制冷降温系统在解决煤矿井下热害的应用.docx

制冷降温系统在解决煤矿井下热害的应用刘家瑞（上海理工大学 能源与动力学院动力工程 137680155）摘要：热害作为矿井的自然灾害之一,不仅严重地影响井下作业人员的身体健康和生命安全，而且影响矿山的经济效益。首先在阐述机械制冷降温在国内外矿井巷道中的应用现状基础上,重点介绍了煤矿井下用机械制冷降温系统中压缩机、空冷器、制冷剂、润滑油等特殊部件等要求。此外冰浆降温系统具有冷量输送能力强, 水泵负荷小, 经济效益明显等优点，冰浆降温技术是解决矿井热害的一种实用、方便、经济的方法。最后指出制冷降温系统在煤矿井下应用领域应重点研究的内容。关键词:机械制冷;冰浆制冷;降温;目前，我国煤矿开采已经向深部发展，许多矿井的开采深度已达900~ 1300 m。随着矿井开采深度的增加,岩石温度升高,开采与掘进工作面的环境热害日益严重,不少工作面的气温超过28℃,个别高达34℃。井下高温对工人的健康与安全、井下设备的安全运行及生产效率造成了极大的危害和影响。1机械制冷系统在煤矿巷道中的应用1.1制冷方式在煤矿井下制冷降温中,常见制冷方式有蒸汽压缩式和空气压缩式,蒸汽压缩式制冷是利用液体气化时的吸热效应而实现制冷的。在一定压力下液体气化时,需要吸收热量,该热量称为液体的气化潜热。液体所吸收的热量来自被冷却对象,使被冷却对象温度降低,或者使它维持低于环境温度的某一温度。在液体气化制冷中,可分为机械压缩式、吸收式、喷射式、吸附式制冷,而在煤矿井下制冷系统应用中,以机械压缩式制冷为主。机械压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,用管道将其连成一个封闭的系统。工质在蒸发器内与巷道空气发生热量交换,吸收被冷却对象的热量并气化,产生的低压蒸汽被压缩机吸人,压缩机消耗能量(通常是电能),将低压蒸汽压缩到需要的高压后排出。压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器内被常温冷却介质(水或空气)冷却,凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流,变成低压、低温湿蒸汽,进入蒸发器,其中的低压液体在蒸发器中再次气化制冷。与液体气化式制冷相比,空气膨胀制冷是一种没有相变的制冷方式,所采用的工质主要是空气。由于空气压缩制冷循环的制冷系数、单位质量制冷工质的致冷能力均小于蒸汽压缩制冷系统,在产生相同制冷量的情况下,空气压缩式制冷系统需要较庞大的装置,并且单位制冷量的投资和年运行费用均高于蒸汽压缩式系统，此外，矿井中的瓦斯等易燃易爆气体，容易发生爆炸等危险。因此,空气压缩式制冷在矿井降温中很少应用,因此只介绍蒸汽压缩式制冷系统在煤矿中的应用。蒸汽压缩式制冷降温系统根据制冷站的安装位置、冷却矿内风流的地点、载冷剂的循环方式等,可分为井下集中式、地面集中式、井上下联合式和井下局部分散式。(1)井下集中式制冷机设在井下,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,没有高低压转换装置,仅有冷水循环管路。但是这需要在井下开凿大断面峒室,给施工和维护带来一定困难。随着开采深度的增加,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,其系统布置如图1所示。图1　井下集中式制冷系统　(2)地面集中空调系统分为2种:一种是地面冷却风流系统,其全部设备都设在地面,对矿井总进风风流进行冷却,其系统布置如图2所示。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高低压转换装置。图2　井上集中式制冷系统　(3)井上下联合系统的制冷机分别设在地面和井下,可以看作是井上、井下制冷系统的混联,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)井下局部分散式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。但冷凝热排放困难,故仅适用于小范围的煤矿降温空调。其系统布置如图3所示。1.2压缩机 压缩机是制冷空调的心脏,它对系统运行性能、噪声振动和使用寿命有着决定性作用。矿用制冷装置的制冷量一般都在100 kW以上,在此冷量范围内,长期以来使用的主要是活塞式、螺杆式2种机型。? 图3　井下局部分散式制冷系统作为矿用设备,压缩机在整个制冷装置中的安全性显得格外重要。它作为一种特种设备,在运转中可能会出现一些异常情况,如排气压力过高,吸气压力太低,油压不足,排气温度过高等。出现这些异常情况,给生命和财产带来隐患,轻则会对压缩机造成损坏,重则会发生爆炸。因此作为矿用设备的制冷装置压缩机必须采取以下防护措施:(1)压力保护。压力保护包括压缩机的吸排气压