2012第七章矿井人工制冷系统.ppt

矿井热害防治第七章矿井人工制冷系统,主讲：邓权威河南理工大学安全学院,上节内容回顾,(一)非人工制冷措施加大通风是一种容易做到、经济有效的措施。但是，加大通风是有限的，当矿井原岩温度高于35时，需要考虑人工制冷降温，增大风量会恶化工作面气候环境，煤矿安全规程对风速有明确限制，如回采工作面风速不能超过4m/s。另外：尽量缩短矿井进风路线的长度，矿井进风巷道应尽量布置在浅部岩层中，矿井进风流应尽量避开局部热源的影响。此外，减少采空区漏风、巷道壁隔热、采空区全面充填或风力充填、注水预冷煤层以及热水治理等都有一定的降温效果。趋势：非人工制冷措施人工矿井制冷及空调,本章主要内容,第一节制冷系统原理第二节制冷剂、载冷剂和蓄冷剂第三节矿井人工制冷降温技术发展概况,第一节制冷系统原理,一、概述二、压缩制冷循环三、吸收式制冷循环四、蒸汽喷射式制冷循环五、吸附式制冷六、热电制冷七、涡流管制冷八、气体膨胀制冷（和压缩制冷循环一样）,在绝热良好的房间，有一台冰箱在工作，问打开冰箱的门，室内温度如何变化？,人工制冷方法分类：P142-143,二、压缩制冷循环,据工质的不同，分为：,空气压缩制冷循环,蒸气压缩制冷循环,压缩制冷循环分类,（1）简介,p,p,1压缩气体制冷循环-Gas-compressionrefrigerationcycle,定比热invariablespecificheatcapacity,（2）制冷系数,讨论：1）,相同温度的T0和TC,2）,减小升压比虽然能使制冷系数增大,但会使制冷量下降.,（3）回热式压缩空气制冷循环,见教材P147：相等，下降,压缩空气制冷，qc较小，且随上升，下降，为兼顾Qc及，采用大流量叶轮压缩机并回热。,空气压缩制冷循环的缺点,1.由于吸热过程和放热过程是在定压非定温下进行的，与逆向可逆循环的相应过程相差较远，因而制冷系数低；2.空气的比定压热容较小，则循环的制冷量也较小。,-Thevapor-compressioncycle,（1）简介,（2）制冷系数,2压缩蒸汽制冷循环,（3）状态参数确定,2.蒸汽压缩制冷为什么不能象空气压缩制冷一样采用膨胀机降温降压，而要采用节流阀降温降压？,1.空气压缩制冷循环与蒸汽压缩制冷循环有什么不同？,三、吸收式制冷,原理：利用液态制冷剂在低温下汽化时吸热来实现制冷的。,特点：利用余热、废热等低品位的热能。,吸收式制冷通常由两种工质组成的二元溶液：制冷剂和吸收剂。,制冷剂：沸点较低，易挥发。,吸收剂：沸点较高，不易挥发，具有较强吸收制冷剂的能力。,制冷剂和吸收剂组成的溶液，其浓度与温度有关。,例如：氨水溶液，温度越低，水吸收氨的能力越强。,吸收式制冷,双组分工质对,溴化锂水,氨水,吸收剂制冷剂,高沸点组分,低沸点组分,直燃吸收式溴化锂冷温水机，我们称之为“直燃机”，是直接燃烧天然气、煤气、液化石油气，柴油作能源，以水/溴化锂作介质的冷热源设备。由于直燃机不以电为能源（只需极少的电作循环辅助动力），并具有制冷、采暖、卫生热水功能，可以大幅度削减电力投资和供热设备投资。在电空调广泛采用的国家和地区，直燃机更能削减夏季峰值电力、填补夏季燃气低谷的综合经济效益，对于电力行业及燃烧行业健康发展都具有举足轻重的影响。,世界首台直燃机1968年在日本诞生，从1980年起成为日本、韩国等国的主要空调设备，占有该国中央空调市场80%以上的份额。远大1992年开发成功中国首台直燃机，1996年成为全球直燃机产销量最大的企业，至2002年已出口20余个国家，在中、美等国市场占有率为同行之首。,基本原理,整个系统包括两个回路：制冷剂回路溶液回路,吸收式制冷是利用工质对的质量分数变化，完成制冷剂的循环，因而被称为吸收式制冷。,基本原理,发生器和冷凝器（高压侧）与蒸发器和吸收器（低压侧）之间的压差通过安装在相应管道上的膨胀阀或其它节流机构来保持。在溴化锂吸收式制冷机中，这一压差相当小，一般只有6.58kPa，因而采用U型管、节流短管或节流小孔即可。,基本原理,发生器generator吸收式制冷机中，通过加热析出制冷剂的设备。吸收器absorber吸收式制冷机中，通过浓溶液吸收剂在其中喷雾以吸收来自蒸发器的制冷剂蒸气的设备。,氨水吸收式制冷机的特点：,采用蒸汽或热水作为热源，有利于废热的综合利用，特别适用于化工、冶金和轻工业中的制冷设备；以氨为制冷剂，能制取0以下的低温；主要是热交换器的组合体，基本上没有运动部件，因此振动、噪声小，运转平稳；负荷在30100范围内可调，且经济性基本上没有变化；氨价格便宜、来源广，对大气臭氧层没有破坏；,对铜及铜合金（磷青铜除外）有腐蚀作用；钢材、冷却水消耗量大；热力系数较低由于氨、水的沸点比较接近，为提高氨气浓度，系统中需增设精馏塔和分凝设备。,缺点：,四、蒸汽引射式制冷,本质上也是蒸汽压缩式制冷，不同的是消耗热而不是消耗功来产生压缩作用的。