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水环真空泵是矿井瓦斯抽采系统的动力源,对煤矿瓦斯治理和安全生产起到极其重要的作用。瓦斯抽采系统的能耗水平及抽采瓦斯流量均与瓦斯抽采泵的运行特性直接相关。然而,传统的瓦斯抽采系统优化（如抽采管网阻力优化、负压调配等）方法并未考虑到瓦斯抽采泵的节能增效,无法从根本上满足我国对低碳绿色高效矿山发展的政策要求。为此,本文采用理论计算、数值模拟、实验室试验及工程验证相结合的综合研究方法,以煤矿瓦斯抽采系统的节能降耗、增效增产为核心理念,围绕瓦斯抽采泵内能量损失及节能增效机制、节能型高分子工作液流变动力学行为、高分子工作液在泵内节能增效特性及在管内流动与强化换热特性等科学问题开展了系统地研究,并集成创新了配套的瓦斯抽采泵节能增效技术及工艺,实现了煤矿瓦斯抽采系统能效水平的显著提升。得出如下主要成果和结论:构建了瓦斯抽采泵内气液两相流动和能量表征数学模型,定量分析了工作液物性参数和叶轮转速对瓦斯抽采泵运行性能（轴功率、抽气流量）和瓦斯抽采系统能效特性的影响规律。结果表明:1)瓦斯抽采泵的运行性能和抽采系统的能效水平随工作液粘度先提高后降低,流场内湍动能损失先减小后增加。首次发现了存在最佳节能增效的粘度值;2)随工作液弹性效应增强,瓦斯抽采泵运行性能和瓦斯抽采系统能效比先基本稳定后快速升高,即仅当工作液弹性较显著时,才可改善瓦斯抽采系统的能效水平;3)随工作液密度减小,瓦斯抽采泵的液环有效动能增加,抽气流量增加,能耗降低,瓦斯抽采系统能效比提升;4)随叶轮转速增加,瓦斯抽采泵功耗快速增加,瓦斯抽采系统的能效比快速降低。以上结果为瓦斯抽采泵节能增效新技术的研发奠定了理论基础。提出了瓦斯抽采泵节能增效新方法和机制,研发了适用于煤矿瓦斯抽采系统复杂工况下的新型节能高分子工作液,并建立了其流变模型。结果表明:1)在高湍流、强剪切的瓦斯抽采泵气液两相流场环境下,高分子溶液的大分子由静止状态下的蜷曲结构演化为拉伸结构,在“边界层稳态化效应、湍流区层流化效应及相界面波阻尼效应”综合作用下改善了流场分布及湍流小尺度特性,宏观表现为瓦斯抽采泵运行性能和瓦斯抽采系统能效性的大幅提升;2)新型高分子工作液的粘度和粘弹性特性随浓度增加而增加,随p H值增加先升高后降低,随温度和盐离子浓度增加而轻微降低,具有良好的耐盐性、抗温性、p H稳定性及生物稳定性;确定了其同时具备屈服-假塑性流体和粘弹性流体特性,并采用Carreau-Yasuda粘性模型和KBKZ粘弹性模型建立了流变模型;3)随浓度增加,高分子工作液的比热容和导热系数降低,这对于换热系统中的冷却降温具有不利影响。构建了瓦斯抽采泵内高分子工作液节能增效特性实验系统,研究了浓度、叶轮转速、水质条件等因素对高分子工作液节能率、能效比和节能稳定性的影响规律,并验证了该方法对（特）大型瓦斯抽采泵的广泛适用性。结果表明:1)基于节能率和节能稳定性两种量化指标,优选出了一种适用于瓦斯抽采泵内高湍流、强剪切环境下的最优高分子材料,发现存在最佳节能浓度（4000ppm）,节能率最高达24.4%,瓦斯抽采系统能效比增值达10.3 m~3/k Wh;2)随叶轮转速增加,节能率大幅增大,但其节能稳定性未受负面影响;3)水质条件越恶劣,如酸性水质、矿化度高等,节能率会有轻微降低,但均可满足工程应用需求;4)该方法同样适用于（特）大型瓦斯抽采泵的节能增效,不同吸气压力下节能率达19%～24.2%,对应的瓦斯抽采系统能效比增值为2.9～10.4 m~3/k Wh;进一步通过成本-效益计算模型,净节能率达16.5%～21.3%。构建了高分子工作液管内流动与换热实验系统,研究了浓度和流体流速对高分子溶液的流动阻力和传热特性的影响规律,评价了各换热器件的换热-流动综合性能,为瓦斯抽采泵节能系统的高效换热提供数据支撑和依据。结果表明:1)在换热器规定流速范围内,常规的光滑直换热管在高浓度高分子工作液下压差较纯水还高,传热降低率随浓度增加而增加,最大可达96%,因此并不适用于本文的高分子工作液换热降温需求;2)在低流速下,高分子工作液在波纹强化换热管内流动阻力与光滑直管相比并未增加,但传热系数大幅提高,且浓度越高、流速越低时,强化传热率和综合性能因子越高,最大分别可达25和1601,因此,波纹强化换热管可作为本文瓦斯抽采泵换热子系统的备选元件。针对煤矿地面和井下瓦斯抽采泵站条件及抽采工况特点,开发了地面全封闭式瓦斯抽采泵节能增效系统,地面半封闭式瓦斯抽采泵节能增效系统和井下直注式瓦斯抽采泵节能增效系统,阐明了各工艺系统的适用性,且均取得了成功的工程经验和显著的节能效果,具有广阔的推广应用前景。实践证明:本文提出的瓦斯抽采泵节能增效新原理和工艺方法是正确的且可完全适应煤矿瓦斯抽采系统的复杂工况;节能率可达20%～25.8%,净节能率达17%～21%,对应的瓦斯抽采系统能效比可增幅7.3～20.9 m~3/k Wh,有效解决了煤矿瓦斯抽采系统能耗高、效率低的难题,对全面实现我国低碳绿色高效矿山具有重要意义。该论文有图112幅,表34个,参考文献182篇。