渦北煤礦1.8 Mta新井設計含5張CAD圖.zip,渦北煤礦1.8,Mta新井設計含5張CAD圖,煤礦,1.8,Mta,設計,CAD 專題部分 機械制冷在煤礦熱害防治中的應用 摘要：隨著采深的增加，熱害對于礦工的健康和煤礦的安全生產(chǎn)的影響也越來越顯著。在目前采用的治理方法中，機械制冷是主要方式，包括預冷風降溫和冰輸冷卻降溫。布置方式又分為井下空調(diào)系統(tǒng)，地面集中式空調(diào)系統(tǒng)，井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng)，井下分散局部空調(diào)系統(tǒng)。 關鍵詞：煤礦，熱害防治，機械制冷，預冷風，冰輸冷卻 1 問題的提出 1.1背景 隨著我國煤礦開采年限的增加，淺部資源逐步減少和枯竭，我國煤礦開采平均以8~12m/a的速度向深部延伸，尤其是近年來煤礦采用更先進的開采技術(shù)和采掘機械，開采延伸速度呈現(xiàn)加大趨勢，東部礦區(qū)以10~25m/a的速度發(fā)展[1～2]。目前一些礦井開采深度已達1000m以下，如新汶礦業(yè)集團孫村礦開采深度達到了1300m，華豐礦開采深度為1070m，徐州礦務集團的旗山礦開采深度為1032m，夾河煤礦開采深度達1100m，張小樓井開采深度己超過1100m?？梢灶A計，我國有大批礦井尤其是中東部地區(qū)礦井，將進入1000m以下的深度。 二十世紀初國外許多國家逐漸出現(xiàn)了礦井熱害問題，世界上礦井熱害最嚴重的是南非金礦，德國煤礦和前蘇聯(lián)煤礦[3]。南非是當今世界開采深度最大的國家，南非的威特沃特斯蘭德盆地極深含金礦礁埋深達3500m~5000m[4]，斯太總統(tǒng)金礦的工作面深度超過3000m，原始巖溫高達63℃；德國的伊本比倫煤礦開采深度達1530m，巖溫高達60℃；前蘇聯(lián)的彼得羅夫煤礦工作面深達1200m，原始巖溫達到52℃[5~7]。據(jù)我國煤田地溫觀測資料統(tǒng)計，百米地溫梯度為2～4℃/100m，隨著開采深度的逐步增加，深部礦井熱害問題已經(jīng)逐步凸顯。近年來的文獻資料和統(tǒng)計資料表明[8~21]，我國已有140余個礦井出現(xiàn)了不同程度的高溫熱害問題。 1.2熱害防治研究意義 1）利于礦井工人健康 礦井高溫環(huán)境對井下作業(yè)人員的健康帶來了極大的危害。研究表明，人長時間處在高溫環(huán)境中生理調(diào)節(jié)機能將發(fā)生嚴重障礙。表現(xiàn)在： （1）體溫升高，參與人體代謝的各種酶隨著體溫升高其活性減弱，破壞體內(nèi)熱平衡，造成代謝紊亂。 （2）溫度過高，引起體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)障礙，中樞系統(tǒng)特別是大腦皮層的負擔加大，降低其興奮性，同時引起條件反射活動的紊亂，加深抑制過程，甚至發(fā)生高級神經(jīng)活動的病理變化。 （3）高溫作業(yè)使體表血管擴張，輸送皮下血管的血量增多，相應輸向內(nèi)臟的血量減少，返回心臟的血量減少，血壓降低，脈搏加快，再加上大量出汗，體內(nèi)缺水，血液的粘滯度增大，從而影響心臟的功能。 （4）在高溫環(huán)境從事重體力勞動，呼吸淺而急促，氧氣供應不足，肺功能的負擔增加。如果長期處于這種環(huán)境，會引起肺功能職業(yè)病。 人長時間處在高溫環(huán)境中可能使人產(chǎn)生一系列生理功能的改變，嚴重影響礦工的身心健康，因此適當?shù)牡V內(nèi)溫度濕度環(huán)境可以保障工人的健康。 2）提高生產(chǎn)效率 長期在井下高溫高濕環(huán)境中作業(yè)，容易破壞體內(nèi)熱平衡，造成代謝紊亂，引起體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)障礙，中樞神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)，出現(xiàn)精神恍惚、疲勞、渾身無力、昏昏沉沉等狀況，這是礦山勞動生產(chǎn)率低下的主要原因。據(jù)大量的高溫礦井統(tǒng)計：采掘工作面氣溫每超過標準（26℃）1℃時，勞動生產(chǎn)率將下降6~8%；氣溫升至32℃時生產(chǎn)率降低5%左右，升至34℃將會降低50%。許多高溫礦井夏季工人的出勤率明顯降低，勞動生產(chǎn)率顯著下降，有的甚至被迫停產(chǎn)。我國高溫礦井的勞動生產(chǎn)率都較低，有的甚至僅為30%~40%。礦內(nèi)溫度降低可以提高勞動生產(chǎn)效率。 3）減少安全事故 長時間處于高溫高濕的作業(yè)環(huán)境中，會使作業(yè)人員對周圍的注意力、判斷力及反應能力逐漸減退，疲憊乏力、精神煩躁、精力不集中，從而增加了事故的發(fā)生率。因此良好的礦內(nèi)環(huán)境可以提高工人的注意力、反應能力，減少礦井安全事故。 表1.1 南非礦井下溫度與事故率的關系 作業(yè)地點氣溫( ℃) 27 29 31 32 工傷頻次(人/ 千人) 0 150 300 450 4）社會意義 中國煤由地質(zhì)總局第三次全國煤炭資源預測[30]，在全國5個賦煤區(qū)、85個含煤區(qū)、542個煤田/煤產(chǎn)地中，共圈定了2554個預測區(qū)，預測總面積39.3×104km2，垂深2000m以淺的預測資源量為4.55×1012t，垂深1000m以淺的預測資源量為1.84×1012t，垂深600m以淺的預測資源量為0.94×1012t。埋深大于1000m的占全國預測總量的59.5%。河北、山西、內(nèi)蒙古、江蘇、安徽、山東、河南、陜西等重要產(chǎn)煤?。▍^(qū)），埋深1000m以下的預測資源分別占該?。▍^(qū)）預測總量的65.5%~92.4%，說明這些產(chǎn)煤地區(qū)埋藏較淺的煤炭資源潛力已經(jīng)有限，深部煤炭資源所占的比例非常高。深部資源的開采，可以解決東部沿海省份煤炭資源的缺口?？梢哉f，深部高溫礦井開采技術(shù)，在一定程度上決定著我國的經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和國家安全戰(zhàn)略的實施。 5）行業(yè)的相關規(guī)定 為保障礦工的身心健康和生產(chǎn)的安全進行,我國礦山安全條例規(guī)定:井下工人作業(yè)地點的空氣溫度不得超過28℃,超過時應采取降溫和保護措施。同時煤礦安全規(guī)程規(guī)定:采掘工作面的空氣溫度不得超過26℃,機電硐室的空氣溫度不得超過30℃,采掘工作面的空氣溫度超過30℃,機電設備硐室的空氣溫度超過34℃時,必須停止作業(yè)。 各國礦井氣溫的允許限度:西德從1965年開始，規(guī)定感覺溫度32℃為正常工作氣溫上限。