冰蓄冷空調在礦用救生艙中的應用

肖 濤，徐 鋒，劉利云，阮 煒

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

礦用救生艙是解決礦難事故的一個重要手段，通常情況下，救生艙應具備安全防護、氧氣供給保障、空氣凈化與溫濕度調節(jié)、環(huán)境監(jiān)測、通訊、照明、動力供應、人員生存保障等基本功能。其中，空氣凈化與溫濕度調節(jié)主要依靠空調系統(tǒng)。由于礦難事故往往伴隨著電力中斷，為保證救生艙內(nèi)具有適宜的空氣質量和溫濕度，一般采用被動冷卻方式的空調系統(tǒng)來實現(xiàn)艙內(nèi)生存環(huán)境的調節(jié)。在眾多被動冷卻方式的空調系統(tǒng)中，冰蓄冷空調系統(tǒng)因其技術成熟、節(jié)能環(huán)保等特點，在歐美發(fā)達國家得到了廣泛的應用，在中國各大商場、食品行業(yè)的應用也日趨廣泛。

在礦用救生艙的空調系統(tǒng)研究中，關于冰蓄冷空調的應用鮮有文獻述及。本文借鑒冰蓄冷空調的一些技術特點，將其應用于礦井救生艙。通過對多種空調系統(tǒng)的分析比較，對冰蓄冷空調應用于礦用救生艙的合理性進行了分析。然后，對冰蓄冷空調的工作原理、結構形式進行了詳細介紹，通過試驗數(shù)據(jù)的對比，對一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調的有效性進行了驗證。

1 礦井空調系統(tǒng)應用

現(xiàn)有礦井下應用的空調系統(tǒng)冷卻方式根據(jù)原理可分為兩種：被動冷卻方式和主動冷卻方式[1]。

主動冷卻方式均需持續(xù)的電力供應，由于礦難發(fā)生時隨即必然伴隨著電力供應的缺失，因此該種冷卻方式不宜應用于在礦用救生艙制冷方式。

被動冷卻方式可分為蓄能、蓄冷和強制換熱三種方式。由于礦難發(fā)生時，多伴有礦井救生設備(硐室和救生艙)外部的持續(xù)高溫，故強制換熱通常不宜作為礦井救生設備的制冷方式。蓄能方式主要通過電力或高壓氣體驅動冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)降溫功能，其優(yōu)點在于艙內(nèi)占用體積小，結構緊湊，技術成熟，但是該方式需一定量的儲備電源供電，且設備冷凝器在艙外易在礦難發(fā)生時就被破壞致使空調系統(tǒng)無法使用。蓄冷方式主要利用預先儲蓄的冷量實現(xiàn)降溫功能，雖然該方式需要較大體積的蓄冷設備，以及間歇性通電制冷，但它可以實現(xiàn)“零”電力需求，并可通過艙內(nèi)送風系統(tǒng)達到制冷效果，無需額外電力驅動，因此具有相對較高的可靠性，對于處理礦難事故具有一定的優(yōu)越性。

蓄冷方式主要是利用預先存貯的制冷劑進行制冷，從而達到避難硐室內(nèi)或救生艙內(nèi)空氣冷卻的目的[2-4]。蓄冷可采用蓄冷劑(如液氮、液態(tài)二氧化碳、R744、R22、R134a 等) 、蓄冰等。這種降溫方式優(yōu)點是不帶電，設備全在避難硐室或救生艙內(nèi)，系統(tǒng)安全可靠，適于我國礦井井下環(huán)境；缺點是需要高壓空氣作動力，需要存貯大量制冷劑。蓄冰制冷，日常需要通電保持空調柜里蓄冰不被融化，日常維護費用較高。

