新型輸冷系統(tǒng)在某礦井空調(diào)中的應(yīng)用研究

劉 靖 陳珊珊* 杜 爭(zhēng)

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

·水·暖·電·

新型輸冷系統(tǒng)在某礦井空調(diào)中的應(yīng)用研究

劉 靖 陳珊珊* 杜 爭(zhēng)

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

提出了一種新型的礦井空調(diào)用輸冷系統(tǒng)，并將該輸冷系統(tǒng)運(yùn)用于某煤礦空調(diào)系統(tǒng)中，確定了井上制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度及井下?lián)Q熱器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度，同時(shí)計(jì)算出了氣態(tài)和液態(tài)制冷劑管道的最優(yōu)管徑，為該系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

礦井空調(diào)，輸冷系統(tǒng)，制冷劑，管徑優(yōu)化

0 引言

目前，我國(guó)煤礦開采深度大多在800 m以上且逐漸增加，礦內(nèi)高溫、高濕環(huán)境嚴(yán)重影響井下作業(yè)人員的身體健康和生產(chǎn)效率，最終將成為制約礦物開采深度的決定性因素，因此，必須利用礦井空調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)井下降溫除濕以消除井下熱害。礦井空調(diào)的制冷設(shè)備可以布置于井下及地面。制冷設(shè)備如果放置于井下，需要開挖專門的大型設(shè)備硐室，同時(shí)要求制冷設(shè)備滿足煤礦井下防爆標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備緊湊化及極高的可靠性，而關(guān)鍵問(wèn)題是制冷機(jī)排熱不暢，極大降低了制冷機(jī)的制冷系數(shù)(COP)。制冷設(shè)備布置于地面可選用普通制冷機(jī)，制冷系數(shù)高，減小制冷耗電量，運(yùn)行管理及設(shè)備維修方便，但是由于制冷設(shè)備距離井下空調(diào)降溫工作點(diǎn)遠(yuǎn)，給冷量輸送帶來(lái)了難度[1,2]。

制冷設(shè)備位于地面上的礦井空調(diào)冷量輸送有冷風(fēng)輸送式、冷水輸送式、冰輸送式。冷風(fēng)輸送式由于風(fēng)量及風(fēng)管尺寸過(guò)大，安裝不便及輸送能耗偏高，因此不可??；冰輸送式需要制冷機(jī)降低蒸發(fā)溫度(低于-5 ℃)來(lái)制冰，這降低了制冷機(jī)的制冷系數(shù)(COP)，制冰、輸冰系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，碎冰在輸送過(guò)程中易堵塞輸冰管道；冷水輸送式相比冷風(fēng)輸送可減小管道直徑，但是冷水管道在深度達(dá)800 m以上的礦井立井筒內(nèi)，水靜壓力過(guò)大，常規(guī)管道難以承受，且需要設(shè)置專門的高低壓轉(zhuǎn)換器或者高壓換熱器，此類設(shè)備主要依靠于國(guó)外進(jìn)口，費(fèi)用昂貴[3]。

因此，研究針對(duì)制冷設(shè)備布置于地面上的能夠克服目前冷風(fēng)、冷水、冰等冷量輸送方式上述缺點(diǎn)的輸冷系統(tǒng)及方法具有重要意義。

1 新型輸冷系統(tǒng)

本文所研究的新型輸冷系統(tǒng)包括液態(tài)制冷劑管道、氣態(tài)制冷劑管道、井下?lián)Q熱器、地面制冷設(shè)備。地面制冷設(shè)備及冷水循環(huán)泵開啟，液態(tài)制冷劑在井下?lián)Q熱器中吸收冷水的熱量而蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣態(tài)制冷劑在井上下蒸發(fā)壓力差的作用下，通過(guò)氣態(tài)制冷劑管道上升至地面制冷設(shè)備蒸發(fā)器內(nèi)，由于制冷設(shè)備的制冷作用，氣態(tài)制冷劑在此冷凝為液態(tài)制冷劑(制冷劑發(fā)生氣—液相變，吸收冷量)，然后在重力作用下液態(tài)制冷劑攜帶冷量通過(guò)液態(tài)制冷劑管道輸送至井下?lián)Q熱器，重新蒸發(fā)為氣態(tài)制冷劑(制冷劑發(fā)生液—?dú)庀嘧儯尫爬淞?，以此制冷劑循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷量由地面制冷設(shè)備向井下?lián)Q熱器輸送的目的。新型的礦井降溫冷量輸送系統(tǒng)見圖1。