荷蘭禁止在干球溫度為35℃以上的環(huán)境中勞動，在30℃以上的環(huán)境中，規(guī)定勞動時間不超過6小時。新西蘭規(guī)定濕球溫度為74OF(23.3℃)時，勞動7個小時，75“F以上時由勞資雙方協(xié)商勞動條件。蘇聯(lián)規(guī)定以26℃為標準。比利時禁止在有效溫度(B.E.T)為31℃以上的條件下勞動。捷克規(guī)定以濕度為90%、氣溫為28℃，濕度為88%，氣溫為30℃作為標準。 1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況 礦井空調(diào)降溫是空調(diào)應用技術(shù)發(fā)展的一個新領域。人工制冷降溫是目前國內(nèi)外普遍采用的降溫措施。從世界上第一臺制冷機的產(chǎn)生到現(xiàn)在, 己有近200年的歷(我國從20世紀50年代末開始制造制冷機) , 但礦井空調(diào)只有80余年的歷史, 其迅速發(fā)展和較廣泛地應用僅是近三十幾年的事 。 Rodboel礦最早于1924年安裝了第一臺地面冷凍機; 世界上第一個井下大型制冷站于1929年在Morio Aelho礦安裝; 1976年, 南非環(huán)境工程實驗室提供了向井下輸冰供冷方式; 20世紀80年代中期, 南非一些金礦采用冰冷卻系統(tǒng)進行井下降溫; 1985年11月, 南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水, 該系統(tǒng)的制冷能力達628 MW。目前, 德國也在積極開展此項研究 。 20世紀70年代, 我國曾研制過壓氣引射器和渦流管制冷裝置; 1964 - 1975年, 淮南九龍崗礦設計了我國第一個礦井局部制冷降溫系統(tǒng); 1982 - 1987年, 山東新墳礦務局設計了我國第一個井下集中制冷降溫系統(tǒng); 1986 - 1991年, 承擔了國家“七五”科技攻關項目, 在平頂山八礦設計了我國第二個井下集中制冷降溫系統(tǒng); 1992 - 1995年, 在山東新墳務局設計了我國第一個礦井地面集中制冷降溫系統(tǒng), 設計制冷能力為7 400 kW, 為亞洲最大的礦井制冷降溫系統(tǒng); 1993年7月, 平頂山礦務局科研所和原中國航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合研制成KKL 101 礦用無氟空氣制冷機; 1995年, 山東礦業(yè)學院陳平等提出用壓氣引射器和制冷機結(jié)合進行礦井空調(diào); 2002年, 新漢孫村礦- 1 100 m水平降溫工程初步設計, 并于2004年該冰冷低溫輻射降溫礦井空調(diào)系統(tǒng)完成[ 2, 7 - 8 ] 。 井下空氣環(huán)境復雜, 制冷劑必須無毒、不可燃和無爆炸危險, 由于氟里昂使用的局限性,在有高溫蒸汽、高溫水等余熱的地方可采用吸收式制冷機。獨聯(lián)體國家采用溴化鋰吸收式制冷機, 利用礦井瓦斯燃燒作為熱源, 此外氨制冷機也被采用。新近發(fā)展的分離氨系統(tǒng)輸冷方式是特制冷循環(huán)中的冷凝過程與蒸發(fā)過程分別設在地面和井下的一種制冷方式 德國煤礦因開采深度不斷增加、工作面生產(chǎn)日益集中以及井下設備功率增加等因素, 使井下氣溫不斷增高。從1962年一1990年, 平均開采深度由650m增加到930m平均原始巖溫由31℃增大到41℃ 目前開采最大深度已達1500m, 最高原始巖溫已超過60℃ 。幾乎所有礦井在不同程度上都采取了空調(diào)降溫措施, 以滿足有關法規(guī)的要求。。1990年德國產(chǎn)硬商品煤約7000多萬t, 礦井降溫總制冷能力約285MW, 其中約有180臺平均額定能力為1200kW的冷水機、280臺平均額定能力為的260kW冷風機。使用的空冷器約600臺。煤礦集中制冷站能力超過3.7MW的有18個, 制冷能力合計為126.9MW, 其中采用井下集中制冷系統(tǒng)的有8個, 制冷能力計48MW采用地面集中制冷系統(tǒng)的有6個, 制冷能力計53.4MW采用井上下聯(lián)合制冷系統(tǒng)的有4個, 制冷能力計25.5MW。 2 礦井中高溫高濕產(chǎn)生的原因 2.1礦井中高溫產(chǎn)生的原因 造成礦井氣溫升高的熱源很多,主要有相對熱源和絕對熱源。 相對熱源的散熱量與其周圍氣溫差值有關,如高溫巖層和熱水散熱;絕對絕源的散熱量受氣溫影響較小,如機電設備、化學反應和空氣壓縮等熱源散熱。高溫巖層散熱是影響礦井空氣溫度升高的重要原因,它主要通過井巷巖壁和冒落、運輸中的礦巖與空氣進行熱交換而造成礦井空氣溫度升高;另外當?shù)V井中有高溫熱水涌出時,也將影響整個礦井的微氣候,而使礦井空氣溫度略有升高。從總體上來看,造成礦井高溫熱害的主要因素有地熱、采掘機電設備運轉(zhuǎn)時放熱、運輸中礦物和矸石放熱和風流下流時自壓縮放熱等4大熱源。就個別礦山而言,礦井內(nèi)高溫水涌出、礦物強烈氧化等也可能形成高溫熱害。另外造成礦井高溫還有以下幾個因素: 其一是礦井開采深度大,巖石溫度高。在我國中、北部地區(qū),大部分高溫礦井都是由于此類原因所致。 其二是地下熱水涌出。地下熱水由于易于流動,且熱容量大,是良好的載體,地下熱水主要是通過兩個途徑把熱傳遞給風流: ①巖層中的熱水通過對流作用,加熱了井巷圍巖,圍巖再將熱量傳遞給風流; ②熱水涌入礦井巷道中,直接加熱了風流; ③采掘工作面風量偏低。通風不良風量偏低,是我國目前造成采掘工作面氣溫較高的普遍性因素。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,我國煤礦長壁工作面供風量80 %以上在200～800 m3/ min之間[2 ] ,而按降溫要求, 高溫回采工作面供風量至少應為800 m3/ min以上。 2.2礦井中高濕產(chǎn)生的原因 礦井的濕度通常采用相對濕度表示,礦井最適宜的相對濕度為50 %～60 %[3 ] 。而礦井下空氣的相對濕度大多為80 %～90 %左右,總回風道和回風井內(nèi)空氣的相對濕度接近100 %。造成礦井下空氣濕度過大的主要原因是井巷壁面的散濕和礦井水的蒸發(fā);另外礦井開采過程的生產(chǎn)用水也是造成礦井下空氣濕度過大的一個不可忽視的重要因素。礦井熱害產(chǎn)生的主要原因,可簡明地用圖2.1 表示。 其他因素 礦物氧化放熱 礦井內(nèi)高溫水流出 風流下流時自壓縮放熱 礦井高濕 圖 2.1 礦井熱害產(chǎn)生的主要原因 2.3礦井地溫分布規(guī)律 利用插值法可推出該礦地溫梯度值及任意深度的巖溫計算式： 式中： G—該礦區(qū)地溫梯度，℃/100 m。 —深部某點的地溫，℃； —某點的已知溫度，℃； H—礦區(qū)某點的深度，m； 溫度所對應的深度，m； 2.4導熱偏微分方程建立 在平面上建立一個x-y 坐標系，如圖 1 所示。