热回收系统中排风能量提取装置的启停器及其控制方法与流程

本发明涉及矿井领域，特别涉及一种热回收系统中排风能量提取装置的启停器及其控制方法。

背景技术：

矿井通风是保障采矿生产安全必须采取的措施，其通风量通常可达50～300m³/s，排风温度常年保持在20℃左右，相对湿度90％左右，携带了潜力巨大的湿热能量。因此，矿井排风湿热能量的提取、品位提升和利用，逐渐成为矿井通风领域的重点关注问题。

陈炬和徐广才等公开了一种排风余热回收换热器，排风不断将热量传递至换热管中的循环水中，加热循环水。但在间接接触式换热中，流动介质与排风无法实现湿能量的提取。

在直接接触式换热领域，王海桥和崔海蛟等提出了一种排风热提取装置，采用矿井主通风机扩散塔内的空气-水直接接触式换热，一方面，洗涤了排风中的粉尘而减少对环境的污染，更重要的是，能够提取排风中的热湿能量；进而，张振涛提出了一种排风换热器联合水源热泵系统，通过喷淋雾化水，提取排风中的热湿能量，继而，利用热泵而品位提升提取后的能量，满足用户用热需求，最终，实现了排风热湿能量“提取-品位提升-利用”一体化。

然而，以上研究忽略了环境温度对装置运行效率的影响。由于环境温度的波动，排风热提取装置运行所产生的经济收益并不稳定；当环境温度过高，收益甚至为负，显然，此时应该停止装置的运行。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、工作可靠的热回收系统中排风能量提取装置的启停器，并提供其控制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种热回收系统中排风能量提取装置的启停器，包括电源、可编程逻辑控制器plc、声光警报器、触控显示屏、温度传感器以及系统开关，所述电源、声光警报器、触控显示屏、温度传感器均与可编程逻辑控制器plc相连，触控显示屏上包括“常开”、“实时模式”以及“停止运行”三种控制模式，可编程逻辑控制器plc通过系统开关与排风能量提取装置相连。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器，所述排风能量提取装置包括蒸发器、冷凝器、喷淋循环水、工质、压缩机、用户端循环水、膨胀机、喷淋水管组、用户端，所述可编程逻辑控制器plc通过系统开关与压缩机相连，工质依次流经蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀机并形成循环回路，喷淋循环水依流经喷淋水管组、蒸发器并形成循环回路，用户端循环水经冷凝器后送至客户端。

一种热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：故障排查；

接通电源后，可编程逻辑控制器plc进行故障排查，若发现故障，声光警报器闪灯并鸣笛，同时自动设置为“停止运行”；若无故障，触控显示屏亮屏；

步骤二：模式选择；具体操作如下：

a)选择“常开”，系统开关闭合，排风能量提取装置持续运行；

b)选择“停止运行”，系统开关断开，排风能量提取装置停止运行；

c)选择“实时模式”，则设定时间间隔n小时，温度传感器将环境温度信号发送至可编程逻辑控制器plc，可编程逻辑控制器plc收到相应温度数据后开始计算系统无因次利润率mdim，将计算结果发送至触控显示屏并进行判定，若mdim>0，系统开关闭合；若mdim≤0，系统开关断开；每隔n小时会再次将温度信号导入可编程逻辑控制器plc2并进行判定，直至更改模式。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤c)中计算系统无因次利润率的具体过程为：

1)根据现有工程热力学知识，得到空气热泵的吸热流率和供热流率的初始计算公式；

2)计算空气热泵循环内的不可逆性可用压缩机效率ζc和膨胀机效率ζe；

3)根据空气压缩式热泵循环的特性，计算压缩机压比；

4)根据步骤1)至步骤3)，得到空气热泵的吸热流率和供热流率的替换计算公式；

5)计算空气热泵输入流率和输出流率；

6)计算排风能量提取装置利润流率。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤1)具体过程为：

根据现有工程热力学知识，空气热泵的吸热流率和供热流率计算式为：

φc＝wf(t1-t4)(1)

φu＝wf(t2-t3)(2)

