场协同角β随螺径增大呈先减后增、随螺距增大呈先增后减、随长短轴比增大逐渐减小;综合考虑传热强化与流阻增大等因素,螺径减小有助于增强壳程换热,螺距减小有助于增强壳程换热;在长轴位于水平位置时,长短轴比增大有助于增强壳程换热;在长轴位于垂直位置时,长短轴比减小有助于增强壳程换热;在相同长短轴比时,长轴位于垂直位置比水平位置更有助于增强壳程换热;同等条件下,椭圆管与圆管相比综合性能更优。
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