,原理图见书P160,在有蒸汽可利用的情况下，采用蒸汽引射式是很好的选择。,用高压锅煮饭，饭熟的快，主要原因是:A高压锅密封好，不容易散热B高压锅能缩短水沸腾的时间C高压锅能增大压强，降低锅中水的沸点D高压锅能增大压强，提高锅中水的沸点,五、吸附式制冷,原理见书P161-162,六、热电制冷,原理见书P163,七、涡流管制冷,原理见书P166-167,八、气体膨胀制冷,原理图见书P167-168,第二节制冷剂、载冷剂和蓄冷剂,制冷剂、载冷剂及蓄冷剂,?,制冷剂血液载冷剂水（冷媒水）蓄冷剂超市内的冰（冷冻食品）,制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，即制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氟里昂类、水、氨和少数碳氢化合物等。,制冷剂,制冷剂的过去、现状及发展趋势,P171-183,制冷剂,一制冷剂的发展、应用与选用原则,CO2、NH3、SO2卤代烃（氟里昂Freon）是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。可以分为三类：全卤代烃，分子中只含有氯、氟、碳原子，称为氯氟烃，简称CFCs；如R11，R12，R13等；氢氯氟烃，分子中除氯、氟、碳原子外，还有氢原子，简称HCFCs，如R22；氢氟烃，分子中没有氯原子，而有氢、氟、碳原子，简称HFCs，如R134a。,乙醚（易燃、易爆、制取低温时蒸发压力低于大气压）,联合国环保组织1987年在加拿大蒙特利尔市召开会议，36个国家和10个国际组织共同签署了关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书，我国1992年正式宣布加入修订后的蒙特利尔议定书对于CFCs：发达国家，从1996年1月1日起完全停止生产和消费；发展中国家，最后停用日期是2010年；对于HCFCs：发达国家，从1996年起冻结生产量，2004年开始削减，2020年完全停用；发展中国家，从2016年开始冻结生产量，2040年完全停用。以上时间表可能还会提前。,蒙特利尔议定书,据新华社渥太华2007年月日电联合国环境规划署执行主任施泰纳日在加拿大蒙特利尔宣布，来自个国家和地区的代表一致同意，将于年在世界范围内彻底停止生产和使用破坏臭氧层的氢氯氟烃，这比原计划提前了年。,1.热力学性质方面,2.迁移性质方面,作为制冷剂应符合的要求,3.物理化学性质方面,4.其它,原料来源充足，制造工艺简单，价格便宜。,HeNanPolytechnicUniversity,常用制冷剂的分类：无机制冷剂氟里昂混合制冷剂,二制冷剂分类、代号和常用制冷剂,制冷剂代号,制冷剂的编号方法:制冷剂一律由R代表1.无机制冷剂R后第一个数字为7,后两位数字为该物质的分子量.如R717、718。2.氟里昂的化学通式为CmHnFxClyBrz氟里昂简写符号在后的数字依次m-1,n+1,x,若化合物中含有溴原子时再在后面加和溴原子的个数如二氯二氟甲烷（F2Cl2)即R12.3.混合工质中的共沸工质的编号在R后第一位为数字5,如R502,R503.：R5()()（按命名先后顺序）4.非共沸混合物：R4()()（按命名先后顺序）,常用制冷剂,一、无机化合物1.水(R-718)吸收循环一般用水作为制冷剂，溴化锂为吸收剂.水无毒、不可燃、来源丰富。是一种天然制冷剂.,2.氨(NH3)(R-717)氨(NH3)被认为是一种效率最高的天然制冷剂。它是一种今天仍在使用的“原始”制冷剂。多用于压缩机的蒸气压缩过程。ASHRAE标准34将其分类为B2制冷剂(毒性高低可燃).ASHRAE标准15要求对氨制冷站有特殊的安全考虑。尽管在商业空调也使用很多，但氨在工业制冷上的应用更广泛些。在氨制冷机中不用铜和铜合金材料。,常用制冷剂,二氧化碳(CO2)(R-744)二氧化碳(CO2)是一种天然制冷剂.它在19世纪末20世纪初停止使用，现在正在研究重新对它的使用。用于蒸气压缩循环正位移压缩机。在32时CO2的冷凝压力超过6MPa，这是一个挑战。而且，CO2的临界点很低，能效差。尽管如此，仍可能有一些应用，如复叠制冷，CO2将是有用的。,二、氟利昂,(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）,沸点-29.8，凝固点-158。,无色，有较弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。,系统里应严格限制含水量，一般规定不得超过0.001%,常用温度范围内能与矿物性润滑油以任意比互溶,不腐蚀一般金属但能腐蚀镁及含镁量超过2%铝镁合金。,对天然橡胶和塑料有膨润作用。