避难硐室储冰降温装置布局研究.docx

避难硐室储冰降温装置布局研究刘鹏程 王瑜（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）（南京航空航天大学航空宇航学院，南京，210016）摘要：分析了比较了避难硐室常用降温方式；通过理论计算得出了在不考虑外部传热条件下避难硐室人均热负荷为140W，并计算出了人体散热量与风速、人体辐射换热量与储冰柜远近的关系式。运用FLUENT软件仿真出了40人硐室内不同布局条件下的风速和温度分布云图，通过3因子2水平L4（23）正交试验得出了影响风速和温度分布的因子主次，为避难硐室储冰降温系统设计和布局提供了一定的参考。关键词：避难硐室；温度；正交试验；仿真；综合评分法The Studyof Ice-making Refuge ChamberDesign Based on Orthogonal ExperimentLIU Pengcheng WANG Yu(China Coal Technology and Engineering Grop Chongqing Research Institute ,Chongqing 40037,China)（College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China）Abstract：The currentrefuge chamberice storagecooling method was analyzed;and then without taking into account the external heat transfer conditions of refuge chamber, thermal loadper person140Wwas obtained bytheoretical calculation. While theformula of relationship between the bodyheat dissipation andthe ventilation quantity,storagefreezerdistance is obtained.By using the software FLUENTwind speed and temperature distribution of refuge chamber of 40 persons with seat were calculated. Based on the simulation results factors which has primary influence was getthrough the 2Level3factorL4(23)orthogonal experiment. This paper provides reference value forrefuge chamberice coolingsystem designand inside layout.Keywords:Refuge chamber; Temperature; Orthogonal experiment;Simulation;Synthetically scored method避难硐室是一种用于矿井事故中为井下被困人员提供安全避险的设施【基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK04B09-03）;中煤科工集团重庆研究院有限公司青年创新基金（290000314-07）.作者简介：刘鹏程（1982.6-），男，四川自贡人，硕士，助理研究员，主要从事矿山安全工程等领域的科研工作。】。由于避难硐室空间有限，并且待救人员有可能长时间处于待救状态，人体在待救过程中需散热以维持温度平衡，硐室内温度应保持在30以下2-4，因此，在等待救援的过程中必须有降温系统对避难硐室内空间进行降温。曹立波5建立了避难硐室的传热微分方程，对硐室岩体的传热进行了计算与对比，对避难硐室的结构设计和制冷量确定提供了参考依据。何廷梅6利用FLUENT分析了避难硐室内空气流速分布规律,得出了流场分布规律；张祖敬7推荐高温避难硐室采用冰降温。上述文献对避难硐室温度场的模拟起到了一定参考，但目前还没有针对冰柜数量以及在硐室内与座椅的相对位置的研究，储冰降温系统布局具有随意性。因此本文针对该问题进行了相应研究。1避难硐室降温方式比较避难硐室降温方式主要有液态二氧化碳相变降温、压缩机储冰降温等方式。液态二氧化碳降温属于一次性投入，维护量相对较小，并且可以为净化提供动力，但占用空间大，对管路系统密封性要求高，加上储存温度不能高于31.1，使用上得到一定限制2,3。压缩机制冰储冷降温方式技术较为成熟、占用空间小、无有毒有害气体产生，安全性较高、灾害环境下还可以作为备用饮用水，不受高温环境的影响，因此在避难硐室降温中得到了较广泛应用2,3,8-11。本文即对采用制冰储冷降温方式的避难硐室进行研究。目前避难硐室降温系统布局整体来说具有随意性，没有理论支持。