吸附式制冷技术在矿用救生舱中应用可行性分析

吸附式制冷技术在矿用救生舱中应用可行性分析
摘要：矿用救生舱是发生矿难救援不可缺少的装备，而救生舱中空调系统是矿用救生舱生命保障系统的关键系统之一；本文介绍了救生舱负荷来源及计算，采用吸附式制冷技术，并通过与其他制冷技术比较得出吸附制冷技术的优点，并从理论上全面分析了吸附式制冷技术与其他制冷技术应用于矿用救生舱中的优点和不足，通过对比比较，表明固体吸附式制冷技术在理论上应用于矿用救生舱中有着明显优势，并对其应用在救生舱中原理加以说明；并指出固体吸附式制冷技术实际中应用于矿用救生舱有可能遇到的问题。

关键词固体吸附式制冷矿用救生舱连续制冷循环
adsorption refrigeration technology in the mines with the application of life-saving compartment feasibility analysis sun ruike ji changfa zhang xiaobo duan yanyan mu hongyan （xian university of science & technologyenergy academyheat and gas supply ventilating and air conditioning engineering，xian710054，china）
abstractthe mine rescue capsule is the key equipment if disaster happened to mine, however, the mine rescue capsule air condition is one of the most important system where the life support system in the mine rescue capsule. theoretical analysis of the adsorption refrigeration which is applied in the mine rescue capsule is studied in this paper. meanwhile,
comparing the adsorption refrigeration with other technologies which is applied in rescue capsule, we can catch the advances and shortcoming of the adsorption refrigeration, the result show the adsorption refrigeration can use in the mine rescue capsule in the theory. the text show the theory how to use about the adsorption refrigeration .meanwhile, the problems were showed when adsorption refrigeration may appear in the fact use.
keywordsadsorption refrigerationrescue capsulecontinuous refrigeration cycle
中图分类号： tb66 文献标识码： a 文章编号：
0前言
矿用救生舱也叫“井下避难所”，其功能为在井下发生突出、火灾、瓦斯煤尘爆炸、水害等灾变事故后，在逃生路径被阻或逃生不能的情况下，为无法及时撤退的人员提供一个安全的密闭空间，其舱体结构可以承受0.3mpa的瞬间爆炸压力，对外能够抵御高温烟气，隔绝有毒有害气体；对内能为遇险人员提供氧气、食物、水、去除有毒有害气体，创造生存基本条件；并通过通讯、环境监测设备为应急救援创造条件、赢得时间。

[1-4] 救生舱是矿井中不可或缺的救援装备，救生舱在国外有多次成功救援的实例[5]。

加拿大、美国、澳大利亚、南非等国家的矿山安全法规和标准对推广、使用
矿用救生舱有着硬性的规定。

从2007起，国内有多家机构开始着手研究和使用矿井救生舱，但均处于起步阶段。

矿用救生舱应包括应急救援密闭舱、舱内生命保障系统、通讯系统三大部分。

降温设备系统是矿用救生舱生命保障系统的关键系统之一，其功能定位为在外界断电情况下，为进入救生舱内的逃生人员提供临时的温度生存环境。

目前已经用在国内外救生舱降温方式主要有：蓄冷型降温，干冰或氟利昂直接相变降温等。

其他可能应用于救生舱降温系统的新型的降温方式还有涡流管降温，人力压缩降温，以及采用空调服降温等[6-8]。

固体吸附式制冷技术具有其他传统制冷技术没有的优点，但目前该技术尚未在救生舱中应用，故本文对其在救生舱中能否适用进行阐述。

1吸附式制冷技术
吸附式制冷基本循环由发生在吸附床中的四个过程及蒸发器和
冷凝器中的两个过程组成，即在吸附床中经历：加热，解吸——冷却，吸附——加热，解吸等循环过程；制冷剂在蒸发器中吸热蒸发；在冷凝器中被冷凝，完成制冷循环。

与其他制冷技术相比固体吸附制冷的主要优点[9,10]：
1）制冷系统的驱动力来自高温热源，热源温度一般在200℃以下，甚至可以采用70℃左右的热源，不仅可以提高能源利用率，还相当于减少了温室气体的排放；固体吸附式制冷可采用余热驱动，由于发生矿难时不能使用大功率设备，外部电源有可能被切断，因此吸附制冷能对电力的供应有缓解作用，且能有效利用大量的低品位
能；
2）固体吸附制冷（特别是物理吸附）所采用的吸附工质对几乎全部是对大气环境无害物质，不采用氯氟烃类制冷剂，无cfcs问题，亦无温室效应作用，应用在救生舱中对舱内空气质量不会造成影响；
3）固体吸附制冷系统中运动部件少，甚至可以不含运动部件，而且抗震动和倾覆能力较强，与压缩式制冷相比，具有结构简单，无运动部件，噪声低，寿命长等特点，可用于振动、倾颠或旋转场所；在发生矿难时，会产生冲击波对救生舱造成冲击震荡，应用吸附式制冷技术可以保证机组正常使用；
4）固体吸附制冷系统中，冷凝温度和吸附温度可以根据外部热源和吸附工质对的情况适当提高，因此可以在系统中安排风冷，不必担心像吸收制冷系统中结晶问题，且固体吸附式制冷不存在结晶和精馏问题，适用范围广，能有效利用低品位热源。