,(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）,毒性非常低，不可燃，安全。,与矿物润滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯类。,化学稳定性很好，溶水性比R12强得多，对系统干燥和清洁性要求更高，用与R12不同的干燥剂。,三、混合制冷剂,(1)共沸制冷剂,共沸制冷剂特点：,常用共沸混合制冷剂的特性,沸点-33.5，ODP值较高。,1)非共沸制冷剂R401A和R401B,常用非共沸混合制冷剂的特性,绿色环保制冷剂的趋势,载冷剂,见书P186-189,蓄冷剂,见教材P189,第三节矿井人工制冷降温技术发展概况,现代制冷技术是19世纪中后期发展起来的一门学科，将制冷技术应用于矿井降温工程始于20世纪20年代，但迅速发展并广泛应用是在20世纪70年代之后。在矿井制冷降温技术方面，国外以南非、西德、日本以及前苏联等国为首，从20世纪70年代展开了矿井空调人工制冷技术的研究。研究主要集中在制冷器及空冷器的研制，如德国使用的光管式空冷器、南非使用的翅片式空冷器、美国使用的喷淋式空冷器等,我国于20世纪50年代初，抚顺分院对部分矿区进行了地温测试，在国内首次提出了矿井热力计算方法；从20世纪7090年代初，中国科学院地质研究所地热室与原煤炭工业部合作，先后对开滦矿、兖州东滩矿及平顶山等煤田进行了矿山地热专项研究，逐步展开了矿井热害的治理研究。19641975年，淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统；19821987年，山东新汶矿务局设计了我国第一个井下集中制冷降温系统；,19861991年，作为国家“七五”科技攻关项目，在平顶山八矿设计了我国第二个井下集中制冷降温系统；19921995年，在山东新汶矿务局设计了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统；1993年7月，平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机；1995年，山东矿业学院陈平等提出用压气引射器和制冷机结合进行矿井降温；2002年，新汶孙村矿-1100m水平降温工程初步设计，并于2004年该冰冷低温辐射降温矿井空调系统完成。,一、压缩空气制冷降温系统,1989年南非一金矿建成了压缩空气制冷系统，利用压缩空气作为供冷媒质，直接向采掘工作面喷射制冷。该系统采用压缩空气作为载冷介质，大大减小了输气管道断面积，能够有效地解决我国当前矿井集中降温中存在的实际问题；可用金属或橡胶软管沿工作面布置，使工作面上的冷量均匀分布，降温效果好，而且系统简单、灵活。,二、人工制冷水降温技术,针对井下系统的冷凝热排放问题和地面系统高低压转换的温度跃升问题，各国研究机构都在进行不懈努力。井下系统的冷凝热排放，经历过用井下回风流排热到井下回风流加喷淋水到利用地面制冷机组的冷冻水排热的过程。地面系统的高低压转换器，则经历了储水池、降压阀、高低压换热器到高低压转换器，其转变的过程实际上是尽可能地消除高低压转换器温度跃升的过程，国外研制的一种新型水能回收高低压转换器，其温度跃升可从一般的4一6降低到0.2。,二、人工制冷水降温技术,虽然人工制冷水降温技术存在上述有待进一步完善的问题，但经历了几十年的实践，该项降温技术已经是一种比较成熟的矿井降温技术，不论是过去还是将来，都将是矿井降温技术的主流。其它研究只是对该项降温技术的完善，不会使矿井降温成本有较大的降低，也不会使该项降温技术有质的飞跃。,三、冰冷却降温系统,1976年，南非环境工程实验室提供了向井下输冰供冷方式；20世纪80年代中期，南非一些金矿采用冰冷却系统进行井下降温；1985年11月，南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水，该系统的制冷能力达628MW。南非Harmony金矿于1986年第1个采用冰冷却系统进行矿井降温；最成功的冰冷却降温系统是ERPM矿，已经运行了10多年，积累了丰富的经验。2004年，新汶孙村矿采用了冰冷低温辐射降温空调系统获得了成功，并已形成技术专利向市场推广。,冰冷却降温系统与水冷却降温系统不同之处：冰冷却降温系统主要是利用冰的融化潜热降温，获得相同冷量所需的冰量仅为水冷系统水量的1/41/5；冰冷却系统是通过冰与水直接接触换热，换热效率高，可获得1左右的低温冷水，送人空冷器的水量相应减少，减少了水泵的输送能耗。南非某矿山研究机构的试验研究表明，井下热负荷为25MW的矿井降温系统，采用冰冷却降温系统，水泵的输送能耗仅为水冷系统的21%左右。冰冷却降温系统由制冰、输冰和融冰3个环节组成。正是由于这3个环节还处在研究探讨过程中，使得冰冷却降温系统还没能得到广泛应用。,冰的制备不是制约该项技术的问题，国内外都