（制冷及低温工程专业论文）矿井用冷热电联产系统的制冷系统设计研究.pdf

矿井用冷热电联产系统的制冷系统设计研究 摘要 随着我国煤炭行业的发展，矿井降温系统的理论研究和实际应用探讨 已是日趋重要的一个课题，这将为煤矿的安全生产，瓦斯综合利用以及改 善矿工的生产环境带来许多实质性的进步。 如何合理利用能源、提高能量的利用率已成为国内外学术研究的重点 课题。人们通过对多种方法、多种形式的系统进行研究，努力提高系统的 能量利用率。冷热电联产技术的提出，为人们提供了新的思路，该技术在 矿井降温系统上的应用又是一个新的课题。 本文在介绍了矿井降温系统的负荷计算，系统形式和分类，以及不同 系统的优缺点和适用场合。同时介绍了冷热电联产技术的主要理论和发展 概况。然后基于实例进行制冷系统的设计计算和优化设计研究，并用热力 学的方法对系统进行经济性分析。 关键词：矿井降温；冷热电联产；设计；优化；经济性分析 s t u d yo nt h ed e s i g no fc o o l i n gs e to fc c h ps y s t e mf o r c o a lm i n ea i r c o n d i t i o n i n g a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm i n i n g ，t h et h e o r yr e s e a r c ha n ds t u d yo l l p r a c t i c eo fm i n ea i r c o n d i t i o n i n gi sb e c o m i n gam o r ei m p o r t a n tt h e m e i t w i11b r i n em u c hp r o g r e s so ns a f e t y ，c o a lg a sc o n t r o lli n ga n d w o r k i n gc o n d i t i o ni m p r o v i n g h o wt ou s ee n e r g yr e a s o n a b l ya n di m p r o v et h er a t i oo fu s i n g e n e r g yh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi nw o r l ds c i e n t i f i c s t u d i e s h u m a nm a k e se f f o r tt oi m p r o v et h er a t i oo fu s i n ge n e r g y t h r o u g ha 1 1k i n d so fm e t h o d sa n da l lk i n d so fs y s t e m s c o m b i n e d c y c l e a n dc o g e n e r a t io np r o v id et h en e ww a yf o rh u m a n h o wt ou s i n gc c h p t e c h n o l o g yo nm i n ea i r c o n d i t i o n i n gi san e wp r o b l e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em e t h o do fc o o l i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i n g s t y l e ，c l a s s i f i c a t i o n ，a n ds p e c i f i c a t i o no fm i n ea i r c o n d i t i o n i n g i si n t r o d u c e d a n dt h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c et h em a i nt h e o r ya n d d e v e l o p i n go fc c h p t h e nar e a le x a m p l eisb e e ns t u d i e da n da n a l y z e d o nt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no fc o o li n gs e t ，w i t ha na d d e dt h e r m a l e c o n o m i ca n a l y s i s k e y w o r d s ：c o a lm i n ea i r c o n d i t i o n i n g ：c c h p ：d e s i g n ：o p t i m i z a t i o n e c o n o m ica n a l y s is 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 - 7 图2 8 图3 一l 图4 一l 图4 - 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 插图清单 冷水机组矿井空调系统送风结构模式1 3 透平膨胀机制冷系统流程简图1 4 压气喷射制冷系统流程简图1 5 冰冷却系统流程筒图一1 6 输送冰的线路简图1 6 融冰装置示意图一1 7 用于本课题的冷热电联产系统流程图1 8 矿用空冷器的形式1 9 热电( 冷) 联产整体系统图2 1 冷冻水系统流程图3 2 管壳式高低压换热器工作原理3 3 间接利用余热方案( 热水型) 系统图3 7 部分直接利用余热方案( 烟气型) 系统图3 8 滨化锂机组冷媒水温度对制冷量的影响4 0 螺杆式机组冷媒水温度对制冷量的影响4 1 螺杆式冷水机组选型图4 2 溴化锂机组冷却水温度对制冷量的影响4 3 螺杆机组冷却水温度对制冷量的影响4 4 系统能平衡图4 8 系统她 平衡图4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金墼王 些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：2 0 0 6 年 月，后 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金罡王业太堂 有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅或借阅。本人授权 金罡王些太堂 可以将学位论文的全部 或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期： 2 0 0 6 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：灰像髫 签字日期： 2 0 0 6 年钼岁日 电话： 邮编： 了 妒 c _ 口p 致谢 三年研究生的学习过程就要在这篇论文完稿之日告一段落，首先要向 导师左承基教授、王铁军副教授，致以最诚挚的感谢! 在本文的研究工作期 间，无论从当初的选题报告，还是文献的查询，还是研究思路的调整，以 及最后论文的撰写，导师给予了我严格而耐心的教导，这些使我在学术上 收获颇深。导师严谨的治学态度，细致的工作作风、深刻的洞察力、忘我 的科研精神、渊博的知识的熏陶，使我的学习，科研能力等各方面得到了 很大的锻炼和提高。导师的关怀和鼓励将激励着我在学业及以后的工作中 不断努力前进。 感谢毛雪东、姚伟、钟瑜以及我的师兄弟们在学业上对我的关心和帮 助，在此表示深深的谢意! 感谢与同舍室友赵浩杰、居刚、张田一起的友情岁月! 感谢评审本文的各位的老师在百忙之中抽出宝贵的时间来审阅我的论 文。 感谢参考文献中的作者们! 最后，我把这篇论文献给我的家人，感谢您们对我的支持和关爱! 王伟 2 0 0 6 年6 月 1 1 引言 第一章绪论 煤矿业是生产原材料的基础工业，在国民经济中占有重要地位，近 年来，随着我国国民经济快速发展，煤炭需求快速增加，煤炭产量持续增 长，煤炭价格上扬，企业效益增加，整个行业经济运行态势较好。2 0 0 5 年 以来，煤炭市场呈现了产运销基本平衡、生产结构开始优化、市场理性不 断增强，为煤炭工业结构调整，实现持续健康发展创造了条件。全国原煤 产量由2 0 0 0 年的近1 0 亿吨提高到2 0 0 4 年的1 9 9 2 亿吨，净增9 9 5 亿吨， 同期煤炭净增量几乎相当于世界煤炭净增总量( 同期世界煤炭产量净增 9 9 8 亿吨) 。2 0 0 5 年前1 1 个月，全国煤炭产量达到1 8 0 5 亿吨，同比增加 1 2 4 亿吨，增长7 4 ；预计今年煤炭产量将突破2 1 亿吨。 然而，近几年，重特大煤炭安全事故频繁发生，给煤炭行业的社会形 象造成了严重影响。2 0 0 5 年前1 1 个月，全国煤矿事故死亡5 4 5 0 人，比去 年同期上升了2 2 。更为严重的是，2 0 0 4 年l o 月一2 0 0 5 年1 1 月1 3 个月 时间，发生了6 起百人以上死亡事故，触目惊心，而且这些事故大多是发 生在大中型煤矿，透过煤矿事故，其背后所反映出的问题，发人深省。 由此，煤矿安全生产问题与国民经济发展的能源需求的矛盾目益凸显， 目前煤矿安全状况不好的主要原因，一是煤矿生产环境可靠性差，二是装 备水平低，三是员工整体素质不高。煤矿企业必须根据矿井安全生产的实 际需要，加大安全生产基础设施建设，用先进的技术装备淘汰落后装备。 在煤矿灾害的预防工作上，要加强矿区或煤矿的灾害勘查投入，开展煤田 地质灾害调查，查清矿井安全生产隐患；要加大煤矿瓦斯地质灾害调查与 研究，针对高瓦斯和突出区域，制定瓦斯防治预案；要加大煤矿生产环节 安全监测监控系统的投入，加强对矿井提升运输、供电排水、风流风速、 有毒有害气体等的监测监控，配备相应的自动保护和预警装备，保障矿井 安全生产的需要。国家已经出台了提取安全费用政策，我 要充分利用煤 炭市场形势好，企业收益增加的好时机，切实要用好用足这一政策，提升 煤矿技术装备水平，为煤矿长期稳定安全生产奠定物资基础。 1 2 矿井降温概述 矿井降温实质上是环境问题，是劳动保护问题，同时也是安全问题。 