2 冰蓄冷空調應用

冰蓄冷空調系統(tǒng)分為一次循環(huán)形式和二次循環(huán)形式兩種，筆者結合礦井救生艙研制過程中的兩種冰蓄冷空調系統(tǒng)的應用實例，對礦用救生艙空調系統(tǒng)的結構形式、工作原理進行分析比較，并通過試驗數(shù)據(jù)對兩種空調系統(tǒng)的有效性進行驗證。

2.1 二次循環(huán)形式

由于《礦井救生艙試用標準》對于救生艙內(nèi)人員的凈容積提出了一定的要求，在考慮盡量大的提高人員在救生艙內(nèi)所擁有的凈體積，我們設計了一種為節(jié)約生活艙內(nèi)人員的凈占體積而形成的二次循環(huán)冰蓄冷空調系統(tǒng)形式。其原理如圖1所示。

圖1 二次循環(huán)形式原理圖

二次循環(huán)形式可將蓄冰槽與生活艙隔離，制冰機組管路布置于蓄冰槽內(nèi)循環(huán)制冰形成一次循環(huán)，乙二醇水溶液循環(huán)管路不至于蓄冰槽及生活艙內(nèi)，通過電機帶動形成二次循環(huán)，將蓄冷量帶至生活艙內(nèi)，艙內(nèi)換熱管路依靠艙內(nèi)風機形成艙內(nèi)環(huán)境溫度換熱效果，從而控制艙內(nèi)環(huán)境溫濕度在一個合理范圍內(nèi)。

該方式的優(yōu)勢十分明顯，不僅極大地節(jié)約了生活艙內(nèi)人員的活動空間，其艙內(nèi)換熱器體積較蓄冰槽小很多，而且在一次循環(huán)管路出現(xiàn)故障的情況下，制冷介質的泄露對艙內(nèi)人員的安全沒有任何影響。但是，它也存在一定的缺陷，比如爆炸時的高溫環(huán)境將加速消耗蓄冰槽內(nèi)的冷量，這些損失的能量極大的降低了空調系統(tǒng)的效率；另外，二次循環(huán)形式的雙換熱形式也極大降低了空調系統(tǒng)的效率；再者，通過實際系統(tǒng)試驗我們發(fā)現(xiàn)，乙二醇水溶液配比不恰當致使二次循環(huán)管路中冷媒水循環(huán)回路冷媒水介質無法滿足在低溫環(huán)境下仍處于液態(tài)的情況，從而無法通過艙內(nèi)電機而形成二次循環(huán)，無法達到艙內(nèi)冷量供應的目的。

2.2 一次循環(huán)形式

為提升系統(tǒng)效率，在綜合考慮各相關設備性能(配電系統(tǒng)設備，電氣系統(tǒng)設備)的情況下，同時在保證艙內(nèi)人員凈體積的前提下，形成了一種將蓄冰槽放置于生活艙內(nèi)的一次循環(huán)形式的空調系統(tǒng)，通過蓄冰槽內(nèi)部換熱風道與外部供風系統(tǒng)結合，將冰槽內(nèi)蓄冷量帶到艙內(nèi)環(huán)境，從而達到控制艙內(nèi)溫濕度環(huán)境的目的。其原理見圖2。

一次循環(huán)空調系統(tǒng)的設計，由于蓄冰槽處于生活艙內(nèi)，不受到外界高溫環(huán)境的影響，同時，一次循環(huán)的效率較二次循環(huán)效率高，從而極大提高了整體空調系統(tǒng)的換熱效率；相對二次循環(huán)形式，該形式的空調系統(tǒng)有效避免了二次循環(huán)換熱管道堵塞而無法完成系統(tǒng)功能的問題；由于蓄冰槽處于艙室內(nèi)，該方式的自然換熱也是形成的艙內(nèi)溫度控制，通風形式下的強制換熱形式是為完全滿足艙室內(nèi)的環(huán)境溫濕度控制，蓄冰槽內(nèi)蓄冷量基本全部完成了其實用價值，極大提高了系統(tǒng)環(huán)境溫度控制的效率；其次該種循環(huán)方式相對于二次循環(huán)形式設備及管系更加簡約，極大的節(jié)約了系統(tǒng)成本并提高了設備安全性；由于蓄冰槽在人員生活艙內(nèi)，當儲備水資源不足的情況下，冰槽內(nèi)的蓄水可滿足避難礦工相對長時間內(nèi)的水資源供應。

