制冷降温系统在解决煤矿井下热害的应用

制冷降温系统在解决煤矿井下热害的应用
刘家瑞
（上海理工大学能源与动力学院动力工程137680155）
摘要：热害作为矿井的自然灾害之一,不仅严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，而且影响矿山的经济效益。

首先在阐述机械制冷降温在国内外矿井巷道中的应用现状基础上,重点介绍了煤矿井下用机械制冷降温系统中压缩机、空冷器、制冷剂、润滑油等特殊部件等要求。

此外冰浆降温系统具有冷量输送能力强, 水泵负荷小, 经济效益明显等优点，冰浆降温技术是解决矿井热害的一种实用、方便、经济的方法。

最后指出制冷降温系统在煤矿井下应用领域应重点研究的内容。

关键词:机械制冷;冰浆制冷;降温;
目前，我国煤矿开采已经向深部发展，许多矿井的开采深度已达900~ 1300 m。

随着矿井开采深度的增加,岩石温度升高,开采与掘进工作面的环境热害日益严重,不少工作面的气温超过28℃,个别高达34℃。

井下高温对工人的健康与安全、井下设备的安全运行及生产效率造成了极大的危害和影响。

1机械制冷系统在煤矿巷道中的应用
1.1制冷方式
在煤矿井下制冷降温中,常见制冷方式有蒸汽压缩式和空气压缩式,蒸汽压缩式制冷是利用液体气化时的吸热效应而实现制冷的。

在一定压力下液体气化时,需要吸收热量,该热量称为液体的气化潜热。

液体所吸收的热量来自被冷却对象,使被冷却对象温度降低,或者使它维持低于环境温度的某一温度。

在液体气化制冷中,可分为机械压缩式、吸收式、喷射式、吸附式制冷,而在煤矿井下制冷系统应用中,以机械压缩式制冷为主。

机械压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,用管道将其连成一个封闭的系统。

工质在蒸发器内与巷道空气发生热量交换,吸收被冷却对象的热量并气化,产生的低压蒸汽被压缩机吸人,压缩机消耗能量(通常是电能),将低压蒸汽压缩到需要的高压后排出。

压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器内被常温冷却介质(水或空气)冷却,凝结成高压液体。

高压液体流经膨胀阀时节流,变成低压、低温湿蒸汽,进入蒸发器,其中的低压液体在蒸发器中再次气化制冷。

与液体气化式制冷相比,空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式,所采用的工质主要是空气。

由于空气压缩制冷循环的制冷系数、单位质量制冷工质的致冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统,在产生相同制冷量的情况下,空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置,并且单位制冷量的投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统，此外，矿井中的瓦斯等易燃易爆气体，容易发生爆炸等危险。