它充分体现了党和政府对广大矿工身体健康的关怀。在发达国家矿井降温 被认为是人道主义问题，是关系到社会稳定的问题。 1 2 1 矿井降温问题的来源 随着矿井开采深度的增加，岩石温度升高，开采与掘进工作面环境的 热害日益严重，不少工作面的气温超过2 8 ，个别高达3 4 c 。在高温环境 下作业，矿工劳动生产率下降，身体健康将受到损害，同时严重威胁井下 安全生产。在井巷掘进期间，常规情况下可以通过采用局部通风的措施达 到改善井下环境之目的。这种措施对于深度较浅、岩石温度较低的矿井效 果是相当明显的，而对深度大( 地面1 0 0 0m 以下) 、岩温高( 3 5 以上) 、巷 道距离长( 1 0 0 0m 以上) 的独头掘进工作面来说，用局部通风的方法难以达 到有效降温的目的。其主要原因：一是长距离和泄漏的原因，新鲜的贯穿 气流难以依靠轴流风机送到作业面；二是胶质软风筒通风阻力大、隔热性 能差，到达作业面的风量小、风速低，温度也较高；三是风机的噪音太大， 增加了井下噪声污染。为此，有些单位在遇到这种情况时采取释放作为开 凿岩石动力源的压缩空气来缓解高温高湿状况。但是由于压缩空气节流后 的温度接近常温，难以起到有效降温效果；而且大量释放压缩空气造成作 业气源无法保障，营运成本也明显提高。目前大型深矿的高温热害问题十 分突出，例如某平巷掘进面的平均气温为3 6 c ，相对湿度约为9 9 ，含 氧量仅为1 8 。虽然采取了局部通风降温、释放作业动力空气、个体防护 等措施，但都没有使作业环境的气候条件得到有效改善，严重影响了工程 进度。因此探讨一种经济有效的降温方法，成了企业的当务之急 根据国家煤矿安全规程第一百零二条规定：“生产矿井采掘面空气 温度不得超过2 6 c ，机电设备硐室的空气温度不得超过3 0 c 时，当空气温 度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给与高温保健待遇。 生产矿井采掘面空气温度不得超过3 0 ( 2 ，机电设备硐室的空气温度不得超 过3 4 。c 时，必须停止作业。新建、改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温 预测计算，超温矿井必须有制冷降温设计，配齐降温设旄”。 1 2 2 矿井降温研究的发展及现状 矿井空调虽然已有8 0 余年的历史，但迅速发展和较广泛地应用仅是 近3 0 年的事。1 9 7 7 年，原苏联研制成移动式矿用制冷机，在煤矿和金属矿 的独头掘进巷道中应用。1 9 8 5 年1 1 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6 2 8m w 。目前，德国也在积极开 展此项研究。1 9 8 9 年，南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统，将空气在 地面压缩为液态，通过管道输送到井下，首先膨胀成气态后，再进入空气 制冷机，排出的低温空气冷却工作面的风流。同年，波兰研制出涡流管式 空气制冷装置，在煤矿掘进工作面试用，取得了一定的空调效果。早在2 0 世纪7 0 年代，我国曾研制过压气引射器和涡流管制冷装置。1 9 9 3 年7 月， 平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第6 0 9 研究所联合研制成 k k l i o l 矿用无氟空气制冷机。1 9 9 5 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空调。在此之前，我国采用的制冷设备主要是 以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组。 1 2 3 矿井降温在中国的发展历程 矿井降温技术的研究工作在我国已经有了近五十年的历史，无论是理 论还是实际应用领域都取得了一定的突破，其中理论成果主要表现在： ( i ) 建立了矿井热交换理论体系。在矿井生产系统形成之后，整个矿井 便形成为一个开口的热力系统，矿井热交换理论就是描述这一系统中热交 换特征。如风流通过井巷的热质交换规律；井巷围岩与风流间的不稳定热 交换特征：矿内煤炭、硫化物以及有机物质的氧化放热特征；矿井涌水的 放、吸热和散湿特征；矿内运输中的矿物和矸石的放热特征等。 ( 2 ) 建立了矿山地热学的理论体系。矿山地热学主要是研究矿区地温场 的分布特征，岩体的热传导规律和岩石的热物理性质，基本上掌握了：岩 体热传导的基本规律：井巷围岩调热圈温度场变化特征：地壳最上层地温 场的特征及其影响因素，钻孔的热平衡理论；地热来源，影响区域地温场 的因素：岩石的热物理性质以及矿井水文地质学与地热学的相互关系等。 ( 3 ) 建立了矿井制冷降温系统的热力学基础。矿井制冷降温系统是由制 冷、输冷、传冷和排热4 大部分组成，并构成了一个热力系统。掌握了系 统各个组成要素的热力学特征及各个要素的优化组合。 在实际应用方面： ( 1 ) 1 9 6 4 - 1 9 7 5 年，在淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降 温系统，为我国制冷降温技术的发展奠定了基础。 ( 2 ) 1 9 8 2 1 9 8 7 年，在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( 投资6 0 0 万元) ，在制冷技术、供冷及保冷技术、传冷技术以及 利用井下回风流排热技术等方面都为我国开创了先例。 ( 3 ) 1 9 8 6 - 1 9 9 1 年，在平顶山八矿设计了我国第二个井下集中制冷降温 系统( 投资1 0 0 0 万元) ( 4 ) 1 9 9 2 1 9 9 5 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( 投资23 0 0 万元) 。该系统引进了国外的先进技术装备，设 计制冷能力为7 4 0 0 k w ，为亚洲最大的矿井制冷降温系统。达到了国际先进 水平。 1 2 4 矿井降温技术的发展趋势 随着煤电联产技术的发展进步，冷热电联产技术的在矿井降温方面的 应用已经日趋成熟。采用大电网电力即外购电制冷的矿井空调系统，不仅 本身电耗大，费用高，且加重矿区电力紧张、电费昂贵的局面，由此引起 的煤炭成本升高将导致煤矿经济效益下降。这是我国煤矿高温矿井使用空 调降温技术所面临的一个突出问题。煤矿生产伴有大量的煤矸石和瓦斯气 等燃料，既占地又污染环境，且外运极不经济。利用丰富的煤炭伴生物， 建设小型坑口自备热电站，除满足煤矿所需的热电能量外，可以配置以热 电站为热源的吸收式制冷机，生产高温矿井和地面建筑所需的冷量，将大 大提高煤矿的经济效益，且能改善矿区环境，推动第三产业的发展。 1 3 冷热电联产技术( c c h p ) 概述 美国从1 9 7 8 年开始提倡发展小型热电联产( c h p ) ，目前除继续坚持发 展小型热电联产之外，正研究高效利用能源资源的小型冷热电联产( c c h p ) 。 c c h p 是将制冷、供热( 采暖和供热水) 及发电三者合而为一的设施。据美国 1 9 9 5 年对商用楼宇终端能源消费的统计，采暖用能占2 2 ，热水供应占7 ，制冷空调用能占1 8 。c h p 的供热只能解决2 9 的用能及提供电力， 而c c h p 连同制冷可提供4 7 的用能及电力。 美国为发展冷热电联产采取了更新经营模式、联合研究和政策扶植等 措施，并编制了长达2 0 年的研究发展目标。我国如要发展小型c h p 、c c h p 也应组织联合攻关，政府扶持。现在看来冷热电联产比热电联供要先进得 多，能适应我国大部分地区的需要，特别是我国过去采暖仅限制在黄河、 秦岭山脉以北的三北地区，现在黄河与长江之间的中间地带，为提高舒 适度，也开始搞采暖工程。我国应采取跨越发展手段，跳过c h p ，直接搞 c c h p 。 我国在冷热电联产方厦具有一定优势，湖南长沙市远大空调有限公司 生产的直燃式空调机。可以解决制冷、采暖和卫生热水联供，他们正在研 究将燃气涡轮机与直燃式空调机相配套，形成高效的冷热电联产系统。如 果我们抓紧c c h p 的研究和应用，我们在冷热电联产系统的发展中有可能超 过美国，走在世界前列，成为我国2 1 世纪全球竞争中的优势产业之一。 1 4 本课题的来源及目的 1 4 1 课题来源 本课题来源于安徽省淮南矿业集团“潘集一号矿井瓦斯发电并冷热联 产项目” 潘集一号矿井是开采时间较长的一个老矿井，井下瓦斯发生量较大， 存在重大的安全隐患，为能综合利用瓦斯，投入了大量资金以彻底解决安 全问题。 主要工作流程：采用储气罐收集存储瓦斯，燃气发电机发电，利用冷 却发电机的高温钢套水和发电排放的高温烟气作为吸收式制冷机的热源进 行制冷，将生产出的冷冻水送入井下，降低采掘点的温度，以杜绝安全隐 患。本课题的目的在于设计工作流程中的制冷系统。 1 4 2 项目目标 基于对“潘集一号矿井瓦斯发电并冷热联产项目”的研究，对此类系 统的进行经济性分析和仿真优化，使得系统的整体稳定性有所提高。 1 4 3 目的、意义 本课题的意义在于有较大的应用价值，目前国家对于煤矿瓦斯气的综 合治理非常熏视，投入了大量的人力和物力，制冷和发电都是很成熟的技 术，如何将二者结合并优化整个系统是此类冷熟电联产技术的关键所在。 1 5 本论文的主要内容 论文的内容主要介绍了矿并降温技术和冷热电联产的相关理论与技 术，通过对“潘集一号矿井瓦斯发电并冷热联产项目”中制冷环节的设计 研究，分析了此类系统的可靠性和经济性以及设计计算的一般理论。 论文第一章介绍了矿井降温和冷热电联产的概念、基本原理、应用和 发展，阐述了基于矿井降温应用的冷热电联产技术的实际意义。另外还介 绍了本课题的来源、意义和主要内容。 论文第二章介绍了矿井降温的相关理论及其关键技术 论文第三章介绍了冷热电联产相关理论及其关键技术。 论文第四章介绍了对“矿井瓦斯发电+ 冷热联产项目”的设计计算。 论文第五章介绍了“矿井瓦斯发电+ 冷热联产项目”的系统经济性分 析和潜在问题预测。 论文第六章总结了所做工作的成绩和不足，并对课题提出了展望。 第二章矿井降温的相关理论及关键技术 2 1 矿井主要热源及其散热量 要进行矿井空调设计，首先就必须了解引起矿井高温热害的主要影响 因素。能引起矿井气温值升高的环境因素统称为矿井热源。本节将重点讨 论这些矿井主要热源及其散热量的计算方法。 