圖1微元體在dt時間內(nèi)流進和流出的熱量，首先考慮巖體上一個薄的微元體，邊長為Δx和Δy。根據(jù)傅里葉定律，可推出巖體二維熱傳導方程為： 考慮巖體的熱固耦合作用，上式可以改寫為： 式中： λ—導熱系數(shù)； d—巖體的厚度； G—為溫度 T 的函數(shù)； —溫度載荷； —應力張量。 該方程即為巖石內(nèi)部溫度分布。 3 機械制冷降溫 采用大電網(wǎng)電力即外購電制冷的礦井空調(diào)系統(tǒng), 不僅本身電耗大, 費用高, 且加重礦區(qū)電力緊張、電費昂貴的局面, 由此引起的煤炭成本升高將導致煤礦經(jīng)濟效益下降。這是我國煤礦高溫礦井使用空調(diào)降溫技術(shù)所面臨的一個突出問題。煤礦生產(chǎn)伴有大量的煤矸石等劣質(zhì)燃料, 既占地又污染環(huán)境, 且外運極不經(jīng)濟。利用豐富的劣質(zhì)煤源, 建設小型坑口自備熱電站,除滿足煤礦所需的熱電能量外, 可以配置以熱電站為熱源的吸收式制冷機, 生產(chǎn)高溫礦井和地面建筑所需的冷量, 將大大提高煤礦的經(jīng)濟效益, 且能改善礦區(qū)環(huán)境, 推動第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 由于坑口熱電站建于地面, 利用電站熱量的制冷機房若設在井底車場附近, 需將熱沿保溫管道由地面輸送到井底, 熱損較大, 這是極不經(jīng)濟的。故制冷機房只能設于地面, 這時, 礦井降溫空調(diào)系統(tǒng)需要制取1 ℃的冷水, 而采用溴化鋰制冷機顯然滿足不了這一要求?？稍阡寤囍评錂C之后再串聯(lián)一級壓縮式制冷機組, 最終制出1 ℃冷水送往井下的降溫系統(tǒng)。壓縮式制冷機組用電也取自熱電站所發(fā)電力。按折合有用能等價法計算出的聯(lián)產(chǎn)電價非常便宜, 為0. 095～ 0. 110 元? kW ·h, 因而制出的低溫冷凍水價格較低。 采用氨吸收式制冷機(制冷機房只能設于地面) , 則可以直接制取1℃冷水供井下降溫系統(tǒng)使用。這種方案較串聯(lián)制冷更能體現(xiàn)出熱電冷聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)越性。因為它生產(chǎn)的冷水所消耗的全是較低品質(zhì)的煤氣, 而節(jié)省出的高品位電能供煤炭開采使用, 減少或不用外購電, 以提高整個煤礦的經(jīng)濟效益。盡管氨吸收式制冷機的當量熱力系數(shù)較低(與電動蒸氣壓縮式制冷相比) , 但綜合考慮制冷的全過程, 兩者的能耗大體相當。然而兩者最大的區(qū)別是, 聯(lián)產(chǎn)制冷的最初燃料是作為廢物的劣質(zhì)煤炭, 而外購電制冷的一次能源是供發(fā)電的優(yōu)質(zhì)煤,價格差距很大。因此, 只要有條件搞熱電冷聯(lián)產(chǎn)的煤礦, 應盡量選用這一礦井降溫冷源方案。但是聯(lián)產(chǎn)制冷需要建設小型坑口熱電站, 初始投資比較大。 蒸氣壓縮式循環(huán)制冷空調(diào)、熱電站為熱源的吸收式制冷機組都是利用制冷機制備的冷凍水作為供冷媒質(zhì), 通過空冷器冷卻風流, 從而向采掘工作面供冷, 其基本結(jié)構(gòu)模式如圖1 所示。這種空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)制冷站的安裝位置、冷卻礦內(nèi)風流的地點、載冷劑的循環(huán)方式等, 可分為井下集中空調(diào)系統(tǒng)、地面集中空調(diào)系統(tǒng)、井上下聯(lián)合空調(diào)系統(tǒng)和井下分散局部空調(diào)系統(tǒng)。 礦井采用制冷空調(diào)降溫是空調(diào)應用技術(shù)發(fā)展的一個新領域。當采用非空調(diào)降溫措施仍無法達到所要求的作業(yè)環(huán)境標準溫度或不經(jīng)濟時,應考慮使用制冷空調(diào)降溫技術(shù)。人工制冷降溫是目前國內(nèi)外普遍采用的降溫措施,其技術(shù)關鍵是制冷、輸冷、傳冷與排熱,以及降溫系統(tǒng)及其控制。礦井制冷主要采用制冷機,制冷機所用的制冷劑必須符合無毒、不可燃和無爆炸危險的要求。在大范圍的礦井降溫中,制冷站制取的冷量大都采用管道用水作為載冷劑進行輸冷;在礦井深度較大時,可采用冰塊輸冷,礦井越深,這種優(yōu)點越突出。傳冷是礦井降溫中的重要環(huán)節(jié),目前國內(nèi)外在傳冷方式上主要有表面式空氣冷卻器傳冷、噴淋式空冷器傳冷、吸收式制冷器傳冷和其他傳冷方式傳冷。如何有效地排除制冷機的冷凝熱,是維持制冷機正常運行,提高礦井降溫系統(tǒng)經(jīng)濟效益的關鍵之一。目前世界上許多礦井利用回風流排熱,普遍認為利用回風流排熱是一種經(jīng)濟有效的排熱方法。 3.1空調(diào)系統(tǒng)的分類 3.1.1.井下集中式空調(diào)系統(tǒng) 該系統(tǒng)的制冷機設在井下, 通過管道集中向各工作而供冷水, 系統(tǒng)比較簡單供水冷管道短, 沒有高低壓換熱器, 僅有冷水循環(huán)管路。但必須在井下開鑿大斷面峒室, 它給施工和維護帶來困難, 并且電機和控制設備都需防爆, 難度大、造價高。隨著開采深度的增加, 井下集中空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱排放則成為突出的問題。這種布置形式只適用于需冷量不太大的礦井。井下集中式空調(diào)系統(tǒng)按冷凝熱排系統(tǒng)的敷設方式的不同來分類, 又可分成四種不同的布置形式: 回風流排熱、地面冷卻塔排熱、地下水源排熱、幾種排熱方式混合排熱。根據(jù)不同的實際情況采用不同的敷設方式。 圖3.1.1 3.1.2地面集中式空調(diào)系統(tǒng) 制冷站設在地面且在地面冷卻總進風的系統(tǒng)形式通常采用圖所示工藝流程。 圖 3.1.2 工藝流程圖 該系統(tǒng)將制冷站設置在地面, 冷凝熱也在地面排放, 在井下設置高低壓換熱器將一次高壓冷凍水轉(zhuǎn)換成二次低壓冷凍水, 最后在用風地點上用空冷器冷卻風流。這種空調(diào)系統(tǒng)有另兩種形式, 一種是集中冷卻礦井總進風, 這種形式, 在用風地點上空調(diào)效果不好, 而且經(jīng)濟較差; 另一種是在用風地點上采用高壓空冷器, 這種形式安全性較差。實際上后兩種形式在井中都不可采用。井下冷卻風流系統(tǒng), 載冷劑輸送管道中的靜壓很大, 所以必須在井下增設個中間換熱裝置(高低壓換熱器) 。其中, 高壓側(cè)的載冷劑循環(huán)管道承壓大, 易被腐蝕損壞, 且冷損較大。這種系統(tǒng)比較于井下集中式空調(diào)系統(tǒng), 制冷機不需要采取防爆措施, 排熱方便, 冷損失小, 水頭壓力小, 易安裝, 便于運行管理。