因此,空气压缩式制冷在矿井降温中很少应用,因此只介绍蒸汽压缩式制冷系统在煤矿中的应用。

蒸汽压缩式制冷降温系统根据制冷站的安装位置、冷却矿内风流的地点、载冷剂的循环方式等,可分为井下集中式、地面集中式、井上下联合式和井下局部分散式。

(1)井下集中式制冷机设在井下,通过管道集中向各工作面供冷水。

系统比较简单,供冷管道短,没有高低压转换装置,仅有冷水循环管路。

但是这需要在井下开凿大断面峒室,给施工和维护带来一定困难。

随着开采深度的增加,矿井需求冷量的增大,井下集中空调系统的冷凝热排放困难则成为突出的问题,制约了制冷能力,其系统布置如图1所示。

图1 井下集中式制冷系统
(2)地面集中空调系统分为2种:一种是地面冷却风流系统,其全部设备都设在地面,对矿井总进风风流进行冷却,其系统布置如图2所示。

由于冷却降温后的低温风流不断被井下热源加热,降温效果变低。

故仅适用于开采深度小、风流距离短的高温矿井。

另一种是井下冷却风流系统,其制冷机位于地面。

载冷剂(冷水或盐水)通过隔热管道被送到井下采掘工作面的空冷器。

从地面到井下高差大,载冷剂输送管道中的静压很大,所以必须在井下增设高低压转换装置。

图2 井上集中式制冷系统
(3)井上下联合系统的制冷机分别设在地面和井下,可以看作是井上、井下制冷系统的混联,具有地面和井下2个系统的特点。

该设备布置分散,冷媒循环管路复杂,操作管理不便。

(4)井下局部分散式系统的制冷机可移动,仅供1个或局部高温场所空调使用。

蒸发器即相当于空冷器。

冷量传输距离小,冷损小,初期投资少,移动灵活。

但冷凝热排放困难,故仅适用于小范围的煤矿降温空调。

其系统布置如图3所示。

1.2压缩机
压缩机是制冷空调的心脏,它对系统运行性能、噪声振动和使用寿命有着决定性作用。

矿用制冷装置的制冷量一般都在100 kW以上,在此冷量范围内,长期以来使用的主要是活塞式、螺杆式2种机型。

图3 井下局部分散式制冷系统
作为矿用设备,压缩机在整个制冷装置中的安全性显得格外重要。

它作为一种特种设备,在运转中可能会出现一些异常情况,如排气压力过高,吸气压力太低,油压不足,排气温度过高等。

出现这些异常情况,给生命和财产带来隐患,轻则会对压缩机造成损坏,重则会发生爆炸。

因此作为矿用设备的制冷装置压缩机必须采取以下防护措施:
(1)压力保护。

压力保护包括压缩机的吸排气压力保护和润滑油压力保护。

压缩机运转时,因系统的原因或压缩机本身的原因,可能出现排气压力过高或吸气压力过低的情况。

为此应设置高、低压压力控制器、安全阀。

为防止制冷剂泄漏至大气,一般采用闭式安全阀。

为保证压缩机运动部件的良好润滑,并保证有些压缩机输气量控制机构的正常动作,必须设置润滑油压差控制器。

(2)温度保护。

排气温度过高导致制冷剂分解,绝缘材料的老化,润滑油结炭,气阀损坏。

因此,应在排气口设置温控器,排气温度过高时,温控器动作,切断电路。

1.3空冷器
空冷器是冷却流过其表面的空气,进而实现降温的热交换器,对于井下局部分散式机械制冷降温系统,空冷器相当于蒸发器。

矿用空冷器主要分为两大类:表面式空冷器和直接接触式空冷器(也称喷淋式空冷器)。

表面式空冷器由于结构紧凑、体积小、适应性强等优点而倍受青睐。

热交换器的材质比较好的是铜和不锈钢，紫铜的热导系数比不锈钢大很多,故紫铜也常作为热交换器的材质。

1.4制冷剂
在蒸汽压缩式制冷中,循环流动的工作介质称为制冷剂,又称制冷工质,它在系统的各个部件间循环流动,以实现能量的转换和传递。

卤代烃是目前最常用的制冷剂,在矿用制冷装置中,制冷剂的选择除了要环保、高效外,更重要的是要安全,不经意的制冷剂泄漏会造成严重的事故。

因此在选择制冷剂时首先应考虑制冷剂的毒性、燃烧和爆炸性。

1.5润滑油
制冷系统中的润滑油又称冷冻机油、润滑机油。

在制冷系统中,润滑油和制冷剂在压缩机内直接接触;有少量润滑油被携带进制冷管路内随同制冷剂循环;在封闭压缩机中,润滑油与电动机的线圈及密封等有机材料密切接触;制冷系统中的润滑油既经历压缩机排气的最高温
度,又经历膨胀阀、蒸发器的最低温度。