2 1 i l 井巷围岩传热 1 围岩原始温度的测算 围岩原始温度是指井巷周围未被通风冷却的原始岩层温度。在许多深 矿井中，围岩原始温度高，往往是造成矿井高温的主要原因。 由于在地表大气和大地热流场的共同作用下，岩层原始温度沿垂直方 向上大致可划分为三个层带。在地表浅部由于受地表大气的影响，岩层原 始温度随地表大气温度的变化而呈周期性地变化，这一层带称为变温带。 随着深度的增加，岩层原始温度受地表大气的影响逐渐减弱，而受大地热 流场的影响逐渐增强，当到达某一深度处时，二者趋于平衡，岩温常年基 本保持不变，这一层带称为恒温带，恒温带的温度约比当地年平均气温高 l 2 。在恒温带以下，由于受大地热流场的影响，在一定的区域范围内， 岩层原始温度随深度的增加而增加，大致呈线性的变化规律，这一层带称 为增温带。在增温带内。岩层原始温度随深度的变化规律可用地温率或地 温梯度来表示。地温率是指恒温带以下岩层温度每增加l ，所增加的垂直 深度，即： g ，- 鲁m ( 2 - 1 ) 地温梯度是指恒温带以下，垂直深度每增加l o o m 时，原始岩温的升高 值，它与地温率之间的关系为： g r = 1 0 0 g , ， l o o m( 2 2 ) 式中g 广一地温率，m ： g 。地温梯度，l o o m ： z 。、砷温带深度和岩层温度测算处的深度，m ： t 小t 广一l 重温带温度和岩层原始温度，。 若已知g 。或g 。及z o 、tr o ，则对式( 2 - 1 ) 、式( 2 - 2 ) 进行变形后，即可计算 出深度为z m 的原岩温度t ，。 表2 - 1 我国部分矿区恒温带参数 矿区名称恒温带深度z o ( m )恒温带温度t ( ) 地温率g 。( m ) 辽宁抚顺 2 5 3 0 1 0 53 0 山东枣庄4 01 7 ，04 5 平顶山矿区 2 51 7 2 3 l 2 l 罗河铁矿区 2 5 1 8 95 9 2 5 安徽淮南潘集 2 51 6 83 3 7 辽宁北票台吉 2 71 0 6 4 0 3 7 广西合山 2 02 3 14 0 浙江长广 3 l1 8 ，9 4 4 湖北黄石3 11 8 84 3 3 3 9 8 2 围岩与风流间传热量 井巷围岩与风流间的传热是一个复杂的不稳定传热过程。井巷开掘后，随着 时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减少：而 且在传热过程中由于井巷表面水分蒸发或凝结，还伴随着传质过程发生。为简化 研究，目前常将这些复杂的影响因素都归结到传热系数中去讨论。因此，井巷围 岩与风流间的传热量可按下式来计算： q r = k 。u l ( t 。一t ) ，kw(2-3) 式中q r 井巷围岩传热量，k w ； k ；一围岩与风流问的不稳定换热系数，k w ( m 2 ) ； u 井巷周长，m ； l - - 井巷长度，m ； t 斗均原始岩温，： t 井巷中平均风温，。 围岩与风流间的不稳定传热系数k ，是指井巷围岩深部未被冷却的岩体与空气 间温差为1 时，单位时间内从每m 2 巷道壁面上向空气放出( 或吸收) 的热量。它是 围岩的热物理性质、井巷形状尺寸、通风强度及通风时间等的函数。由于不稳定 传热系数的解析解相当复杂，在矿井空调设计中大多采用简化公式或统计公式计 算。 2 1 2 机电设备放热 在现代矿井中，由于机械化水平不断提高，尤其是采掘工作面的装机容量急 剧增大，机电设备放热已成为这些矿井中不容忽视的主要热源。 1 - 采掘设备放热 采掘设备运转所消耗的电能最终都将转化为热能，其中大部分将被采掘工作 面风流所吸收。风流所吸收的热能中小部分能引起风流的温升，其中大部分转化 成汽化潜热引起焓增。采掘设备运转放热一般可按下式计算： q o = 1 l r n ， k w ( 2 - 4 ) 式中q c 一风流所吸收的热量，k w ； 1 l r 一采掘设备运转放热中风流的吸热比例系数；1 l r 值可通过实测统计来确定。 n 一采掘设备实耗功率，k w 。 2 其它电动设备放热 电动设备放热量一般可按下式计算： 瓯= ( 1 一n 。) n _ n ， k w ( 2 - 5 ) 式中q 。一电动设备放热量，k w ： n 一电动机的额定功率，k w ； n 。一提升设备的机械效率，非提升设备或下放物料nl _ o ； n 。一电动机的综合效率，包括负荷率、每日运转时间和电动机效率等因素。 2 1 3 运输中煤炭及矸石的放热 在以运输机巷作为进风巷的采区通风系统中，运输中煤炭及矸石的放热 是一种比较重要的热源。运输中煤炭及矸石的放热量一般可用下式近似计算： 纨= m q f ，k w ( 2 - 6 ) 式中q , - 运输中煤炭或矸石的放热量，k w ； 旷煤炭或矸石的运输量，k g s ： c - 煤炭或矸石的比热，k j ( k g ) ： t 一煤炭或矸石与空气温差，。可由实测确定，也可用下式估算： 出= 0 0 0 2 4 l o8 以一f 。) ，( 2 - 7 ) 8 式中l 一运输距离，m ； t ，一运输中煤炭或矸石的平均温度，一般较回采工作面的原始岩温低4 8 c ； t m - 运输巷道中风流的平均湿球温度，。 