式中：φc和φu分别为空气热泵的吸热流率和供热流率，kw；wf为工质的热容率，kw/k；t4和t1分别为工质在蒸发器中的进、出口温度，k；t2和t3分别为工质在冷凝器中的进、出口温度，k；

而热流率由换热器效率与理论最大换热流率之积得出，则空气热泵的吸热流率和供热流率计算式为：

φc＝ηcφc,max＝ηcmin{wf,wc}(tc,0-t4)(3)

φu＝ηuφu,max＝ηumin{wf,wu}(t2-tu,0)(4)

式中：ηc和ηu分别为冷凝器换热器效率和蒸发器换热器效率，无量纲数；φc,max和φu,max分别为装置的理论最大吸热流率和理论最大供热流率，kw；wc和wu分别为喷淋循环水和用户端循环水的热容率，kw/k；tc,0和tu,0分别为喷淋循环水和用户端循环水的进口温度，k；min{}为最小值函数，指区间{}内的最小值。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤2)具体过程为：

空气热泵循环内的不可逆性用压缩机效率ζc和膨胀机效率ζe表征，为：

式中：ζc和ζe分别为压缩机效率和膨胀机效率，无量纲数；t2s和t4s分别为工质在冷凝器和蒸发器中的理论进口温度，k。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤3)具体过程为：

根据空气压缩式热泵循环的特性，得到压缩机压比的计算式如下：

式中：x为压缩机内工质的等熵温比，无量纲数；ε压缩机11的压比，无量纲数；k为工质的绝热指数，无量纲数。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤4)具体过程为：

令wc,min＝min{wf,wc}，wu,min＝min{wf,wu}联立公式(1～7)，得到空气热泵的吸热流率和供热流率计算式如下：

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤5)具体过程为：

根据现有理论知识，得到空气热泵输入流率和输出流率计算式如下：

ein＝φu-φc(10)

eout＝φu-φc-t0σ(11)

式中：ein和eout分别为空气热泵输入流率和输出流率，kw；t0为环境温度，k；σ为循环的熵产热容率，kw/k；

式(11)中，循环熵产热容率σ的计算方法如下：

式中：tu,1和tc,1分别为喷淋循环水和用户端循环水的出口温度，k。

上述热回收系统中排风能量提取装置的启停器的控制方法，所述步骤6)具体过程为：

已知利润流率的定义式，即系统输出收益流率与输入收益流率之差，得到排风热回收系统利润流率的计算式如下：

m＝ψouteout-ψinein(13)

式中：m为排风热回收系统的利润流率，kw；ψout和ψin分别为输出率价格和输入率价格，无量纲数；

联立式(8～13)，得到排风热回收系统的利润流率的计算式如下：

式中，

令将利润流率写成无因次的形式，具体操作如下：

式中，mdim为无因次利润流流率，无量纲数；y为输入价格ψin与输出价格ψout之比，无量纲数。

本发明的有益效果在于：本发明在环境温度大于或等于临界值时则不启动排风热回收系统，而环境温度低于临界值时则启动排风热回收系统，能用于排风热回收系统的启停控制，能避免因环境温度过高导致系统运行产生负收益，显著提高了系统运行总收益，实现了运行管理节能。

附图说明

图1为本发明启停器的结构示意图。

图2为plc的控制原理图。

图3为本发明控制方法的流程图。

图4为本发明利用率变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种热回收系统中排风能量提取装置的启停器，启停器包括电源1、可编程逻辑控制器plc2、声光警报器3、触控显示屏4、温度传感器5以及系统开关6，所述电源1、声光警报器3、触控显示屏4、温度传感器5均与可编程逻辑控制器plc2相连，触控显示屏4上包括“常开”、“实时模式”以及“停止运行”三种控制模式，可编程逻辑控制器plc2通过系统开关6与排风能量提取装置相连。