但此系統(tǒng)形式年運行時間不短、供冷距離短、要求水量大、凍水溫差小, 這些缺點嚴重制約了其在深井的應用。當?shù)V井非預期的繼續(xù)向下開采的時候, 該系統(tǒng)能夠很方便的拓展成井下地面聯(lián)合的礦井空調(diào)系統(tǒng)。此系統(tǒng)在1995年6月27日在孫村礦試運轉(zhuǎn), 試運行后, 因各方面原因一直未在運行。根據(jù)經(jīng)驗, 應該是設備管道本身的110質(zhì)量和現(xiàn)場安裝質(zhì)量上出現(xiàn)問題。 圖3.1.3 3.1.3 井上、下聯(lián)合的混合空調(diào)系統(tǒng) 這種布置形式是在地面、井下同時設置制冷站, 冷凝熱在地面集中排放。它實際上相當于兩級制冷, 井下制冷機的冷凝熱是借助于地面制冷機冷水系統(tǒng)冷卻。因井下的最大限度的制冷容量受制于相應的空氣和水流的回流排熱能力, 所以通常需要在地表安裝附加的制冷機組。這就使得混合系統(tǒng)成為深井冷卻降溫的必要。地下5 000 m處不同采深的礦井采用的礦井冷卻空調(diào)系統(tǒng)和礦井設計的成本可以被專家確定, 這些被確定的成本數(shù)據(jù)及實踐表明深井降溫最經(jīng)濟的深井冷卻系統(tǒng)是地表制冷機組和地面制冷機組聯(lián)合的混合冷卻系統(tǒng)。 該系統(tǒng)中設備布置分散, 冷媒循環(huán)管路復雜, 操作管理不便。但是它可提高一次載冷劑回水溫度, 減少冷損; 可利用一次載冷劑將井下制冷機的冷凝熱帶到地面排放, 這樣就決定了此系統(tǒng)能承擔大負荷, 這些是井下集中式和地面集中式所缺少的品質(zhì)。 3.1.4井下分散局部空調(diào)系統(tǒng) 從一定意義上講: 當實際礦井工程中只需要在幾個點并且點點相隔較遠時, 如某幾個單獨的工作面需要降溫, 這時分散局部空調(diào)系統(tǒng)是一種高效經(jīng)濟的降溫措施。局部空調(diào)系統(tǒng)在我國應用得比較廣泛, 在平頂山礦區(qū), 五礦己二采面采用一臺制冷量為300 kW的防爆制冷機組向己15- 23071采而供冷, 利用井下回風排放冷凝熱, 效果明顯, 平均降溫幅度4 ℃; 四礦戊九采而空調(diào)系統(tǒng), 采用一臺制冷量為500 kW的制冷機組向戊九采區(qū)的戊s- 19140采而供冷, 很好地滿足了降溫需求 。新集一礦210807工作面降溫, 都是采用的此系統(tǒng)形式并取得良好的效果 。 圖3.1.4 3.2機械預冷風降溫 3.2.1風溫變化過程概述 在礦井通風過程中,進入井下的空氣流,由于受到扇風機外力的作用,風道中的空氣產(chǎn)生了流動,此種流動被稱之為受迫流動。流入井下的空氣流,不但產(chǎn)生在風流內(nèi)部的導熱現(xiàn)象,而且入風流還將與巖壁產(chǎn)生熱交換,這一過程是包括了對流與導熱的聯(lián)合作用。因此,在這一過程中,入風流與巖壁之間的換熱可稱之為對流換熱。經(jīng)過大量的現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn),當風流流經(jīng)巷道后,由于巖體與風流之間存在著溫度差,就將使巖體與空氣之間產(chǎn)生熱交換。由于夏季礦山的地表氣溫較高,如湘西金礦在7、8、9三個月份的氣溫可達到36~42℃。高溫空氣進入礦井后,開始形成高溫入風流。隨著高溫入風流在井下的流動,即產(chǎn)生了空氣與巖壁的熱交換過程。在這一過程的開始階段,入風流的氣溫較高,而上部巖層的巖石溫度相對較低,入風流開始向巖壁放熱。隨著開采深度的增加,巖層的溫度逐漸降低。當入風流到達恒溫層時,巖石的溫度降到最低。高溫入風流的放熱過程也達到了最強烈的階段。從恒溫層開始,風流繼續(xù)下行,巖石溫度隨著標高的下降而開始升高,入風流的放熱過程逐漸減緩。 當入風流的溫度與巖壁的溫度相等時,入風流的放熱過程結(jié)束。此后,隨著巖石溫度的增高,入風流的吸熱過程開始,并依開采深度的增加,入風流的吸熱過程逐漸增強,使風流溫度不斷升高。為了更好地發(fā)揮通風降溫的作用,應當充分利用低溫巖層的降溫作用,合理利用恒溫層的巖石溫度最低的特點,將入井的新鮮風流進行降溫預處理,然后再把降溫后的風流直接送往井下深部用風點,從而起到更加顯著的通風降溫的技術(shù)效果。 3.2.2巖層預冷風溫在工程中的計算 在工程計算中,時間的影響因素甚小,可以忽略不計,并將巷道軸向的溫度視為不變化,而溫度僅沿半徑方向變化,這樣就將非穩(wěn)態(tài)過程簡化為一維穩(wěn)態(tài)過程。我們可以依據(jù)東北大學王英敏教授的研究成果,即: 式中：L——預冷巷道的長度,m; G——預冷風量,kg/s; ——空氣的定壓比熱,J/kg·℃; K——為巖體與空氣的熱交換系數(shù),W/m2·℃; P——預冷巷道的周界,m;t0為地表的氣溫,℃; ——預冷巖層巖體的溫度,℃; ——與入風口相距L米處的巷道氣溫,℃。根據(jù)(1)式整理后,得下式: 與入風口相距L米處的巷道氣溫可由上式求的 3.2.3常見的空氣制冷方法 （1）蒸汽壓縮式制冷 蒸汽壓縮式制冷是利用液體氣化時的吸熱效應而實現(xiàn)制冷的。在一定壓力下液體氣化時, 需要吸收熱量, 該熱量稱為液體的氣化潛熱。液體所吸收的熱量來自被冷卻對象, 使被冷卻對象溫度降低, 或者使它維持低于環(huán)境溫度的某一溫度。在液體氣化制冷中, 可分為機械壓縮式、吸收式、噴射式、吸附式制冷, 而在煤礦井下制冷系統(tǒng)應用中, 以機械壓縮式制冷為主。機械壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成, 用管道將其連成一個封閉的系統(tǒng)。工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)與巷道空氣發(fā)生熱量交換, 吸收被冷卻對象的熱量并氣化, 產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機吸人, 壓縮機消耗能量(通常是電能), 將低壓蒸汽壓縮到需要的高壓后排出。壓縮機排出的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)被常溫冷卻介質(zhì)(水或空氣)冷卻, 凝結(jié)成高壓液體。高壓液體流經(jīng)膨脹閥時節(jié)流, 變成低壓、低溫濕蒸汽, 進入蒸發(fā)器, 其中的低壓液體在蒸發(fā)器中再次氣化制冷。 (2)空氣壓縮式制冷礦井空調(diào)系統(tǒng) 空氣壓縮式制冷為理想氣體的逆向循環(huán)系統(tǒng),高壓氣體絕熱膨脹時, 對膨脹機作功, 同時氣體的溫度降低。其循環(huán)型式主要有: 定壓循環(huán), 有回熱的定壓循環(huán)和定容循環(huán)。