经笔者的调查，很大部分将冰柜放在一端，座椅放在另外一端，见图1，从降温角度来说是十分不利的，硐室空间相对较大，座椅离冰柜风场较远，与冰柜的辐射交换换热也较少。图1 传统冰降温系统布局及与座椅位置关系图示2理论设计计算2.1主要参数设计计算避难硐室降温系统主要由制冰系统、储冰系统、换热管道及风机组成，制冰系统已定型可用；储冰系统由储冰柜、进排水阀及管路组成；换热管道可采用中空内置换热小管的结构；风机是维持硐室内正常气体环境，维护待救人员正常生命体征的关键设备，硐室要求风机性能稳定、可靠、效能高，应根据风量、风压、风机特性曲线等，选择满足降温系统所需要的风机。硐室内热源主要为人体散热K人，净化反应热K净化、壁面传热K壁、设备产热K设，由于设备产热量较少，可忽略设备产热量，避难硐室壁面传热涉及围岩性质、围岩初始温度、硐室结构、保温材料等，不作为本文考虑的重点，设定为绝热壁面，初始温度设置为30，则有：K风=K总=nK人+K净化根据已有的实验研究，得出成年男性在睡眠时的产热功率为8090W，在轻度劳动强度下的产热量为120140W。综合计算设定为K人=n110W。净化产热主要为氢氧化钙或氢氧化钠吸收二氧化碳产生的热量，如果为Ca(OH)2，可按80115kJ/mol计算，按照人体每分钟释放0.4L/min计算，产热功率K净化= n30 W。风量可根据通风空调显热公式来计算通风量12：Q风= K风Cp(T2-T1)（1）Cp为空气的比热，1J/g.；为空气密度，1.25103g/m3，T2为冰柜中空管道入口温度（回风温度），取值30，T2为冰柜中空管道出口温度（冷风），按照大部分时间冰柜内为冰水混合物，取值0。根据式（1）按照40人硐室计算，则有：Q风=0.9m3/min；按照住宅用空调主风机出口最适宜风速为6至8.5m/s计算,风道管径应为0.13至0.18m。硐室总热负荷为K总为40140=5600W。冰有效使用温度一般在-20至5范围内（Th=5，T0=-20），温度过低会减少制冷系统使用寿命，高于5，降温系统换热效果不明显。经计算每千克冰从-20升至5吸收的热量q冰为399kJ/kg。每人需冰体积为0.18m3,40人的冰量约为7.2m3，冰柜设计为双冰柜。得到系统主要参数：表1避难硐室降温系统主要参数表名称总热负荷W风量m3/min出口风速m/s风道内径m总冰量m3储冰柜尺寸2-LWH参数56000.968.50.130.187.22-2.511.62.2人体与外界的传热分析避难硐室生存室空间相对较大，每人实际占有的空间超过3m3以上，导致硐室内的气体流动不均衡，远离风机出入口位置气流弱，甚至没有气流，气体流动速度实际与传热功率具有正相关性；冰柜与人体的热辐射换热值也与其相对位置有关。2.2.1对流换热分析对流换热是指人体与周围环境空气的换热。对流换热量的大小受人体表面温度、人体形状、体表特征和大小、体表附近空气温度和气流速度的影响。人体与环境空气的对流传热量可采用以下公式计算14：（2）式中：对流换热量，W；着装对的修正系数；空气温度，；皮肤温度，；对流传热系数，W/(m2K)，采用科斯勒克（Kerslake）公式：式中：空气流速，m/s。对流速度越大，对流传热量越大；人体与外界温差越大，对流传热量越大，综合上述公式计算得到表2。表2 流速温差与对流换热量关系表序号流速，m/s人与空气温度差对流换热量，W11213.4211067.2312013443223.35310116.46320232.87523085101509520451由上表可见，空气流速和温度应保持在一定范围内。2.2.2辐射换热分析待救人员处于硐室环境中时，人体表面将与环境中的物体表面产生辐射换热，本文忽略硐室壁面辐射，仅讨论冰柜与人体之间的辐射换热。人体与环境的辐射换热量遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律，可用下式计算14：（3）式中：辐射换热量，W；黑体辐射常数，W/(m2K4)S裸露皮肤表面积，m2；辐射系数k与有效辐射面积系数、有效辐射面积、服装面积、黑体辐射常数、皮肤表面积等有关系，这些因素确定后，辐射系数k就确定；Tcl着装人体外表面平均温度，K；Tmrt环境的平均辐射温度，K。对于环境的平均辐射温度，对于环境温度比较均匀的系统是合适的，而在本系统中由于硐室内有冷辐射体冰柜存在，冰柜与人体之间辐射换热是不能忽略的。冰柜与人体之间的辐射换热量Q人。冰柜与两个表面之间的相对位置关系（即角系数X人，冰柜）如式（4）15。X人.冰柜=（4）其中，公式（4）修正为： （5）T冰柜冰柜的表面温度人体与冰柜相对位置可以简化成平行物体，如下图2，人体简化为长方形X=0.5m，Y=1.0m，L分别为L1=0.1m,L2=0.5m和L3=2.5m。根据式（4），则有：X1.人，冰柜=0.754,X2.人，冰柜=0.285，X3.人，冰柜=0.002。图2 人与冰柜相对位置关系简图设置为0.9，人体裸露表面积设为0.5m2,人体表面温度设为35，冰柜表面积设为5，则距离分别为0.1m,0.5m,2.5m，根据式（5）计算得到热辐射量分别为56W、21W、0.15W。