所述排风能量提取装置包括蒸发器7、冷凝器8、喷淋循环水9、工质10、压缩机11、用户端循环水12、膨胀机13、喷淋水管组14、用户端15，所述可编程逻辑控制器plc2通过系统开关6与压缩机11相连，工质10依次流经蒸发器7、压缩机11、冷凝器8、膨胀机13并形成循环回路，喷淋循环水9依流经喷淋水管组14、蒸发器7并形成循环回路，用户端循环水12经冷凝器8后送至客户端。

结合图2可知，可编程逻辑控制器plc2安装有控制程序，可检测系统故障并下达“故障报警指令”于声光警报器3，以及下达“开关指令”于系统开关6，并且将“数据信息”发送至触控显示屏4；而温度传感器5测得的“环境温度信号”，以及触控显示屏4输入的“操作指令”，均发送至可编程逻辑控制器plc2。

参见图3，“电源输入”是指电源1将电能输入系统；“故障检测”是指可编程逻辑控制器plc2对系统故障进行排查；“错误报警”是指当检测出故障后可编程逻辑控制器plc2向声光警报器3下达报警指令；“模式选择”是指在触控显示屏4上选择控制模式，分别为“常开”、“实时模式”、以及“停止运行”；“温度信号导入”是指温度传感器5将环境温度信号发送至可编程逻辑控制器plc2；“气象数据导入”是指将设定时间段以及设定地点的气象数据导入至可编程逻辑控制器plc2；“计算mdim”是指在可编程逻辑控制器plc2中计算出系统无因次利润率mdim；“系统开关6闭合”以及“系统开关6断开”分别是指系统开关6闭合以及断开。

控制方法的具体步骤为：

步骤一：故障排查；

接通电源1后，可编程逻辑控制器plc2进行故障排查，若发现故障，声光警报器3闪灯并鸣笛，同时自动设置为“停止运行”；若无故障，触控显示屏4亮屏；

步骤二：模式选择；具体操作如下：

a)选择“常开”，系统开关6闭合，排风能量提取装置持续运行；

b)选择“停止运行”，系统开关6断开，排风能量提取装置停止运行；

c)选择“实时模式”，则设定时间间隔n小时，温度传感器5将环境温度信号发送至可编程逻辑控制器plc2，可编程逻辑控制器plc2收到相应温度数据后开始计算系统无因次利润率mdim，将计算结果发送至触控显示屏4并进行判定，若mdim>0，系统开关6闭合；若mdim≤0，系统开关6断开；每隔n小时会再次将温度信号导入可编程逻辑控制器plc22并进行判定，直至更改模式。

计算系统无因次利润率的具体过程为：

1)根据现有工程热力学知识，得到空气热泵的吸热流率和供热流率的初始计算公式。步骤1)具体过程为：

根据现有工程热力学知识，空气热泵的吸热流率和供热流率计算式为：

φc＝wf(t1-t4)(1)

φu＝wf(t2-t3)(2)

式中：φc和φu分别为空气热泵的吸热流率和供热流率，kw；wf为工质10的热容率，kw/k；t4和t1分别为工质10在蒸发器7中的进、出口温度，k；t2和t3分别为工质10在冷凝器8中的进、出口温度，k；

而热流率由换热器效率与理论最大换热流率之积得出，则空气热泵的吸热流率和供热流率计算式为：

φc＝ηcφc,max＝ηcmin{wf,wc}(tc,0-t4)(3)

φu＝ηuφu,max＝ηumin{wf,wu}(t2-tu,0)(4)

式中：ηc和ηu分别为冷凝器8换热器效率和蒸发器7换热器效率，无量纲数；φc,max和φu,max分别为装置的理论最大吸热流率和理论最大供热流率，kw；wc和wu分别为喷淋循环水9和用户端循环水12的热容率，kw/k；tc,0和tu,0分别为喷淋循环水9和用户端循环水12的进口温度，k；min{}为最小值函数，指区间{}内的最小值。