與液體氣化式制冷相比, 空氣膨脹制冷是一種沒有相變的制冷方式, 所采用的工質(zhì)主要是空氣。由于空氣壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)、單位質(zhì)量制冷工質(zhì)的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng), 在產(chǎn)生相同制冷量的情況下, 空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要較龐大的裝置, 并且單位制冷量的投資和年運行費用均高于蒸汽壓縮式系統(tǒng)。因此, 空氣壓縮式制冷在礦井降溫中很少應用, 因此只介紹蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)在煤礦中的應用。 空氣制冷空調(diào)有渦輪式空氣制冷、變?nèi)菔娇諝庵评?、渦流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式; 由于后三種形式使用的局限性, 使得渦輪式空氣制冷是目前最常用的礦井空調(diào)統(tǒng)?？諝鈮嚎s制冷循環(huán)的制冷系數(shù)、單位質(zhì)量制冷工質(zhì)的致冷能力均小于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng), 產(chǎn)生相同制冷量的情況下, 空氣壓縮式制冷系統(tǒng)需要較龐大的裝置, 并且單位制冷量的投資年運行費用均高于蒸汽壓縮式系統(tǒng)。因此, 全礦井采用空氣壓縮式制冷系統(tǒng)降溫的礦井降溫礦井很少。 渦輪式空氣制冷利用壓縮空氣經(jīng)過渦輪絕熱膨脹做功, 從而使空氣制冷。1993年7 月,平頂山礦務局科研所和609研究所大膽借鑒空氣制冷技術(shù)在航空、制氧、石油等工業(yè)上的成功應用經(jīng)驗, 聯(lián)合研制成KKL - 101無氟空氣制冷機, 為我國礦井空調(diào)開辟了一條新的途徑。KKL 101 無氟空氣制冷機主要由渦輪膨脹機、水冷卻器、水分離器、消音隔熱風筒、閥門和壓力表組成。從井下壓縮空氣主管來的壓縮空氣經(jīng)過限流環(huán)將壓力減小到0.22M Pa 以下, 然后進入渦輪膨脹機的壓氣機端增壓。壓氣機的動力來自渦輪中空氣膨脹時的輸出功, 空氣在壓氣機中增壓的同時, 溫度也隨著升高; 接著進入水冷卻器與冷卻水進行熱交換冷卻, 使空氣的溫度降到接近壓氣機進口的空氣溫度。為防止空氣中游離水進入渦輪膨脹機的渦輪端, 在水冷卻器出口處安裝了水分離器, 除去水的空氣進入渦輪膨脹降溫后流入隔熱風筒, 與風筒內(nèi)的空氣混合后輸往工作面降溫。渦輪膨脹機為二輪升壓式結(jié)構(gòu), 渦輪與壓氣機裝在同一軸上, 轉(zhuǎn)速達50 000 r/min。壓氣機葉輪為離心式, 渦輪葉輪為向心徑流式。采用滾動軸承支承, 油芯式潤滑。水冷卻器為單程叉流式, 其換熱芯片是由高密度波紋板、邊條、隔板和端板在高真空度的真空爐中釬焊而成。連接端蓋、接頭等是由手工氬氣保護焊焊成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積內(nèi)傳熱面積大、質(zhì)量小等優(yōu)點。渦輪式空氣制冷機系統(tǒng)用空氣制冷機作為高溫礦井空調(diào)終端, 如圖2 所示, 它相當于冷水機組系統(tǒng)中的空冷器 , 具有系統(tǒng)簡單, 沒有高低壓換熱器和空冷器, 輸冷管道少, 承壓小, 材質(zhì)要求低, 施工技術(shù)難度低等特點?？諝庵评錂C本身無需電力驅(qū)動, 無防爆問題, 空氣既是制冷劑又是載冷劑, 取之不盡, 用之不竭, 又無環(huán)境污染問題, 在高溫、高沼氣煤礦具有很好的應用前景。但該系統(tǒng)需要礦井具有充足的壓縮氣源, 通過經(jīng)濟分析比較, 與蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比, 每千瓦制冷量的投資和年運行費用較高。 渦輪式空氣制冷機系統(tǒng)用空氣制冷機作為高溫礦井空調(diào)終端, 它相當于冷水機組系統(tǒng)中的空冷器, 其優(yōu)點如下: 系統(tǒng)簡單, 沒有高低壓換熱器和空冷器, 輸冷管道少, 承壓小, 材質(zhì)要求低, 施工技術(shù)難度低等 ; 空氣制冷機本身無需電力驅(qū)動, 無防爆問題, 空氣既是制冷劑又是載冷劑, 取之不盡, 用之不竭, 又無環(huán)境污染問題, 在高溫、高沼氣煤礦具有很好的應用前景。但也有其缺點: 該系統(tǒng)需要礦井具有充足的壓縮氣源, 與蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)相比投資和年運行費用較高。隨著空氣壓縮制冷的發(fā)展, 1989年南非一金礦建成了壓縮空氣制冷系統(tǒng), 這作為一種新型礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的礦井空調(diào)系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來礦井空調(diào)系統(tǒng), 其基本原理是利用壓氣作為供冷媒質(zhì), 直接向采掘工作面噴射制冷。礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)在技術(shù)上具有顯著的優(yōu)點, 運行經(jīng)濟合理, 能夠有效地解決我國當前礦井集中降溫中存在的實際問題, 使工作面上的冷量分布合理, 降溫效果好, 而且系統(tǒng)簡單, 應用靈活,可應用于需冷量小太大的小型礦井降溫系統(tǒng), 尤其對我國民壁開采工作面具有很強的適用性。礦井壓氣空調(diào)系統(tǒng)可作為我國今后礦井降溫中一條可供選擇的新途徑。 新汶礦業(yè)集團公司孫村煤礦位于山東省新泰市境內(nèi),開采歷史近百年,東臨張莊煤礦,西與良莊煤礦相鄰,現(xiàn)綜合采煤能力為120萬t/a,地面標高+175~+205 m,開采上限為+50 m,開采下限暫定為-1 050 m。該礦于20世紀80年代初在-400 m水平實施井下集中降溫,當時裝機容量為4臺Ⅱ-JBF50×0型離心冷水機組,3臺運轉(zhuǎn)1臺備用,正常運轉(zhuǎn)時制冷站總產(chǎn)冷量為1 500 kW,系統(tǒng)總電功率為1 546kW,服務于4個回采工作面和4個掘進面,降溫標準為26℃,降溫幅度為3℃,采用回風排熱。