2 1 4 矿物及其它有机物的氧化放热 井下矿物及其它有机物的氧化放热是一个十分复杂的过程，很难将它与其它 热源分离开来单独计算，现一般采用下式估算： 绋= q o v “8 u l ，k w ( 2 - 8 ) 式中q 0 一氧化放热量，k w ； v 一巷道中平均风速，m s ； q o - v = l m s 时单位面积氧化放热量，k w m 2 ：在无实测资料时，可取3 4 6 1 0 3k w 岔。其余符号意义同前。 2 1 5 人员放热 在人员比较集中的采掘工作面，人员放热对工作面的气候条件也有一定的影 响。人员放热与劳动强度和个人体质有关，现一般按下式进行计算： q w o = n q ，脚 ( 2 - 9 ) 式中q - 0 一人员放热量，k w n 一工作面总人数； q 一每人发热量，一般参考以下数据取值：静止状态时取0 0 9 0 1 2 k w ； 轻度体力劳动时取0 2 k w ；中等体力劳动时取0 2 7 5 k w ；繁重体力劳动时取0 4 7 k w 。 2 i 6 热水放热 井下热水放热主要取决于水温、水量和排水方式。当采用有盖水沟或管道排 水时，其传热量可按下式计算； 绋= k 。s ( t 。- t ) ，肼 ( 2 - 1 0 ) 式中q - 热水传热量，k w ； k ，水沟盖板或管道的传热系数 掣) s 一水与空气间的传热面积。水沟排水：s = b _ l ，m z ；管道排水：s = d z l ，一； b ，一水沟宽度，m ； d ：一管道外径，m ： l 一水沟长度，m ； t 。水沟或管道中水的平均温度，： t 一巷道中风流的平均温度，。 水沟盖板的传热系数可按下式确定： k d “击+ 妻+ k w 舳： l d 2 r m 2 o r 、 管道传热系数可按下式确定： k w ( 2 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中 a1 一水与水沟盖板或管道内壁的对流换热系数，k w ( i i l 2 ) ； n2 一水沟盖板或管道外壁与巷道空气的对流换热系数，k w ( m 2 ) 6 一盖板厚度，m ： 一盖板或管壁材料的导热系数，k w ( m ) ； d 卜管道内径，m ； d 2 管道外径，m 。 2 2 矿井降温的一般技术措施 矿井降温的一般技术措旖是指除了矿井空调技术外，其他各种用于调 节和改善矿并气候条件的措施。它主要包括：通风降温、隔热疏导、个体 防护等。 2 2 1 通风降温 加强通风是矿井降温的主要技术途径。通风降温的主要措施就是加大 矿井风量和选择合理的矿井通风系统。 1 加大风量 实践证明，在一定的条件下( 如原风量较小) ，增加风量是高温矿井最 经济的降温手段之一。加大风量不仅可以排出热量、降低风温，而且还可 以有效地改善人体的散热条件，增加人体舒适感。所以在高温矿井采用通 风降温是矿井降温的基本措施之一。 但增风降温并不总是有效的。当风量增加到一定程度时，增风降温的 效果就会减弱。同时增风降温还受到井巷断面和通风机能力等各种因素的 制约，有一定的应用范围。 2 选择合理的矿井通风系统 从降温角度出发，确定矿并通风系统时，一般应考虑下列原则： ( 1 ) 尽可能减少进风路线的长度 在井巷热环境条件和风量不变的情况下，井巷进风的温升是随其流程 加长而增大，风路越长，风流沿途吸热量越大，温升也越大。所以，在高 温矿井应尽量缩短进风路线的长度。同时在进行开拓系统设计时，要注意 与通风系统相结合，避免进风巷布置在高温岩层中和不必要地加长进风路 线的长度，以增加其温升。 ( 2 ) 尽量避免煤流与风流反向运行 在选择采区通风系统时，尽量采用轨道上山进风方案，避免因煤流与 风流方向相反，将煤炭在运输过程中的散热和设备散热带进工作面。根据 原西德的经验采用轨道上山( 平巷) 进风与运输上山( 平巷) 进风相比， 回采工作面进风流的同感温度可降低4 5 。 ( 3 ) 回采工作面采用下行风 在条件许可时，回采工作面可采用下行风。因为回采工作面采用下行 风时，风流是从路程较短的上部巷道进入工作面，且减少煤炭放热影响， 故可降低工作面的进风温度。 2 2 2 隔热疏导 所谓隔热疏导就是采取各种有效措施将矿井热源与风流隔离开来，或 将热流直接引入矿井回风流中，避免矿并热源对风流的直接加热，从面达 到矿井降温的目的。隔热疏导的措施主要有： 1 巷道隔热 巷道隔热主要用于矿井局部地温异常的区段。目前较为可行的方法是， 在高温岩壁与巷道支架之间充填隔热材料，如高炉或锅炉炉渣等。近年来， 我国煤矿还试验用聚氨脂泡沫塑料喷涂岩壁，喷涂厚度为l o m m 时，就能产 生较好的隔热效果；国外有些国家也曾采用聚乙烯泡沫塑料、硬质氨基甲 酸泡沫、膨胀珍珠岩等隔热材料喷涂岩壁，也取得较好效果。但因巷道隔 热费用较高：而且隔热层的时效性较差，随着时间的推移，隔热层的作用 将变小：同时还必须注意防火、防毒等安全问题。由于这些原因限制了这 种方法的应用。今后应当重视开发和研究高效、无毒、时效性长，而且廉 价的巷道隔热材料。 2 管道和水沟隔热 对高温矿井，温度高的压气管道和排热水管应尽量设在回风流中，如 果必须设在进风流中时应采取隔热措旌。尤其是对热水型高温矿井，对排 热水管进行隔热，应防止热水对风流的增温增湿作用。 对热水涌出量大的矿井可超前将热水疏干，将水位降低到开采深度以 下。