礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)的應(yīng)用研究

張琳邡　紀(jì)河

摘 要：文章針對(duì)當(dāng)前礦井熱害日益嚴(yán)重，以及冰冷卻降溫系統(tǒng)存在的問題，提出了礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)，并從其結(jié)構(gòu)、熱工計(jì)算及性能三個(gè)方面對(duì)礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)進(jìn)行了簡要的分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)的特點(diǎn)進(jìn)行了匯總，最后指出礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)的研究對(duì)熱害治理具有很重要的意義。

關(guān)鍵詞：礦井降溫；冰冷卻；移動(dòng)式

1 概述

隨著社會(huì)的發(fā)展，煤炭資源需求量日益增加，進(jìn)而使得礦井開采深度增加，機(jī)械化程度也不斷的提高，而由此產(chǎn)生的礦井高溫高濕的熱害問題變得越來越嚴(yán)重。如何有效解決礦井高溫問題已迫在眉睫。目前，避開局部熱源、加強(qiáng)通風(fēng)、預(yù)冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流等優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)的方法在我國礦井熱害治理中應(yīng)用較為成熟，對(duì)隔絕高溫圍巖、個(gè)體防護(hù)和水冷卻技術(shù)的研究也有很大進(jìn)展，而冰冷卻技術(shù)在礦井降溫中應(yīng)用還處在起步階段，但作為一種新型礦井降溫技術(shù)，由于其所具有的獨(dú)特優(yōu)勢在我國深井熱害治理將有著良好的應(yīng)用前景。

冰冷卻技術(shù)是近年受到重視的礦井降溫方法，目前在我國多個(gè)煤礦采用了地面集中式的冰冷卻的降溫方案，其具有制冷量大、冷凝熱排放方便，輸冷管道較小，設(shè)備安裝、維護(hù)管理方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在著供冷管道長，系統(tǒng)冷量損耗大，需在井筒中安裝大直徑的輸冷管道及對(duì)管道進(jìn)行保溫處理，井筒中輸冰管路存在著堵塞二次結(jié)冰可能等缺點(diǎn)。文章就針對(duì)礦井高溫以及冰降溫存在的問題設(shè)計(jì)了相應(yīng)的礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)。

2 礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)簡介

2.1 礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)結(jié)構(gòu)

礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)的結(jié)構(gòu)組成主要有：保溫蓄冷釋冷運(yùn)冰礦車、礦用水泵和管道材料運(yùn)輸?shù)V車、噴淋式移動(dòng)空調(diào)器、送風(fēng)機(jī)和連接管道及附件等部分組成，如圖1所示。從圖1可以看出，礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)有風(fēng)系統(tǒng)和冰水系統(tǒng)兩部分。風(fēng)系統(tǒng)中，高溫高濕的含塵空氣進(jìn)入空氣處理器后，經(jīng)過過濾器進(jìn)行初步除塵，在一級(jí)噴排和二級(jí)噴排處進(jìn)行冰水霧化噴淋，達(dá)到降溫和進(jìn)一步除塵的目的。由于設(shè)備的氣流流速很快，經(jīng)過霧化噴淋后的空氣必然會(huì)嚴(yán)重帶水，因此在出口處設(shè)有擋水板，而出口處設(shè)置的送風(fēng)機(jī)，不僅為低溫風(fēng)流送入工作面降溫提供了動(dòng)力，且風(fēng)機(jī)自身的離心作用，對(duì)帶水的空氣有一定的脫水作用。水系統(tǒng)中，儲(chǔ)冰箱四周均采取了保溫措施，儲(chǔ)冰箱主要為空氣處理器提供冷源，即儲(chǔ)冰箱內(nèi)低溫冷水通過噴水泵進(jìn)入空氣處理器的一、二級(jí)噴排以低溫水霧的形式噴出，與高溫高濕的含塵空氣進(jìn)行熱濕交換，熱交換后又通過回水泵返回儲(chǔ)冰箱。