圖2 一次循環(huán)形式原理圖

同時，一次循環(huán)也存在其缺點，較二次循環(huán)形式，一次循環(huán)形式將蓄冰槽置于艙內(nèi)極大占用了艙內(nèi)空間，致使艙內(nèi)人員的凈體積大幅減少，同時制冷循環(huán)管路的破壞也存在一定的危險性，需要對該制冷循環(huán)管路的艙內(nèi)部分進行適量的保護。

考慮經(jīng)濟性方面的因素，由于一次循環(huán)的效率較低，在同等需求冷量的情況下需要的蓄冰槽體積更小，內(nèi)部銅管布置量更少；同時，一次循環(huán)形式采用無電力驅動形式，較二次循環(huán)形式的艙內(nèi)電機的電力驅動形式耗能方面更加低廉；另外，一次循環(huán)形式蓄冰槽處于生活艙內(nèi)，冰槽內(nèi)水可做應急水源，較二次循環(huán)所需應急水需另行儲備在艙內(nèi)。以上對比表明一次循環(huán)形式較二次循環(huán)形式的空調系統(tǒng)在建造成本上的經(jīng)濟性更好。

2.3 系統(tǒng)試驗

基于一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調，筆者在試驗室進行多次空調系統(tǒng)的制冷及放冷試驗。在試驗中，設定外部環(huán)境為50°左右的高溫環(huán)境。對救生艙內(nèi)溫度和濕度的控制效果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，在一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調系統(tǒng)的調節(jié)下，艙內(nèi)溫度基本控制在26～37°之間，變化比較平緩，且大部分時間保證在30～34°之間，僅略高于正常的室內(nèi)常溫，一直處于人體可承受范圍之內(nèi)；艙內(nèi)濕度由于間接性的進入艙內(nèi)調節(jié)加濕器加適量造成其波動較大，基本維持在30%到60%之間，由于人體可承受濕度范圍較大，艙內(nèi)濕度也處于可接受范圍。

圖3 一次循環(huán)空調系統(tǒng)第三次試驗圖表

3 總結

本文對冰蓄冷空調在礦用救生艙中的應用進行了闡述，詳細介紹了一次循環(huán)形式和二次循環(huán)形式的冰蓄冷空調的結構形式和工作原理，對兩種循環(huán)形式的冰蓄冷空調的優(yōu)缺點進行了深入分析。分析結果表明一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調具有更高的可靠性、經(jīng)濟性和實用性，并通過系統(tǒng)試驗驗證了一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調系統(tǒng)的有效性。該研究對礦用救生艙的空調系統(tǒng)設計具有一定的指導和借鑒意義，下一步的工作將重點提高一次循環(huán)形式的效率，優(yōu)化該形式空調系統(tǒng)的制冷及放冷形式，努力控制整體系統(tǒng)設備的成本。

圖4 一次循環(huán)空調系統(tǒng)第五次試驗圖表

[1] 李立剛.礦井緊急避險設施降溫方式的選擇[J].煤，2013(1):30-31.

[2] 胡鳴若，余國和，顧安忠.蓄冷率與冰蓄冷空調經(jīng)濟性諸因素的關系[J].上海理工大學學報，2002，24(2):113-117.

[3] 陳小雁，李蘇瀧，代焱.冰蓄冷空調系統(tǒng)經(jīng)濟性分析[J].制冷與空調，2007(1):82-84.

[4] 趙育川.冰蓄冷裝置的設計應用及研究[J].冷藏技術，1995(1):2-5.