熱泵用于可移動(dòng)式救生艙環(huán)境模擬室的實(shí)驗(yàn)研究

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

熱泵用于可移動(dòng)式救生艙環(huán)境模擬室的實(shí)驗(yàn)研究

衛(wèi)文慧

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

礦井可移動(dòng)式救生艙是為在礦井災(zāi)難發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)不能及時(shí)撤離的礦工提供臨時(shí)性避難場(chǎng)所的系統(tǒng)。在可移動(dòng)式救生艙的研制和實(shí)驗(yàn)中，保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性是把好救生艙質(zhì)量關(guān)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一套用于救生艙環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)，采用熱泵作為加熱系統(tǒng)，其控制溫度較精確，升溫及降溫速率可控。實(shí)驗(yàn)研究表明，在該系統(tǒng)中，模擬艙上下部最大溫差小于1℃，平均溫度與目標(biāo)溫度的最大溫差小于0.5℃。

熱泵；可移動(dòng)式；救生艙環(huán)境模擬室；實(shí)驗(yàn)

1 引言

我國(guó)煤礦的90%是井下開(kāi)采，地下作業(yè)是它的基本特點(diǎn)，較之地面作業(yè)它有許多不安全的自然因素：水、火、瓦斯、礦塵、冒頂?shù)葧r(shí)時(shí)刻刻都在威脅著礦工的生命安全。

井下救生艙也叫“井下避難所”，這種避險(xiǎn)裝置的特點(diǎn)是在提供緊急避險(xiǎn)空間的時(shí)候，可通過(guò)牽引、吊裝等方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，以適應(yīng)采掘工作的要求。其功能為：在井下發(fā)生突出、火災(zāi)、瓦斯煤塵爆炸、水害等災(zāi)變事故后，在逃生路徑被阻和逃生不能的情況下，為無(wú)法及時(shí)撤退的人員提供一個(gè)安全的密閉空間。

根據(jù)世界各國(guó)對(duì)礦井事故的調(diào)查，在火災(zāi)、爆炸等事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)瞬間受到傷害死亡的礦工只占事故傷亡人數(shù)的一部分，有相當(dāng)一部分礦工都是因?yàn)樵诘V井透水或火災(zāi)、爆炸后不能及時(shí)升井或逃離高溫、有毒有害氣體現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致溺水、窒息或中毒死亡的。因此，各國(guó)都在大力建設(shè)礦井避難硐室和研制礦用救生艙，以便為礦井發(fā)生事故后無(wú)法及時(shí)撤離的礦工提供一個(gè)安全的密閉空間。

2010年以來(lái)，我國(guó)的煤礦可移動(dòng)式救生艙的研究和加工進(jìn)入了一個(gè)高峰期，所有救生艙在投入生產(chǎn)并正式進(jìn)入市場(chǎng)之前，都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)《煤礦可移動(dòng)式硬體救生艙通用技術(shù)條件（報(bào)批稿）》和《礦用可移動(dòng)式救生艙產(chǎn)品安全標(biāo)志管理研討會(huì)紀(jì)要》的規(guī)定，救生艙的綜合防護(hù)實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)溫度可控的恒溫室中進(jìn)行的，整個(gè)環(huán)境溫度控制時(shí)間不得低于106小時(shí)。該恒溫室的溫度分別控制在初期的55攝氏度和后期的30攝氏度，55攝氏度的溫度持續(xù)時(shí)間因各個(gè)廠家的設(shè)計(jì)不同而不同，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的剩余階段，恒溫室內(nèi)的溫度必須保持在30攝氏度。

目前，大多數(shù)廠家在維持恒溫的過(guò)程中都采用了加熱管加熱、風(fēng)機(jī)送風(fēng)的方式，這種方式簡(jiǎn)單、易操作，但溫度不易控制，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中耗電量巨大。