因此润滑油润滑压缩机的各运动部件,既能减少摩擦和磨损,又能起到冷却作用,将运动部件保持较低温度,以提高效率。

利用润滑油的粘度,使运动部件间形成油膜,维持制冷循环高低压力,起密封作用。

根据不同排气温度,应选用不同闪点的润滑油,一般润滑油的闪点应高于排气温度15~30℃。

2冰浆制冷系统
2.1冰浆特性
冰浆是指含有大量悬浮冰晶粒子的固液两相溶液。

也称“流体冰”或“可泵冰”，其中冰晶颗粒的平均尺寸不超过1 mm。

冰浆具有巨大的相变潜热和低温显热。

以冰浆作为集中供冷输送冷量有以下优点：冰晶潜热大( 335 kJ/kg )，冷流密度大，单位体积流体所能输送的冷量也大。

以冰浆作为输送介质。

供回水温度为- 21℃/2℃时, 与7℃/12℃的冷冻水相比，输送能力是后者的3.4倍；在一定的含冰率下，冰浆能在某种程度上起到减阻剂的效果，其阻力比清水低，水泵电耗因而减少。

2.2冰浆降温系统应用
在地面建立制冰站，安装制冰系统。

制冰站生产的片冰通过安装在井筒中的输冰保温管路被送至井底车场的融冰池，融化后，供冷水泵将融冰池中的低温水通过保温管道输送到工作面机巷。

通过3种方式进行散热：一方面通过空冷器进行热交换，冷却进风流，流动的低温风流带走部分热量，降低工作面的温度。

另一方面，通过在工作面的上部安装喷淋装置，喷洒降温系统的低温冷水，冷却工作面的气体及岩壁，以降低工作面温度; 最后，通过工作面的“三机”等机械的冷却用水使用降温系统的低温水，减少工作面的机械的散热量。

综合三种方式来降低工作面温度，满足工作面生产要求见图4。

对于输送至采面进行热交换以后的回水再通过管路返回融冰池融冰，循环使用。

图4 冰冷却系统
3煤矿用制冷降温系统的发展前景
随着高温矿井数量的不断增多,机械制冷降温系统在矿井中的应用会越来越广泛。

煤矿用机械制冷降温系统应不仅体现在其安全性上,更应该与国家的“节能减排”政策相一致,为此需从以下几方面做起:
(1)煤矿用机械降温系统的投资、成本的高低、降温效果的好坏将直接取决于设计水平、降温系统装备水平和系统安装、管理和维护水平。

因此降温设计和降温设施,应与矿井改造、建设同时设计、同时施工。

(2)热害集中的矿井,在经济条件允许下,尽可能采用井下集中制冷降温,这样可以降低单位制冷量功耗,管理也大大方便。

(3)针对煤矿井下多灰尘、高湿度环境,依据表面式空冷器的结构特征,开发高效的配套清洗装置或研制机动灵活、体积小的喷淋式空冷器,以适应煤矿井下多种场合的需要。

(4)由于煤矿井下的特殊环境,要求制冷机所用的制冷剂必须符合无毒、不可燃和无爆炸危险的要求,目前广泛使用的制冷剂R22虽然符合煤矿井下的特殊要求,但其散放到大气中对臭氧层有破坏作用,急需新型制冷剂。

(5)冰浆降温系统相比其他人工制冷空调具有降温能力强，管网的输送能力强，水泵的电耗少，铺设管道投资少等优点。

4结语
我国煤矿开采深度的不断增加,高温矿井的数量也在不断增多,如何有效地解决井下高温问题己迫在眉睫。

加强通风、预冷进风风流等优化通风系统的方法在我国矿井热害治理中应用较为成熟,但其降温幅度有限,限制了其在井下大规模应用。

机械制冷降温技术在矿井降温中应用虽然得到广泛发展,但煤矿井下空气中含有瓦斯、煤尘等可燃易爆气体,高湿度的环境也给井下制冷降温设备提出了更严格的要求，而冰浆降温系统则避免了这些问题，制冷效果明显、能耗较小、性能可靠、运行平稳，可广泛的应用于煤矿及非煤矿山井下采掘工作面高温热害控制。

但是其技术还不是很成熟，特别矿区冰的来源还需很好解决。

此外，国内矿井降温设备生产厂家和使用单位还需研制出更安全、高效、经济的适合我国煤矿井下使用的制冷降温设备。

参考文献
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