本系統(tǒng)工作時(shí)，管路系統(tǒng)充注一定量液態(tài)制冷劑，礦井空調(diào)的地面制冷設(shè)備及冷水循環(huán)泵開啟，液態(tài)制冷劑在井下?lián)Q熱器吸收冷水的熱量而蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣態(tài)制冷劑在井下?lián)Q熱器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)壓力作用下，通過(guò)氣態(tài)制冷劑管道上升至地面制冷設(shè)備蒸發(fā)器內(nèi)，由于制冷設(shè)備的制冷作用，氣態(tài)制冷劑在此冷凝為液態(tài)制冷劑(制冷劑發(fā)生氣—液相變，吸收冷量)，然后在重力作用下液態(tài)制冷劑攜帶冷量通過(guò)液態(tài)制冷劑管道輸送至井下?lián)Q熱器，重新蒸發(fā)為氣態(tài)制冷劑(制冷劑發(fā)生液—?dú)庀嘧?，釋放冷?，以此制冷劑循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)冷量由地面制冷設(shè)備向井下?lián)Q熱器輸送。

2 新型輸冷系統(tǒng)在某煤礦空調(diào)中的應(yīng)用

2.1 某煤礦空調(diào)系統(tǒng)概況

山東某煤礦井下已裝備局部制冷降溫系統(tǒng)，但是隨著開采深度及井田長(zhǎng)度不斷加大，井下熱害越來(lái)越嚴(yán)重，原有的局部制冷降溫系統(tǒng)已不能滿足井下降溫之要求，故將以上所提出的新型礦井降溫冷量輸送系統(tǒng)用于此煤礦空調(diào)系統(tǒng)中，以治理其熱害現(xiàn)象。

該煤礦的制冷量為2 000 kW，所設(shè)計(jì)的礦井空調(diào)系統(tǒng)流程如圖2所示。

制冷系統(tǒng)：制冷機(jī)組放置于井上，擬采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑為R717[4]，蒸發(fā)器及冷凝器均采用板式換熱器，壓縮機(jī)采用螺桿式，節(jié)流元件為細(xì)管，冷卻水經(jīng)由閉式換熱器由礦井排水(礦井排水溫度為25 ℃)來(lái)冷卻。

輸冷系統(tǒng)：本項(xiàng)目輸冷系統(tǒng)為冷量由井上輸送井下立井附近制冷硐室部分，制冷劑同樣選擇R717，采用基于熱管原理的方式來(lái)輸送。

2.2 制冷劑流量的確定

飽和氨液在井下?lián)Q熱器的蒸發(fā)溫度為5 ℃，釋放冷量后變?yōu)?0 ℃左右的氨蒸汽，可視為等壓過(guò)程，查“R717飽和液體與飽和氣體物性表”得兩個(gè)狀態(tài)下的焓值，算出焓差，進(jìn)而計(jì)算出制冷劑的質(zhì)量流量，根據(jù)不同狀態(tài)下的密度，可以計(jì)算出體積流量。

(1)

2.3 氣態(tài)制冷劑管路管徑的確定

考慮R717的腐蝕性及承壓要求，此段管道可選鋼管，采用橡塑或者聚氨酯發(fā)泡保溫。氣態(tài)制冷劑經(jīng)由井下?lián)Q熱器出口至壓縮機(jī)進(jìn)口部分管路，流動(dòng)的動(dòng)力為換熱器中R717在5 ℃時(shí)蒸汽壓力為0.5MPa減去1 300m氣態(tài)制冷劑垂直靜壓力及氣態(tài)制冷劑流動(dòng)阻力。

1 300m氣態(tài)制冷劑垂直靜壓力為ρR氣·g·h=0.905×9.8×1 300=0.012MPa；由制冷系統(tǒng)內(nèi)的蒸發(fā)溫度t1的不同，查表得相對(duì)應(yīng)的絕對(duì)壓力，則能分別算出允許消耗在1 300m氣態(tài)制冷劑管路上的壓降ΔP1，即等于管道的摩擦阻力Pml，由壓降與管徑的關(guān)系計(jì)算公式最后得出所需氣態(tài)制冷劑管徑D1。