2 熱泵技術(shù)簡(jiǎn)介

熱泵已經(jīng)是一種非常成熟的技術(shù)，生產(chǎn)成本可以嚴(yán)格控制，廣泛應(yīng)用于家庭及辦公環(huán)境，其工作原理是由壓縮機(jī)排出的高壓制冷劑蒸汽，經(jīng)換向閥后流入室內(nèi)蒸發(fā)器（作冷凝器用），制冷劑蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱，將室內(nèi)空氣加熱，達(dá)到室內(nèi)取暖目的，冷凝后的液態(tài)制冷劑，從反向流過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)入冷凝器（作蒸發(fā)器用），吸收外界熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽經(jīng)過(guò)換向閥后被壓縮機(jī)吸入，完成制熱循環(huán)。這樣，將外界空氣（或循環(huán)水）中的熱量“泵”入溫度較高的室內(nèi)，故稱為“熱泵”。

在熱泵循環(huán)中，從低溫?zé)嵩矗ㄊ彝饪諝猓┲腥〉肣0的熱量，消耗了機(jī)械功AL，而向高溫?zé)嵩矗ㄊ覂?nèi)加熱系統(tǒng)）供應(yīng)了Q1的熱量，這些熱量之間的關(guān)系是符合熱力學(xué)第一定律的，即Q1=Q0+AL。

如果不用熱泵裝置，而用機(jī)械功所轉(zhuǎn)變成的熱量（或用電能直接加熱高溫?zé)嵩?，則所得的熱量為AL，而用熱泵裝置后，高溫?zé)嵩矗訜嵯到y(tǒng)）多獲得了熱量：Q1-AL=Q0，因此，其節(jié)能效果顯而易見(jiàn)。將熱泵技術(shù)應(yīng)用于救生艙環(huán)境模擬艙的加熱過(guò)程中，將有效降低耗電量，并達(dá)到較準(zhǔn)確的溫度控制精度，能夠較好地實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬室內(nèi)的溫度均勻分布。

3 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

熱泵加熱系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示，系統(tǒng)主要由環(huán)境模擬室、渦旋壓縮機(jī)、翅片管式冷凝器、翅片管式蒸發(fā)器和電控箱組成，工質(zhì)為R134a制冷劑。環(huán)境模擬室體積為18m×3m×3.5m。墻體是由內(nèi)嵌100mm厚的巖棉彩鋼板搭建而成，在冷凝器的前端安裝有功率為1kW的軸流風(fēng)機(jī)2臺(tái)，總風(fēng)量為17000m3/h。室外蒸發(fā)器為頂出風(fēng)結(jié)構(gòu)，蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為8000 m3/h，功率為0.4kW。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用日本橫河YOKOGAWA的MX100，MX100是一款基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，外部連接30通道輸入模塊，具有高速、高耐壓的測(cè)量性能。

3.1 溫度測(cè)量

熱泵系統(tǒng)中采用4個(gè)三線制PT100的溫度計(jì)用于測(cè)量壓縮機(jī)吸排氣管壁的溫度。這些溫度計(jì)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確標(biāo)定，測(cè)量范圍為（-50～600）℃，精度為A級(jí)：±（0.12+0.002 |t|）℃。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

3.2 風(fēng)速測(cè)量

模擬艙內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)速的測(cè)量采用德國(guó)testo405-V1熱線風(fēng)速儀，量程為（0～10） m/s和（0～99990）m3/h，精度為±（0.1 m/s+5%測(cè)量值）（0～2 m/s），±（0.3 m/s+5%測(cè)量值）（其余量程）。

3.3 功率測(cè)量

圖3 高溫階段環(huán)境模擬室內(nèi)溫度的變化

圖4 環(huán)境模擬室內(nèi)溫度的下降情況

圖5 正常實(shí)驗(yàn)階段環(huán)境模擬室內(nèi)溫度分布

壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的功率采用東莞華儀儀表科技有限公司生產(chǎn)的三相三線數(shù)字鉗形功率表進(jìn)行測(cè)量，型號(hào)為MS2203，主要技術(shù)參數(shù)如下：視在功率（kVA）：4/10/40/100/600 kW±3.0%；功率因素：0.3～1（容性或感性）±0.02%。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)溫度的控制通過(guò)壓縮機(jī)的啟停進(jìn)行控制，當(dāng)模擬室內(nèi)實(shí)際溫度大于要求的目標(biāo)溫度時(shí)，壓縮機(jī)停止運(yùn)行；當(dāng)模擬室內(nèi)實(shí)際溫度小于要求的目標(biāo)溫度時(shí)，壓縮機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。壓縮機(jī)啟停的溫度回差值為±1攝氏度。