工藝流程：制冷站制取（或購買商品冰塊）片冰或拳頭塊狀冰裝于儲(chǔ)冰箱內(nèi)，通過礦上運(yùn)輸系統(tǒng)用平板車將儲(chǔ)冰箱運(yùn)至軌道順巷的發(fā)電站進(jìn)風(fēng)前端，與空調(diào)泵車管道相連，回水經(jīng)冰融化降溫后通過供水水泵加壓后輸送至空調(diào)器，熱交換后溫度升高的回水回至保溫箱循環(huán)使用，多余的水經(jīng)管道輸送至工作面高效霧化噴嘴，經(jīng)噴嘴霧化噴入局部巷道斷面對(duì)空氣降溫除濕；進(jìn)風(fēng)巷道部分熱濕空氣經(jīng)風(fēng)扇加壓用柔性風(fēng)筒送至空調(diào)器降溫，然后冷空氣流至工作面，實(shí)現(xiàn)降溫工作，為工作面提供良好的工作熱濕環(huán)境。

2.2 礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)熱工計(jì)算

由理論公式計(jì)算空冷器冷量通常在空氣調(diào)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用并不普遍。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由焓濕圖直接獲得的空氣處理過程得到冷量，所以通過在焓濕圖中，畫出實(shí)際的空氣處理過程線，就可以很容易的確定出最終混合空氣的各項(xiàng)參數(shù)。

如圖2所示，O點(diǎn)為巷道空氣狀態(tài)點(diǎn)，X為通過空冷器處理后的空氣狀態(tài)點(diǎn)，而C則是最終得到的處理后的混合空氣點(diǎn)。

2.3 礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)熱工性能分析

為了說明噴淋室里發(fā)生的實(shí)際過程與水量有限，但接觸時(shí)間足夠充分的理想過程接近的程度，在噴淋室的熱工計(jì)算中，是把實(shí)際過程與理想過程進(jìn)行比較，并用熱交換效率表示，熱交換效率是評(píng)價(jià)噴淋室熱工性能的指標(biāo)。

對(duì)于各種減焓過程，空氣的狀態(tài)變化和水溫的變化圖3冷卻干燥過程中空氣與水的狀態(tài)變化所示。在空氣與水接觸時(shí)，如果熱、濕交換充分，則具有狀態(tài)1的空氣最終可變到狀態(tài)3；但是由于實(shí)際過程中熱、濕交換不夠充分，空氣的終狀態(tài)只能達(dá)到狀態(tài)2，進(jìn)入噴淋室的水的初溫為tw1，因?yàn)樗坑邢?，與空氣接觸之后水溫將升高，在理想條件下，水的終溫也應(yīng)達(dá)到t3，實(shí)際過程中水的終溫只能達(dá)到tw2。

由此可見，當(dāng)ts2=tw2時(shí)，即空氣終溫與水的終溫相同時(shí)，η1=1，ts2與tw2的差值愈大，說明熱、濕交換愈不完善，因而η1愈小。影響噴淋室熱交換效果的因素很多，諸如空氣的質(zhì)量流速，噴嘴類型及布置密度、噴嘴孔徑與噴嘴前水壓，空氣與水的接觸時(shí)間，空氣與水滴的運(yùn)動(dòng)方向以及空氣與水的初、終參數(shù)等。但是，對(duì)一定的空氣處理過程而言，主要的影響因素可以歸納為空氣質(zhì)量流速的影響、噴水系數(shù)的影響以及噴淋室結(jié)構(gòu)特性的影響。國內(nèi)大部分噴淋降溫的研究都是關(guān)于空氣質(zhì)量流速與噴水系數(shù)的影響，而對(duì)于噴淋室結(jié)構(gòu)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究較少。噴淋室的結(jié)構(gòu)特性主要是指噴頭組合方式、噴淋方向、噴嘴排數(shù)、噴嘴型式、噴嘴密度、噴嘴孔徑等，它們對(duì)噴淋室的熱交換效果均有影響。

3 礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)的特點(diǎn)

3.1 該系統(tǒng)形式具有較強(qiáng)靈活性、高效、節(jié)能等特點(diǎn)