摩擦阻力Pml的計(jì)算公式如下[5]：

(2)

從流體力學(xué)可知λ是管流雷諾數(shù)Re和管道相對(duì)粗糙度的函數(shù)。

(3)

其中，K為管道材料的絕對(duì)粗糙度，m；d為管道直徑或當(dāng)量直徑，m。

假定氣態(tài)制冷劑流動(dòng)狀態(tài)為紊流，對(duì)于工業(yè)管道，這個(gè)紊流區(qū)內(nèi)λ值可以用柯氏公式計(jì)算：

(4)

可以得出氣態(tài)制冷劑管道管徑D1=250mm。在這里當(dāng)管徑為250mm時(shí)，驗(yàn)證氣態(tài)制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。

2.4 液態(tài)制冷劑管路管徑的確定

考慮R717的腐蝕性及承壓要求，此段管道可選鋼管，采用橡塑管或者聚氨酯發(fā)泡保溫。飽和氨液從井上制冷機(jī)組中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)至少1 300m(井深)的液體制冷劑管道輸送至井下?lián)Q熱器，因此可利用此段液體管路的阻力來(lái)克服液態(tài)制冷劑的垂直靜壓力。

1 300m液態(tài)制冷劑靜壓力為ρR液·g·h=595×9.8×1 300=7.6MPa，則液態(tài)制冷劑管道需要消耗壓力也為7.6MPa，由壓降與管徑關(guān)系計(jì)算公式最后得出所需液態(tài)制冷劑管徑。

單位長(zhǎng)度液體管道摩擦阻力計(jì)算式[5,6]：

(5)

其中，λ為管道摩擦阻力系數(shù)；ρ為液體密度，kg/m3；G為管內(nèi)流量，kg/h；d為管道內(nèi)徑，m。

假定液體制冷劑流動(dòng)狀態(tài)為阻力平方區(qū)，摩擦阻力系數(shù)可由式(6)計(jì)算：

(6)

計(jì)算出摩擦阻力系數(shù)，之后代入式(5)可算出所需的液態(tài)制冷劑的管徑D2=31.3 mm。

在這里驗(yàn)證管徑為31.1 mm時(shí)，液體制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)為阻力平方區(qū)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將提出的新型輸冷系統(tǒng)運(yùn)用于某礦井空調(diào)系統(tǒng)中，根據(jù)蒸發(fā)壓力差和制冷系數(shù)確定了地面制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度為-1 ℃，進(jìn)而計(jì)算出氣態(tài)制冷劑管道的管徑為250 mm，液態(tài)制冷劑管道管徑為31.3 mm。本文對(duì)礦井空調(diào)系統(tǒng)的新型輸冷方式做出了初步的探索，其實(shí)際輸冷性能及工程設(shè)計(jì)方法尚需深入研究。

[1] 劉守斌.淺談礦井高溫原因及防治措施[J].山東煤炭科技，2010(2)：17-18.

[2] 王長(zhǎng)元，張習(xí)軍，姬建虎.論礦井熱害治理技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36(2)：89-92.

[3] 千永強(qiáng)，于洪海，李紅陽(yáng).礦井空調(diào)特點(diǎn)及制冷降溫裝備的研制[A].全國(guó)第十五屆礦井降溫技術(shù)交流會(huì)[C].2005.

[4] 雷德勝，史 琳.制冷劑使用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003：7-11.

[5] 付祥釗，王岳人.流體輸配管網(wǎng)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[6] 嚴(yán)華清.氨泵供液系統(tǒng)回汽管管徑計(jì)算圖[J].廈門水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991(1)：90-92.

The application research on new cooling transmission system in a mine air conditioning

LIU Jing CHEN Shan-shan* DU Zheng

(Civil Engineering College, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

This paper presented a new cooling transmission system for mine air conditioning, and applied the cooling transmission system to a coal mine air conditioning system, determined the evaporation temperature of upward wells refrigeration unit and underground heat ex-changer refrigerant, and calculated the optimal pipe diameter of gaseous and liquid refrigerant, laid foundation for the system research.

mine air conditioning, cooling transmission system, refrigerant, pipe diameter optimization

1009-6825(2014)36-0118-02

2014-10-20

劉 靖(1971- )，男，副教授； 杜 爭(zhēng)(1988- )，女，在讀碩士

陳珊珊(1989- )，女，在讀碩士

TD727

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