对局部地点涌出的高温热水，可在出水点附近打排水钻孔，将热水用 隔热管道直接排至地面。 3 井下发热量大的大型机电硐室应独立回风 现代矿井井下大型机电硐室的发热量很大，如果这些设备的散热直接 进入迸风流，将引起矿井风流较大的温升。所以对高温矿井，井下大型机 电硐室( 如中央变电所、泵房和绞车房等) 应建立独立的回风系统。 2 2 3 个体防护 对个别气候条件恶劣的地点，由于技术或经济上的原因，如不能采取 其他降温措施时，对矿工进行个体防护也是一种有效的方法。矿工个体防 护的主要措施就是让矿工穿戴轻便、冷却背心或冷却帽，其作用是防止环 境热对流和热辐射对人体的侵害：同时使人体自身的产热量传给冷却服或 冷却帽中的冷媒。国外一些国家已研制出了许多种适会井下使用的矿工冷 却服和冷却帽，例如南非加尔德一来特公司研制生产的一种干冰冷却背心， 干冰用量为4 k g ，冷却功率为1 0 6 8 0 w ，冷却时间可达6 8 h 。再如由原西 德米塔尔公司生产一种冰水冷却背心，其用冰量为5 k g ，没有冷媒循环系统 和运动部件，在冷却功率为2 2 0 w 的条件下，持续工作时间可达2 5 h 以上。 近年国内一些科研单位也研制出了同类产品，在煤矿井下试用也取得较好 效果。 除了上述措施之外，还有其它一些措施诸如煤层注水预冷煤体、在进 风巷道放置冰块、利用调热圈巷道进风等都可起到一定的降温作用。 由于矿井的高温原因各不相同，热害程度也轻重不一。因此，在作矿 井降温设计时，应对具体问题作具体分析，要因地制宜、有针对性地采取 降温措施，才能受到良好效果。 2 3 矿井降温空调系统的分类 目前研制的高温矿井空调系统根据热力学特点来分，大约有4 种。 第一种是蒸汽压缩式循环制冷空调，主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水 机组；第二种是空气制冷空调，又有涡轮式( 透平膨胀) 空气制冷、变容 式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式：第三种是冰冷 却空调系统；第四种是以热电站余热为热源的溴化锂制冷、串联压缩式制 冷机组或氨吸收式制冷机组。 2 3 1 蒸汽压缩式循环制冷空调系统 蒸汽压缩式循环制冷空调、热电站为热源的吸收式制冷机组都是利用 制冷机制各的冷冻水作为供冷媒质，通过空冷器冷却风流，从而向采掘工 作面供冷，其基本结构模式如图2 1 所示。这种空调系统根据制冷站的安 装位置、冷却矿内风流的位置、载冷剂的循环方式等，可分为井下集中空 调系统、地面集中空调系统、井上下联合空调系统和井下分散局部空调系 统。 图2 1 冷水机组矿井空调系统送风结构模式 l 、井下集中空调系统。该系统的制冷机设在井下，通过管道集中向各 工作面供冷水，系统比较简单，供冷管道短，没有高低压换热器，仅有冷 水循环管路。但是必须在井下开凿大断面峒室，给施工和维护带来困难， 并且电机和控制设备都需防爆，难度大，造价高。并且，随着矿井开采深 度的增加，矿井需求冷量的增大，井下集中空调系统的冷凝热排放困难则 成为突出的问题，制约了制冷能力。 2 、地面集中空调系统。该系统分为2 种：一种是地面冷却风流系统， 其全部设备都在地面，对矿井总进风流进行冷却。由于冷却降温后的低温 风流不断被井下热源加热，降温效果变低。故仅适用于开采深度小、风流 距离短的高温矿井。另一种是井下冷却风流系统，其制冷机位于地面。载 冷剂( 冷水或盐水) 通过隔热管道被送到井下采掘工作面内的空冷器。从地 面到井下高差大，载冷剂输送管道中的静压很大，所以必须在井下增设一 个中间换热装置( 高低压换热器) 。其中，高压侧的载冷剂循环管道承压大， 易被腐蚀损坏，且冷损较大。 3 、井上下联合空调系统。该系统制冷机分别设在地面和井下，具有地 面和井下2 个系统的特点。该设备布置分散，冷媒循环管路复杂，操作管 理不便。 4 、井下分散局部空调系统。该系统的制冷机可移动，仅供1 个或局部 高温场所空调使用。蒸发器即相当于空冷器。冷量传输距离小，冷损小， 初期投资少，移动灵活。系统比较简单，但冷凝热排放困难，故仅适用于 小范围的煤矿降温空调。 2 3 2 空气膨胀制冷空调系统 气体等熵膨胀是获得低温的重要手段，也是对外做功的一个重要热力 过程，实现气体等熵膨胀的途径主要有：气体透平膨胀机，变容式膨胀机， 压气引射，这里主要介绍气体透平膨胀机和压气引射制冷的主要流程。 l 、透平膨胀制冷流程 井下作业所用高压空气是由地面集中供应的，压力为0 5m p a ，相对 湿度8 0 ，因此在进入膨胀机之前需要经过干燥处理，以防止空气中的水 分在低温时析出，影响膨胀机的正常工作。常用的干燥措施有吸附法、冷 冻法和化学法等。考虑到井下作业的实际情况，采用常用的分子筛吸附法 会使系统复杂，设备成本提高。通常采用冷冻法。系统中设置了两个换热 器，利用膨胀后的低温空气对膨胀机入口空气进行冷却，使空气在逐步降 温的过程中析出绝大部分水分，达到干燥要求。