煤矿日常生产过程中,井口防冻是煤矿冬季安全生产的一个重要保证,井口结冰会影响矿井生产设备的正常运行,严重的甚至会造成重大事故。传统井口防冻换热装置,是通过高温蒸汽或热水加热空气,再由风机将热空气送入井下,即高温蒸汽或热水与空气之间进行热量交换的加热模式。当系统某运行环节出现问题时,停留在换热器中的热水无法及时排出,若遇极端天气,极易结冰,导致散热器的铜管冻裂,因换热器内部存留水结冰而发生换热器管路崩裂引发的安全事故每年都会发生。因此,如何改变现有技术中,矿井井口防冻换热器内部存留水因结冰造成散热器损坏的现状,是本领域技术人员亟待解决的问题。本文设计并制造了一种新型相变式重力热管换热器,该换热器通过内部制冷剂的相变传热来吸收热水热能,加热送风井新风,使加热后的新风满足冬季井筒防冻需求。通过热管真空度控制,当低温循环热水温度低于触发防冻能力设定温度时,制冷介质停止蒸发并停留在蒸发段,无法上升至冷凝段,设备换热停止;冷凝段虽被冷空气冲刷,但由于热管内部为空管状态,因此不会因内部滞留液体结冻而导致管壳崩裂,有效延长设备使用寿命。通过12个周期的实验运行与数据分析,确定了热管换热器的最佳制冷剂为氟利昂R22,对应最佳填充量为热管蒸发段容积的30%,传热系数为293.96 W/(m~2?℃)。本文还确定了防冻型热管换热器防冻能力的推荐真空度,真空度的不同对应的热管启动防冻能力的运行温度不同。热管换热器选取R22作为制冷剂时,推荐采用真空度(绝对压力)16Kpa,对应热管的运行温度为20.33℃。当设备运行温度低于20.33℃时,设备自动停止传热过程,触发防冻功能。为配套本次热管换热器的正常运行,且提升设备的市场应用价值,本文设计研发了针阀式热管与便携制冷剂填充装置,实现了热管制冷剂可在室外环境下反复填充或更换,同时精准控制制冷剂填充量,且填充前后可有效维持热管内部真空度。本设备在河北省邢台市邢台矿进行了设备运行状况监测,运行效果良好。在冬季最冷月,通过人为控制设备停机,当设备蒸发段循环热水温度低于20℃时,冷凝段停止换热并启动防冻功能,此时室外空气温度监测值为-7℃,设备持续停机24小时后,热管管壳没有崩裂,可正常启动运行。