4.2 結(jié)果分析

1）環(huán)境模擬室內(nèi)溫度的上升速度

在綜合防護(hù)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度升高至55攝氏度后，才能進(jìn)入正式的實(shí)驗(yàn)階段，因此，環(huán)境模擬室的升溫速度將大大影響到實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間。如圖2所示為系統(tǒng)開(kāi)啟后，環(huán)境模擬室內(nèi)溫度上升曲線。從圖中可以看出，在開(kāi)始階段，環(huán)境模擬室內(nèi)的溫度與當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度相同，為26℃，隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，環(huán)境模擬室內(nèi)溫度迅速上升，加熱進(jìn)行0.5小時(shí)后，溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55℃，并在此溫度附近浮動(dòng)，上下浮動(dòng)在±1℃范圍內(nèi)。

2）環(huán)境模擬室內(nèi)溫度在高溫段的穩(wěn)定性

當(dāng)環(huán)境模擬室內(nèi)溫度達(dá)到55℃后，即進(jìn)入正式的實(shí)驗(yàn)階段，在該過(guò)程中，如果模擬室內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度相差過(guò)大，將會(huì)影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性，因此，模擬室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性是一個(gè)重要的考核指標(biāo)。如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中救生艙的設(shè)計(jì)高溫加熱時(shí)間為4小時(shí)，當(dāng)加熱0.5小時(shí)后溫度達(dá)到55℃，在之后的4小時(shí)內(nèi)，環(huán)境模擬室內(nèi)的溫度保持在55℃左右，上下偏差不超過(guò)±1℃，模擬室內(nèi)溫度穩(wěn)定性良好，滿足加熱要求。在該過(guò)程中，外界環(huán)境溫度維持在26℃左右。

3）環(huán)境模擬室內(nèi)溫度的下降速度

做完高溫階段實(shí)驗(yàn)后，環(huán)境模擬室內(nèi)溫度應(yīng)迅速降低至30℃，并要求保持在該溫度。在實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)4小時(shí)的加溫后，自動(dòng)調(diào)整熱泵加熱的目標(biāo)溫度為30℃，并開(kāi)啟進(jìn)風(fēng)閥和排風(fēng)閥，使溫度迅速降低。如圖4所示是環(huán)境模擬室內(nèi)溫度從55℃降低至30℃的過(guò)程，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)0.25小時(shí)，即15分鐘后，環(huán)境模擬室內(nèi)溫度降低至30℃，此時(shí)關(guān)閉風(fēng)閥，并由熱泵機(jī)組通過(guò)啟停壓縮機(jī)自動(dòng)控制溫度。

4）環(huán)境模擬室上下溫度分布的均勻性和精確性

圖5是每隔1h所記錄的模擬艙上下溫度分布。實(shí)驗(yàn)中救生艙的設(shè)計(jì)低溫加熱時(shí)間為116小時(shí)，從圖中可以看出，上下最大溫差小于1℃，說(shuō)明模擬艙內(nèi)溫度分布比較均勻。上下部溫度與目標(biāo)溫度相比，最大溫差在0.5℃以內(nèi)，說(shuō)明加熱過(guò)程中溫控的精確性較高。

結(jié)語(yǔ)

本文利用現(xiàn)有熱泵技術(shù)，為煤礦可移動(dòng)式救生艙搭建了一套環(huán)境模擬系統(tǒng)。并根據(jù)《煤礦可移動(dòng)式硬體救生艙通用技術(shù)條件（報(bào)批稿）》及實(shí)驗(yàn)救生艙的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了加熱、降溫及維持穩(wěn)定溫度的實(shí)驗(yàn)，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在熱泵加熱系統(tǒng)中，環(huán)境模擬艙溫度上升迅速，半小時(shí)之內(nèi)即可達(dá)到高溫要求；

（2）在溫度維持階段，熱泵系統(tǒng)控溫較精確，模擬艙內(nèi)平均溫度與目標(biāo)溫度相差小于0.5℃；

（3）通過(guò)熱泵系統(tǒng)的加熱和導(dǎo)流作用，模擬艙外溫度分布較均勻，上下部溫度較接近，最大溫差不超過(guò)1℃，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)可移動(dòng)式救生艙的均勻加熱，提高救生艙綜合防護(hù)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和效率。

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