90年代初由于礦井開拓深度下延至-800 m,掘進面溫度高達33℃,為了解決高溫問題,孫村礦在原煤炭部的支持下,建立了北風井井口集中、井下設殼管式換熱器的制冷系統(tǒng),地面制冷站裝機容量為6 300 kW(1臺德國WM公司生產(chǎn)的1 900 kW冷水機 組、2臺大冷產(chǎn)2 200 kW螺桿冷水機組),井下設8臺WM公司產(chǎn)殼管式換熱器;由于多種原因,該系統(tǒng)安裝完成后,一直沒有投入正常使用。從上述降溫史可以看出,孫村礦在全國煤礦首次實施井下和地面集中降溫,但目前急需要的是切實的降溫方案。2002年6月,對孫村礦井下熱環(huán)境狀況和降溫方式分別進行了認真測定、分析和研究,先后提出了9個方案,經(jīng)過多次交流,剔除了其余7個方案。同時完成了孫村礦深部5采區(qū)降溫方案設計,實施后截至2004年12月整個礦井降溫系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)9 000 h達到了設計效果。 3.3冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng) 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)就是利用地面制冰場制取的粒狀冰或泥狀冰, 通過風力或水力輸送至井下的融冰裝置,與井下空調(diào)的回水進行直接熱交換, 使空調(diào)回水的溫度降低。與普通礦井空調(diào)系統(tǒng)相比, 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)由于利用冰的融解潛熱進行降溫, 所以在同樣冷負荷的條件下, 向井下的輸冰量僅為輸水量的1? 4～ 1? 5。由于輸冷管道和輸送流量減少, 管道投資費用和運行能耗降低, 由管道溫升而產(chǎn)生的冷損降低, 所以系統(tǒng)的裝機容量和投資費用都大大降低。它不存在普通礦井空調(diào)所難以克服的過高靜水壓力和冷凝熱排放困難等問題, 主要電動設備均在井上, 不需要防爆, 能較好地適應礦井的安全要求。冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)的應用主要應考慮: 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)的具體方式、冰的制備、冰的輸送和冰的溶解等問題。 由于機械制冷水系統(tǒng)的水路系統(tǒng)的大壓力的局限性, 近年來國內(nèi)外使用了新型的冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng)。所謂冰冷卻空調(diào)系統(tǒng), 就是利用地面制冰廠制取的粒狀冰或泥狀冰, 通過風或水力輸送至井下的融冰裝置, 在融冰裝置內(nèi), 冰與井下空調(diào)回水直接換熱, 使空調(diào)回水的溫度降低。冰冷卻降溫系統(tǒng)由制冰、輸冰和融冰三個環(huán)節(jié)組成。該系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)點。首先, 從井下用泵打回的水量只是水冷卻系統(tǒng)水量的1 /4, 這大大節(jié)約成本; 其次, 輸送到空氣冷卻器的水和冰直接熱交換, 具有很高的熱交換效率, 能產(chǎn)生1 ℃的冷水, 這樣輸送到空氣冷卻器的水量需求明顯減少, 從而減少了冷凍水泵的輸送能耗;最后, 能夠很順利的克服常用礦井空調(diào)系統(tǒng)的高靜水壓力和冷凝熱排放困難等問題。 實際冷卻系統(tǒng)的對比評價證明: 目前3 000 m以下的礦井降溫系統(tǒng), 即使在地制冰費用不扉, 其最經(jīng)濟的選擇方案是在地表安裝機組制取冰供井下用。這些都表明冰冷卻礦井空調(diào)系統(tǒng)的遠大的應用前景。南非Harmony金礦在1986年第一個采用冰冷卻系統(tǒng)進行礦井降溫?，F(xiàn)在因為礦井的關閉, 降溫系統(tǒng)不再運行。最成功的礦井冰冷卻降溫系統(tǒng)是已經(jīng)成功運行10年的ERPM礦井系統(tǒng)。ERPM系統(tǒng)的運行提供了寶貴的經(jīng)驗和信息, 它適合于任何其他礦井冰輸送系統(tǒng)。任何冰冷卻系統(tǒng)的一個重要問題是管道的機械設計。專家發(fā)現(xiàn)冰塞延著管道形成并在管道末端激烈釋放。冰塞的這種運動引起管道激烈的振動, 從而導致對管道支撐的嚴重沖擊,特別是當管道和支撐有足夠的空間時沖擊更具有破壞力。當使用低壓塑料管時, 通過精密的支撐設計使得沖擊力降到最小是非常重要的。另外一個重要的問題是管道堵塞, 主要發(fā)生在管道的末端, 它可以通過適當?shù)谋O(jiān)控措施來避免。 作為一項礦井空調(diào)的新技術(shù), 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)在系統(tǒng)運行管理和控制方而有較高的要求。冰輸冷卻系統(tǒng)在我國還處于試應用階段。為在我國真正推廣應用冰冷卻空調(diào)系統(tǒng), 尚需開展許多工作,如適合不同冰制備方式的制冰設備的開發(fā)和研制, 輸冰系統(tǒng)和輸冰設各的研究與開發(fā), 適合低溫水和泥狀冰傳熱要求的井下空冷器的研究與開發(fā)。2004年孫村煤礦采用了冰冷卻輻射降溫空調(diào)系統(tǒng)獲得了巨大的成功, 并把這項工程的技術(shù)和經(jīng)驗成功地推向市場。 3.3.1冰輸冷降溫系統(tǒng)的基本原理 (1)冰的吸熱能力分析 小于0℃冰的比熱為2.09KJ/(kg/℃)，即單位質(zhì)量的冰溫度每升高1℃能吸收2.09KJ/(kg/℃)的熱量；冰的溶解潛熱為335KJ/(kg/℃)，即從0℃的冰溶解為0℃的水時，能吸收335KJ的熱量；水的比熱為4.187KJ/(kg/℃).即單位質(zhì)量0℃的水溫度每升高1℃，所吸收的熱量為4.187KJ。則低于0℃的冰融解為高于0℃的水，單位質(zhì)量的冰輸冷能力為： 式中： ——冰的比熱，。 ——冰水相變潛熱，。 ——水的比熱，。 ——冰的相變溫度，0℃。 ——冰晶的平均溫度，取制冰末期溫度范圍上下限的平均值，末期溫度一般在-3℃~-9℃； ——冷水吸熱后的出水溫度，℃。 用冷水輸冷時，要去掉式中涉及相變潛熱和冰的顯熱部分，即： 0℃冷水吸熱后最終水溫升至5℃時，1℃的冰，相當于99.7KW·h。 因此理論上，在水和冰兩種輸冷介質(zhì)同樣體積下，并輸冷能力約為水輸冷能力的17倍。 冰輸冷降溫系統(tǒng)的主要原理是利用冰融解需要吸收大量的熱通過冰水直接接觸換熱，理想狀態(tài)下可以直接將水冷卻到接近0℃，然后把換熱所得冷水送到各工作面進行降溫。 冰輸冷降溫系統(tǒng)主要由制冷制冰、冷凝散熱、輸冰融冰和輸冷散冷四個有機部分組成，地面制冰站制冰，通過管道輸送，最終將冰晶送至井下的融冰裝置。