由此可以看出人与冰柜之间的热辐射量与其距离远近成反比，距离越近，热辐射越大，距离越远热辐射量越小。3布局优化仿真试验避难硐室传热过程为室内空气与室内避灾人员的对流换热、冷风流与室内空气的传热。本文借助Fluent流场分析软件，运用正交试验对避难硐室内人员与冰柜位置进行优化试验。3.1模型建立和参数设置本实验仅对40人避难硐室生存室进行试验，简化为二维平面分析，生存室尺寸为15m4m，冰柜尺寸为4.41.1m，人体尺寸为0.5m0.25m。基本模型如图3：图3 基本模型图依据下列公式得出计算模型：动量守恒方程： （6）式中，vi,vj为轴向坐标轴速度分量；xi,xj（i=1，2，3或j=1，2，3）代表笛卡尔坐标轴；gi代表重力加速度在i轴上的分量；为气流密度；为气动粘性系数。能量守恒方程： （7）式中，h代表焓值；代表流体质点压强；表示应力张量，见式（）。 （8）式中，代表气体动力粘度系数，是Kroneker数；表示雷诺应力张量；是流体形变张量，见式（9）13。 （9）质量守恒方程： （10） （11）式中，是耗散函数；代表流体质点的熵；代表随体导数。为定压比热，为热传导系数。网格模型为QUAD，单元格数为959738个。FLUNENT参数设置为求解器（Solver）基于压力性（Pressure Based）稳态（Steady）;湍流模型（Viscous Model）设置采用广泛应用的为k-epsilon;辐射模型(Radiation Model)采用Rosseland。其余参数见表3。表3初始参数与边界设置项目类型参数设置空气Fluid初始化温度30硐室壁面Wall初始化温度30冰柜壁面Wall初始化温度5人体Wall初始温度35传热功率100W/m2冰柜出风口Velocity-Inlet风速6m/s（单冰柜）风速3m/s（双冰柜）冰柜进风口Outflow压力：80P a3.2 试验结果按照试验条件，经过4次正交试验得出了硐室内风速和温度分布云图。见图4-图11图4 工况（1）硐室中部单冰柜紧挨座椅风速分布云图图5 工况（2）硐室边沿单冰柜远离座椅风速分布云图图6工况（3）硐室中部双冰柜远离座椅风速分布云图图7 工况（4）硐室边缘双冰柜紧挨座椅风速分布云图图8 工况（1）硐室中部单冰柜紧挨座椅温度分布云图图9工况（2）硐室边沿单冰柜远离座椅温度分布云图图10 工况（3）硐室中部双冰柜远离座椅温度分布云图图11 工况（4）硐室边缘双冰柜紧挨座椅温度分布云图从图4-11来看，空气流动及温度的分布十分不均匀，远离出风口位置温度高、风速低，靠近出风口位置温度低、风速高；工况（1）-（3）中硐室内大部分区域并未在流速较大、降温效果较好的流场范围内。3.3模拟结果分析由于试验边界条件一致，只是冰柜在硐室中的位置，冰柜数量，冰柜和座椅相对位置有所区别，故试验具有可比性。由于本正交试验是多指标的试验，为了较直观的比较这几种工况条件下的人体舒适性以及降温效果，采用区间取值（Region Taking Value）综合评分法计算其优劣，评分表如表4：表4区间取值综合评分表项目区间风速（m/s）01122447分值0352温度（）0101020203232以上分值35100将图4-11综合评分后得到如表6所示评分及极差分析表。因素水平表见表5表5 降温装置布局对人员的因素水平表因素水平两台冰柜分开安装（a）冰柜在中部(b)人员是否远离冰柜(c)1是是是2否否否表6试验结果及极差分析表序号abc风速温度综合评分(1)1是否71144215(2)1否是0112112(3)2是是96170266(4)2否否104228332j327481378因子主次较优组合j598444547Rj27137169acba2b1c1从表6极差分析表可以看出：冰柜数量对硐室内风速及温度的影响最大，冰柜与座椅的相对位置对硐室内待救位置的风速及温度影响次之，而冰柜在硐室中是否在中部和边缘对硐室内待救位置的风速及温度影响相对较小，因子主次为acb，采用双冰柜，座椅位置靠近冰柜可以使待救人员达到比较好的降温效果。由此可知，在避难硐室设计中，在条件允许的情况下，可适当增加冰柜数目，并将座椅位置靠近冰柜。4结论及建议 （1）通过理论计算得出了在不考虑外部传热条件避难硐室人均热负荷为140W，计算出了人体散热量与通风量、储冰柜远近等关系式，通风量和温差越大，人体散热越快；人体与冰柜距离越近，辐射效果越明显，距离0.1米时，辐射换热量得到56W，而距离2.5m时，辐射换热量则仅为0.15W。 （2）运用FLUENT软件仿真出了40人硐室内不同冰柜与座椅不同布局条件下的风速和温度分布云图，直观、形象的揭示出了风速和温度分布在硐室内的不均衡性；通过3因子2水平L4（23）正交试验得出了影响风速和温度分布的因子主次。（3）根据上述结论得出建议如下：在避难硐室布局使，应将座椅尽量布局在风场内，并且靠近冰柜位置；条件许可条件下，采用多台风机分散降温效果更明显。参考文献：1 孙继平.煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究J.煤炭学报，2011（05）：717717。2 刘鹏程.8人型救生舱储冰降温系统设计及试验研究J. 矿业安全与环保,