2)计算空气热泵循环内的不可逆性可用压缩机11效率ζc和膨胀机13效率ζe。步骤2)具体过程为：

空气热泵循环内的不可逆性用压缩机11效率ζc和膨胀机13效率ζe表征，为：

式中：ζc和ζe分别为压缩机11效率和膨胀机13效率，无量纲数；t2s和t4s分别为工质10在冷凝器8和蒸发器7中的理论进口温度，k。

3)根据空气压缩式热泵循环的特性，计算压缩机11压比。

根据空气压缩式热泵循环的特性，得到压缩机11压比的计算式如下：

式中：x为压缩机11内工质10的等熵温比，无量纲数；ε压缩机1111的压比，无量纲数；k为工质10的绝热指数，无量纲数。

4)根据步骤1)至步骤3)，得到空气热泵的吸热流率和供热流率的替换计算公式。

令wc,min＝min{wf,wc}，wu,min＝min{wf,wu}联立公式(1～7)，得到空气热泵的吸热流率和供热流率计算式如下：

5)计算空气热泵输入流率和输出流率。

根据现有理论知识，得到空气热泵输入流率和输出流率计算式如下：

ein＝φu-φc(10)

eout＝φu-φc-t0σ(11)

式中：ein和eout分别为空气热泵输入流率和输出流率，kw；t0为环境温度，k；σ为循环的熵产热容率，kw/k；

式(11)中，循环熵产热容率σ的计算方法如下：

式中：tu,1和tc,1分别为喷淋循环水9和用户端循环水12的出口温度，k。

6)计算排风能量提取装置利润流率。

已知利润流率的定义式，即系统输出收益流率与输入收益流率之差，得到排风热回收系统利润流率的计算式如下：

m＝ψouteout-ψinein(13)

式中：m为排风热回收系统的利润流率，kw；ψout和ψin分别为输出率价格和输入率价格，无量纲数；

联立式(8～13)，得到排风热回收系统的利润流率的计算式如下：

式中，

令将利润流率写成无因次的形式，具体操作如下：

式中，mdim为无因次利润流流率，无量纲数；y为输入价格ψin与输出价格ψout之比，无量纲数。

根据利润率的含义可知，当无因次利润流率mdim>0，系统产生正向收益；当无因次利润流率mdim＝0，系统不产生收益；当无因次利润流率mdim<0，系统收益为负。

实施例：

a)设压缩机11的压比ε为5；

b)设工质10的绝热指数k为1.4；

c)设工质10的热容率为0.9kw/k；

d)设压缩机11效率为0.8；

e)设膨胀机13效率为0.8；

f)设蒸发器7换热器效率为0.75；

g)设冷凝器8换热器效率为0.75；

h)设用户端循环水12的热容率2kw/k；

i)设用户端循环水12的进水温度为293k；

j)设喷淋循环水9的热容率2kw/k；

k)设喷淋循环水9的进水温度为293k；

l)设输出价格ψout与输入价格ψin之比y为0.24；

n)设某排风热回收系统位于内蒙古通辽市，根据中国气象数据集相关数据，得内蒙古通辽市某年1月份各日12:00的环境温度，如表1所示；

表1内蒙古通辽市某年1月份逐日12:00时刻的环境温度统计表

o)设时间间隔n为24h，更具体实施效果如下：

①将上述参数代入无因次利润率mdim的计算式，即中，得系统某年1月份各日12:00的无因次利润流率变化，如图4所示。

②设1月i日系统的无因次利润流率为mdim,i，若不使用本发明，排风热回收系统将整月运行，将步骤1)算得mdim,i相加，可作为系统1月份产生的总无因次利润流率m1，即

③在本实施例中，mdim＝0时，对应于图4中右纵轴数值260k(即-13.14℃)，即12:00的环境温度为260k(即-13.14℃)。

④若使用本发明，排风热回收系统将会在mdim,i>0的情况下继续运行，将步骤1)算得的大于0的mdim,i相加，可作为1月份产生的总无因次利润流率m2，即

结合图4，通过分析具体实施例，能够整理出如下归纳：

相比持续运行的方式，采用本发明控制方法的排风热回收系统，特例为，某日12:00的环境温度大于(或等于)260k时则不启动，而某日12:00的环境温度低于260k时则启动，整个1月份增加的经济收益非常明显，即为(m2-m1)/m1＝48.33％，实现的运行管理节能率为48.33％。