2其他制冷技术应用在救生舱中存在问题
2.1利用二氧化碳制冷系统
①需要考虑渗漏问题，二氧化碳（液态）制冷方式所产生（排放）的二氧化碳气体，大量的弥漫在救生舱的周围，对舱内的人员生存和外部人员对其施救，造成很大的危险；同时，若舱内制冷管路如果发生泄漏，对舱内人员的生存也是一个致命的伤害；
②液态二氧化碳制冷，虽综合成本较低，但需要四、五十个钢瓶，占用空间较大；
③超过临界温度后，制冷能力较差；
④无除温能力，需附加除湿装置；
⑤无法实现大容量空气循环，可控性差。

2.2利用空调机制冰（即蓄冷技术）降低舱内温度
①空调制冰机需要平时一直工作，确保储冰箱内的水是冰的状态，一旦发生矿难，外部电源可能切断，只能依靠储冰箱内的储存冰来控制救存舱内的温度。

需要考虑储冰箱箱体外表面冷凝水的收集，以及储冰箱、风道内结霜的问题，否则时间过长，冰、霜会将风道内堵塞。

②工业空调用的是380v的电压，而一般煤矿矿下用电，最低是660v。

③设备维护维修成本太高，不管该系统使用与否，每天都需要运行，再加上设备的维修，运行维护维修费用相当高，成本较大。

3吸附制冷在救生舱中应用系统
3.1吸附制冷连续循环
在救生舱中吸附制冷采用连续回热型制冷循环，两床以180°反向运行，即解析刚结束的热床与吸附刚结束的冷床可实现回热。

第一阶段，吸附刚结束的冷床1所需的全部显加热和解吸过程前期所需热量由解吸刚结束的热床2提供，热源（加热装置，集热器）提供床1解吸过程后期所需热量，该过程中热床2（吸附器2）向床1(吸附器1)放热，同时自身冷却，从而减少床2（吸附器2）本需
要向环境放热需要的冷却负荷，且床2冷却后进入吸附过程前期放出吸附热也被用来加热床1（吸附器1），仅在吸附过程后期向环境排热，同时节省了冷床1（吸附器1）加热和热床2（吸附器2）冷却所需的能量；在第二阶段，情形相反，节省了冷床2（吸附器2）加热和热床1冷却所需的能量。

该循环不但使制冷过程成为连续，而且使cop有较大幅度的提高[9-17]；同时集热器可以将吸收二氧化碳等有害气体放出的热量收集起来作为吸附解吸热，当热量不足以后期解吸时，开启加热装置完成解吸过程；连续式制冷循环见图3.1.
图3.1吸附制冷连续运行基本原理图
该循环实现了吸附制冷的连续制冷；采用回热措施充分利用吸附床的冷却放热以及吸附放热；具有吸附制冷的优点即抗震动和倾覆能力较强，吸附工质对是对大气环境无害物质不影响舱内空气品质；采用回收余热作为热源可提高能源利用率。

在救生舱中先以电加热作为启动热源，再以吸收二氧化碳等气体放出的热量作为热源，如冷量不足时再开启电加热，完成吸附床的解吸过程；冷冻水经过蒸发器降温，进入主舱室布置的风机盘管，对舱内空气进行冷却降温；采用防爆风机对冷凝器和冷却装置进行冷却
目前由于吸附式制冷机受制造工艺的限制，制冷量较小，一般只有数千瓦至上百千瓦，cop较低，对此要提高吸附制冷技术效率。

可以从以下几方面加以研究：
（1）强化吸附剂的吸附性能，开发新型吸附剂，增大制冷量；（2）强化传热，提高吸附剂的传热性能和单位吸附剂的制冷功率，减小制冷机的尺寸，提高吸附床的可靠性；
（3）研究新型制冷循环，缩短制冷周期，开发吸附吸收相结合的新型制冷机；
（4）对整个制冷系统对进行优化设计，使各个部件实现最优匹配，提高系统的制冷性能。

[17]
3.2吸附制冷在救生舱系统的具体运行过程原理
救生舱制冷量计算:
根据煤矿救援人员的多年经验，在爆炸、火灾等灾变期间，矿井温度长时间持续在50℃以上。

根据我国的相关文件标准的规定，救生舱长时间处在高温环境中时，通过各种技术装备控制舱内部温度≤35℃。

对救生舱模型进行简化，
舱体结构形式一直具有相同的传热系数k；几何形状规则；舱体外环境温度恒定。

设舱内人数为n。

（1）通过围护结构传入的热量
（2）避难人员散发热量
(3)设备散热量和所需吸附剂质量
（4）单床所需的脱附热
4结论
固体吸附式制冷技术存在着其他制冷技术不能比拟的优点，在理论上完全可以应用在矿用救生舱中。

但目前吸附式制冷机受制造工艺的限制，制冷量较小，cop较低。

该系统在实际中能否应用还需要用实验进一步研究论证。

参考文献
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【17】李洁吸附制冷应用于车用空调存在的问题探讨河南科
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