在融冰裝置內(nèi)，冰與井下降溫系統(tǒng)的回水進行充分熱交換，產(chǎn)生接近0℃的冷水，再被輸送到需要降溫的工作地點。 并輸冷降溫系統(tǒng)工藝簡圖如下： 制冰系統(tǒng) 散熱系統(tǒng) 制冷系統(tǒng) 輸冰系統(tǒng) 融冰系統(tǒng) 輸冷系統(tǒng) 散冷系統(tǒng) 冰輸冷降溫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如下圖所示： 圖3.3.1 冰輸冷降溫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 (2)冰的載冷能力 通過冰作為載冷介質(zhì)，載冷能力主要表現(xiàn)在三個方面：其一、冰融化前的顯冷（即：通過冰的溫升吸收的熱量）；其二、冰相變的潛冷（即：通過冰的相變吸收的熱量）；其三、冰融化成水后的顯冷（即：通過水的溫升吸收的熱量）。則單位質(zhì)量冰的載冷能力為： 而采用冷水載冷時，冷水的載冷只有顯冷部分（即：通過冷水的溫升吸收的熱量），則 式中， ——單位質(zhì)量冰的載冷量； ——冰的比熱2.1Kj / Kg ·K ——冰水混合物的溫度； ——冰的溫度 ——冰的潛熱335Kj / Kg； ——水的比熱4.2Kj / Kg ·K ——冷水吸熱后的出水溫度 ——單位質(zhì)量冷水的載冷量 由式（1）和（2）可以看出，在出水溫度相同的情況下，單位質(zhì)量冰的載冷能力遠遠高于冷水的載冷能力。也就是說，當熱負荷相同時，冰輸冷系統(tǒng)的冷媒介質(zhì)質(zhì)量流量遠小于冷水輸冷系統(tǒng)的冷媒介質(zhì)質(zhì)量流量。例：制冰溫度= -2℃ 、冷水溫度= 0 ℃ 、出口水溫= 5 ℃ ，單位質(zhì)量的冰的載冷能力為單位質(zhì)量冷水載冷能力的17倍，即：= 17.2。 (3)系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析 評價系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，一般用能量法來分析。能量法是建立在熱力學第一定律基 礎上的能量數(shù)量分析方法。通過能量分析，可以揭示系統(tǒng)或過程在數(shù)量上的轉(zhuǎn)換和利用情況，從而確定用能效率η ，即收益與代價的比值。冰輸冷礦井空調(diào)系統(tǒng)的收益為有用冷量： 系統(tǒng)的代價為耗功： 系統(tǒng)的用能效率為： 式中， ——系統(tǒng)有用冷量； ——空氣冷卻器釋放冷量 ——噴淋設備釋放冷量 ——制冰機、輸冰機、供冷水泵、風機消耗的電功率 (4) 冰輸冷系統(tǒng)冷量損失分析 由上式可以看出，系統(tǒng)用能效率的高低在輸入電功率不變的情況下，與系統(tǒng)有用冷 量有關。而系統(tǒng)有用冷量又與系統(tǒng)運行過程中冷量損失大小有直接關系。所以，為了提高系統(tǒng)的用能效率，就要對系統(tǒng)運行時的冷量損失進行分析，找出各環(huán)節(jié)引起損失的原因，從而采取相應措施，以提高系統(tǒng)的用能效率。對系統(tǒng)運行時冷量損失計算，也是建立在能量守恒定律的基礎上，即：系統(tǒng)冷量損失=輸入系統(tǒng)的冷量-輸出系統(tǒng)的冷量。冰輸冷礦井空調(diào)各系統(tǒng)冷量損失計算見下表： 系統(tǒng) 冷量損失 符號意義 輸冰系統(tǒng) ：輸冰系統(tǒng)冷量損失 ：冰的質(zhì)量流量 、 ：冰進、出系統(tǒng)焓值 井下融冰 輸水系統(tǒng) 融冰池 ：融冰池冷量損失 、 ：供、回水質(zhì)量流量 、 ：供、回水焓值 供水管道 ：供水管道冷量損失 ：供水管道末端水的焓值 回水管道 ：回水管道冷量損失 ：回水管道進口水的焓值 3.3.2冰的制備方法 制冰方法有靜態(tài)制冰和動態(tài)制冰兩種方式。所謂靜態(tài)制冰是指在冷卻管外或盛冰容器內(nèi)結(jié)冰，冰處于相對靜止狀態(tài)；所謂動態(tài)制冰是指生成的冰漿或冰晶處于運動狀態(tài)。 靜態(tài)制冰法可分為管外制冰、管內(nèi)制冰和密閉容器制冰等幾種方式。管外制冰由沉浸在充滿水的貯槽中水的熱量，使水降溫而形成冰層。在管外結(jié)冰過程中，制冷劑與水通過熱管表面接觸，冷媒吸收水的熱量，開始時因冰層薄通過管壁的傳熱較快，但隨著結(jié)冰厚度的增加，由于冰的導熱系數(shù)小，結(jié)冰速度降低很歡快。管內(nèi)制冰為冷媒通過管外，管內(nèi)結(jié)冰，冷卻方式為冷媒直接膨脹或鹽水循環(huán)冷卻。這種制冰方式容易造成管內(nèi)冰堵塞，在大型降溫過程中難以實際應用。密閉容器制冰是將密閉在一定形狀的塑料容器內(nèi)的水制成固態(tài)冰的過程。容器形狀有球形、圓柱形、平板型。冷卻方式鹽水循環(huán)冷卻。 近年來，動態(tài)制冰技術(shù)越來越受關注。目前國內(nèi)外動態(tài)制冰的方法大致有以下幾種： 具有機械刮板裝置的制冰法：制冰主要部件是蒸發(fā)器用的冰筒，冰筒設計成內(nèi)外套筒結(jié)構(gòu)，制冷工質(zhì)在內(nèi)筒和外筒之間蒸發(fā)。在內(nèi)筒中裝有可旋轉(zhuǎn)的機械刮板，有獨立點擊驅(qū)動，刮板緊貼內(nèi)壁轉(zhuǎn)動掛下凍結(jié)在筒壁上的冰層或冰晶，桶內(nèi)的載冷劑可以用淡水也可以用鹽水（或海水）用淡水制冰，淡水由設在內(nèi)筒上方的噴嘴噴入，制冷劑與載冷劑通過內(nèi)筒壁換熱，使載冷劑溫度迅速降低，在內(nèi)筒壁上方結(jié)成薄薄的冰層，然后利用旋轉(zhuǎn)的刮板刮下后形成冰片。用這種方法制冰可獲得動態(tài)片冰，制冰過程連續(xù)，制冰量大，制冰設備技術(shù)也比較成熟。制冰機蒸發(fā)溫度一般在-15℃~30℃ ，較低的蒸發(fā)溫度可使冰粒具有較大的過冷度，減小輸送過程中冰融化損失，而且便于輸送。目前孫村礦所采用的就是這種制冰方式 也可以用這種制冰方法獲得冰水混合物的冰漿，鹽水（或海水）制冰，鹽水(或海水)由內(nèi)筒下方進入，形成的流冰由上方輸出。流態(tài)冰的含冰量通常在30%~60%之間，可根據(jù)鹽水濃度和蒸發(fā)溫度進行調(diào)整。用這種制冰方法可獲得冰水混合物——冰漿，其流動性好，便于管道輸送。這種制冰工藝要求制冰筒內(nèi)筒為圓形，內(nèi)筒材料可用鋼板或不繡鋼板，對內(nèi)筒的光潔度，以及機械刮板裝置的安裝精度要求較高。 以水為制冷工質(zhì)的壓縮制冷制取流體冰的方法：以淡水為制冷工質(zhì)，同時也是制冰原料，采用透平式壓縮機（實際上是抽真空）制冷，使水在底壓環(huán)境下通過閃發(fā)式蒸發(fā)器蒸發(fā)，最低溫度可達-3℃，在低于0℃時水中有冰晶生成。