系統(tǒng)的各個(gè)部分均設(shè)置在礦車上，布置于軌道順巷的發(fā)電站進(jìn)風(fēng)前端，處理后的空氣可直接送出，也可以利用風(fēng)筒越過泵站和變電站送至工作面。由此可以使設(shè)備盡量貼近工作面，一方面空調(diào)器入口空氣溫度相對(duì)較低，出口空氣直接有效進(jìn)入工作面，避免了軌道順巷大量散熱而導(dǎo)致空調(diào)器的處理負(fù)荷較大，減小空調(diào)器的處理負(fù)荷也，避免變電站等熱源對(duì)冷空氣的再次熱污染，提高了降溫效果。同時(shí)，系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備可隨礦車移動(dòng)，當(dāng)工作面推進(jìn)時(shí)，降溫設(shè)備可隨之后退，避免整個(gè)巷道降溫的設(shè)備反復(fù)拆裝工序，便于維護(hù)和管理。

3.2 該系統(tǒng)具有設(shè)備體積小、熱濕交換效率高等特點(diǎn)

該系統(tǒng)采用分段組裝式，便于在巷道靈活布置，并且冷源使用可以靈活匹配；空調(diào)器采用高效霧化噴頭和高效擋水均風(fēng)等措施，熱濕交換效率高，冷損失小，在一定負(fù)荷下減小設(shè)備體積，提高了處理效果；空調(diào)器采用雙級(jí)串聯(lián)處理，有利于提高噴水終溫，提高冷量利用率；保溫車冰蓄冷技術(shù)手段有利于減小冷損失，提高冷量的利用效率等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 初投資小，可重復(fù)使用，負(fù)荷可調(diào)節(jié)

設(shè)備體積小，可重復(fù)使用性高，采用蓄冷釋冷保溫箱體輸運(yùn)冰塊時(shí)，井上下沒有復(fù)雜的管路系統(tǒng)和散熱設(shè)備，減少了初投資；空調(diào)器可以通過控制噴水量空氣處理負(fù)荷，因此可以進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)。

3.4 降溫負(fù)荷小，有利于提高降溫效果

由于設(shè)備直接布置于變電站前端，處理后的空氣送至工作面或附近區(qū)域，空調(diào)器處理可以負(fù)荷只負(fù)責(zé)工作面進(jìn)風(fēng)隅角之后部分，所以機(jī)組負(fù)擔(dān)的冷負(fù)荷相對(duì)較小，冷空氣利用更有效，具有一定提高降溫效果的能力。

4 結(jié)束語

礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)運(yùn)用于高溫深井，不僅降低了高溫井下空氣的溫度，而且由于低溫水重復(fù)利用于采掘設(shè)備的噴淋，也達(dá)到了除塵的目的。

該設(shè)備的外形精巧，結(jié)構(gòu)緊湊，能靈活移動(dòng)，安裝方便，切實(shí)滿足了礦井下復(fù)雜的環(huán)境要求，達(dá)到了高效節(jié)能的效果。該空調(diào)不同于常見的空調(diào)，是結(jié)合井下復(fù)雜多變的采掘工作面的實(shí)際情況，不僅可以解決井下高溫問題，而且低溫水可以重復(fù)利用于采掘設(shè)備的除塵，同時(shí)達(dá)到降溫和除塵的雙重目的。此外，該設(shè)備耗資少，能效高、結(jié)構(gòu)緊湊，靈活性和適用性很強(qiáng)，與軌道礦車相銜接，實(shí)現(xiàn)了方便移動(dòng)，方便操作使用，有效地滿足了礦井采掘工作面情況多變的降溫要求，達(dá)到了能量的高效利用。

由此看出，礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)有效解決了礦井熱害，以及當(dāng)前冰冷卻降溫系統(tǒng)存在的諸多問題，因此，礦井越深礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)的優(yōu)勢將越來越明顯，礦井移動(dòng)式冰蓄冷空調(diào)為礦井降溫提供了新的研究方向。

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作者簡介：張琳邡（1986-），籍貫：山西太原，工作單位：安徽理工大學(xué)，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。