系统流程如图2 2 所示： 高压空气1 经过换热器a 后温度降低到状态2 ，空气中所含水分大部分会 在换热器a 中凝结析出：状态2 空气继续经过换热器b ，与膨胀机出来的 低温气体换热，温度进一步降低，水分迸一步析出，到达状态3 ( 此时的空 气虽然仍是饱和湿空气，但是由于温度极低，压力较高，所以空气的绝对 含湿量很低) ；状态3 的空气经过换热器a 复温到状态5 ，然后进入膨胀机， 膨胀后的空气( 状态6 ) 温度降低，压力降低，其饱和时的绝对含湿量大于状 态3 时的绝对含湿量，因此在膨胀机中不会有水分析出，这样就保证了膨 胀机的正常工作：最后，状态7 的空气与部分热空气混合，送入空调区域。 广t 一一一- 一一一一一一一一一一一， 图2 2 透平膨胀机制冷系统流程简图 2 、压气喷射制冷的工作流程 矿井压气( 压缩空气，简称压气，下同) 空调系统是在传统的矿井空调 系统的基础上发展起来的一种新型的矿井空调系统，其基本原理是利用压 气作为供冷媒质，直接向采掘工作面喷射制冷。该系统主要由冷源( 制冷机 组) 、空压机、输气管、中间换热器和送风器等几部分组成，如图2 - 3 所示。 其整个工作过程如下：制冷机蒸发器4 送出的冷水首先经过中间换热器8 将地面空压机1 6 输出的压缩空气冷却，冷压气通过输冷管道9 、1 0 送到采 煤工作面，在工作面上由送风器1 4 将冷压气射出，形成冷风射流，冷风射 流经过膨胀、卷吸，参混等作用与一t 作面风流发生热交换，从而达到工作 面降温的目的。 45 6 7 89 l 一冷凝器；2 q ，流闽；3 一压缩机；扛蒸发器；5 冷水出水 管；水泵；水回水管；啡热器；卜冷压气干管； l o 一冷压气支臂；l l 一工作面进风平巷；1 2 送气软管；1 3 一 采空区；1 4 送风器；1 5 一回风平巷；1 6 一空气压缩机；1 7 一井 筒；1 8 热压气管；1 9 冷却水泵；2 0 冷却水出水管；2 1 冷 却装置；2 2 冷却水回水管： 图2 - 3 压气喷射制冷系统流程简图 2 3 3 冰冷却空调系统 冰冷却空调系统就是利用地面制冰场制取的粒状冰或泥状冰，通过风 力或水力输送至井下的融冰装置，与井下空调的回水进行直接热交换，使 空调回水的温度降低。如图2 - 4 所示，与普通矿井空滴系统相比，冰冷却 空调系统由于利用冰的融解潜热进行降温，所以在同样冷负荷的条件下， 向井下的输冰量仅为输水量的l 4 l 5 。由于输冷管道和输送流量减少， 管道投资费用和运行能耗降低，由管道温升而产生的冷损降低，所以系统 的装机容量和投资费用都大大降低。它不存在普通矿井空调所难以克服的 过高静水压力和冷凝热排放困难等问题，主要电动设备均在井上，不需要 防爆，能较好地适应矿井的安全要求。冰冷却空调系统的应用主要应考虑： 冰冷却空调系统的具体方式、冰的制备、冰的输送和冰的溶解等问题。 i 、冰的制备。 根据冰的形状可以分为粒状冰和泥状冰，根据制冰的传热机理可分为 直接传热和间接传热。粒状冰冷却系统所采用的冰粒形状有多种，如立方 体、圆柱体、管状和片状等，其形状主要是由制冰机蒸发器的几何形式所 决定的。制取粒状冰需要制冰机有较低的蒸发温度( 一1 5 一3 0 ) ，这使制 冰机的性能系数降低。比较而言，管状与片状冰的制冰机性能系数要比立 方体、锥体等块状冰的制冰机高。粒状冰的优点是较低的蒸发温度使得冰 粒具有较大的过冷度，从而可以减小输送过程中的融化损失，而且便于输 送。粒状冰制冰机的工作过程分为冻结和收冰两个阶段。冻结和收冰的时 间影响着制冰机的性能。泥状冰是指水或盐水中混合的小冰晶，制取时形 成的小冰晶从盐水中析出，冰比生成它的溶液纯净，这个过程叫做冰冻除 盐。用于大规模泥状冰的制备有间接传热法、真空制冰法和直接传热制冰 法。 图2 - 4 冰冷却系统流程简图 2 、冰的输送。 冰的输送方式有传送带输送、风力输送、水力输送和重力输送。不同 形状的冰和不同的输送位置应采用不同的输送方式。粒状冰从制冰场到竖 图2 - 5 输送冰的线路简图 造后的冷水管道进行输送。 并井口可采用传送带或风力输送，竖井内以 及井下到融冰糟的水平段可采用重力输送。 风力输送属于管道输送的一种方式，如图 2 - 5 所示，压缩空气的压力应保持在1 5 0k p a 以上，实际应用时可达4 0 0k p a 。空气温度 宜在8 以下。在实际运行过程中应随时调 整输冰速度和压缩空气量，防止冰块过于密 集，导致管道阻塞或破裂。由于片状泳的表 面积与质量比比较大，容易相互黏连，而导 致管道阻塞，所以实际应用中应首选管状 冰。泥状冰只能采用水力输送，对管道和泵 都没有特殊要求，其优点是可以直接利用改 为了减轻过高的静水压力对井下设备的影响， 可采用高低压换热器，也可安装水轮机等水能回收装置，以减少输送能耗 l 4。 3 、冰的融化。 为了保证冰的融化速度，必须在井下设置专门的融冰装置，如图2 6 所示，并需对融冰机理进行研究。融冰机理的分析需要解决的是变冰量条 件下的融冰过程分析和连续输冰条件的融冰过程分析。变冰量条件下的融 冰过程指的是融冰过程中不再补充新的冰量，随着融冰的进行，冰床高度 越来越低，残冰量越来越少。变冰量条件下的融冰过程属于非稔态过程， 研究的主要目的是了解融冰装置内一定量的冰完全融化时所需要的时间。 连续输冰条件下的融冰过程指的是随着融冰过程的进行，冰量不断地补充 到融冰装置内，融冰过程中冰床高度和融冰装置的出水温度保持不变。连 续输冰条件下的融冰过程属于稳态过程，研究的主要目的是探讨融冰装置 的出口水温和冰床高度、进水流量、水温以及冰粒形状和大小等之间的关 系。在进行系统控制设计