由于水在低溫時比容較大，實際上用這種方法制取的流體冰含量通常很低。該制冰方法的關鍵設備是透平式壓縮機，透平式壓縮機生產(chǎn)工藝復雜，價格較高。國內(nèi)尚未見改種方法的報道。 過冷水動態(tài)制冰：將控制在非常穩(wěn)定流動狀態(tài)下的水通過過冷卻器被冷卻至過冷狀態(tài)（低于0℃）而不讓其結(jié)冰，然后高速噴出蓄冰槽，在蓄冰槽中，通過過冷解除裝置，如讓流動的過冷水與擋板或器壁等固體表面或兩部分過冷水之間發(fā)生激烈沖擊，突然增加其擾動，破壞過冷狀態(tài)，使之析出冰晶顆粒成為冰水混合物，冰的密度小于水的密度，而浮在蓄冰槽中，水被水泵吸入重新進入過冷器，進行制冷循環(huán)。通過安設在蓄冰槽內(nèi)的不銹鋼流亡的微小冰晶在進入過冷器之前被微小冰晶消除器消除。日本對該種制冰方法做出了大量研究，目前該技術(shù)可達到-3 左右，處于領先地位。但這種制冰方法至今還不成熟，尚未廣泛推廣到實際應用中去。由于過冷狀態(tài)是水的亞穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)有的技術(shù)還不能保證其絕對的穩(wěn)定存在，很容易受到擾動二發(fā)生結(jié)冰凍結(jié)管道，過冷卻器內(nèi)頻繁結(jié)冰，頻繁融冰，將使得系統(tǒng)的可靠性和用能效率下降。 真空制冰法制冰：在一個密閉的容器內(nèi)，通過不斷的抽出含有鹽分的水蒸氣，達到沸騰與凝結(jié)同時存在的三相點狀態(tài)。在該狀態(tài)下，冰、液態(tài)水和水蒸氣共存，通過不斷攪拌，冰泥可持續(xù)不斷的產(chǎn)生。就一般情況而言，每產(chǎn)生7.5Kg的冰泥，約需抽放1Kg的水蒸氣。丹麥技術(shù)研究所（DTI）開發(fā)了真空制冰晶機，用水制冷劑制取冰晶。 3.3.3冰的運輸 冰制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷源氟利昂進入片冰機的蒸發(fā)器殼體．循環(huán)水泵將水噴淋到蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁上。結(jié)冰過程中氟利昂在殼體內(nèi)蒸發(fā)．吸收內(nèi)表面上水的熱量．水立刻被凍結(jié)成鱗片冰附在筒內(nèi)壁上，長形冰刀不斷旋轉(zhuǎn)，連續(xù)將冰刮落．并沿出冰口排出。由制冰機制出后，通過螺旋輸冰機輸送至井口立管上口（井筒輸冰管管口），然后靠自身重力下落至井底車場處的融冰池。冰融化后形成冷水，通過供水管道輸送至工作面空氣冷卻器及噴淋裝置，冷水在空氣冷卻器換熱后通過回水管路回到融冰池。 圖3.3.2 冰—水混合物屬固液兩相流。液固兩相流混合物在管道中流動機理及動力學特性非常復雜，比如顆粒之間的隨機碰撞伴隨著動量的傳遞與能量的耗散，液固之間存在粘滯阻力、升力等相互作用，液相呈現(xiàn)紊流，顆粒與壁面的隨機碰撞等。注入此類復雜因素的存在增加了建立等效簡化模型的難度，同時也導致了液固兩相流理論發(fā)展相當緩慢。 3.3.4冰的融化制冷 井下冰的溶解問題屬于直接固液相變傳熱。相變問題包括相變和熱傳導兩種物理過程，具有以下幾個特點： （1）兩相之間存在一個分界面，把兩個不同的物性區(qū)分開來。 （2）界面處存在相變潛熱的釋放或吸收，相界面位置S會隨時間二移動。溶解過程從區(qū)域的內(nèi)部外推至區(qū)域的表面，直到溶解過程結(jié)束為止。 (3) 非線性的移動相界面邊界條件。為了保證冰的融化速度, 必須在井下設置專門的融冰裝置, 并需對融冰機理進行研究。融冰機理的分析需要解決的是變冰量條件下的融冰過程分析和連續(xù)輸冰條件的融冰過程分析。變冰量條件下的融冰過程指的是融冰過程中不再補充新的冰量, 隨著融冰的進行, 圖3.3.3 融冰槽示意圖 冰床高度越來越低, 殘冰量越來越少。變冰量條件下的融冰過程屬于非穩(wěn)態(tài)過程, 研究的主要目的是了解融冰裝置內(nèi)一定量的冰完全融化時所需要的時間。連續(xù)輸冰條件下的融冰過程指的是隨著融冰過程的進行, 冰量不斷地補充到融冰裝置內(nèi), 融冰過程中冰床高度和融冰裝置的出水溫度保持不變。連續(xù)輸冰條件下的融冰過程屬于穩(wěn)態(tài)過程, 研究的主要目的是探討融冰裝置的出口水溫和冰床高度、進水流量、水溫以及冰粒形狀和大小等之間的關系。在進行系統(tǒng)控制設計時, 應保證產(chǎn)冰量、輸冰量和融冰量之間的平衡。 作為一項礦井空調(diào)的新技術(shù), 冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)在系統(tǒng)運行管理和控制方面有較高的要求。該系統(tǒng)在我國還處于試應用階段。為在我國真正推廣應用冰冷卻空調(diào)系統(tǒng), 尚需開展許多工作, 如適合不同冰制備方式的制冰設備的開發(fā)和研制, 輸冰系統(tǒng)和輸冰設備的研究與開發(fā), 適合低溫水和泥狀冰傳熱要求的井下空冷器的研究與開發(fā)。 圖3.3.4局部制冷降溫系統(tǒng)布置示意圖 4 孫村礦機械制冷實例 4.1礦井風流熱力參數(shù)的測定 經(jīng)測定,孫村礦采掘工作面在現(xiàn)有通風條件下,采面入風順槽的氣溫增加值為1℃~2℃,采面進出風口的氣溫增加值為2℃~4℃,采面風量在600m3/min左右;且5采區(qū)采面出口風溫基本不受地面季節(jié)性變化的影響,在32℃左右波動;掘進面風量在200 m3/min以下,溫度在30℃~33℃。 4.2礦井熱源分析 孫村礦地溫梯度平均值為2.2℃/hm,小于3℃/hm,屬地溫正常區(qū)。孫村礦高溫的主要熱源是由于大采深導致的空氣壓縮熱、巖熱,只能通過采取降溫措施來削弱其影響。在-800 m以下場所,巖熱所占比例會擴大10%,壓縮熱比例將相應降低,但以壓縮熱和巖熱為主要熱源這一結(jié)論不變。對運輸煤巖散熱、機電設備散熱、部分掘進回風及機電設備硐室出風串入采煤工作面導致高溫、采空區(qū)泄熱、煤的氧化散熱、電纜散熱、排水溝管散熱、壓氣管散熱,也做了相關分析工作。根據(jù)《煤炭資源地質(zhì)勘探地溫測量若干規(guī)定》,孫村礦東區(qū)-1 000 m及以上、中區(qū)和西區(qū)-800 m水平以上均屬于一級熱害區(qū)(巖溫31℃~37℃);東區(qū)-1 000 m以下、中區(qū)和西區(qū)-800 m以下屬二級熱害區(qū)(巖溫3 7℃以上)。按有關規(guī)定二級熱害區(qū)必須采取降溫措施。由于礦井高溫熱害的致熱因素較多,如通風線路長導致通風量減少或圍巖加熱風流的時間延長,均可能導致熱害,需要說明的是,孫村礦一級熱害區(qū)亦存在高溫熱害的條件。 4.3礦井高溫的危害 以目前的氣候標準為基礎,國內(nèi)外研究統(tǒng)計表明,氣溫每增加1℃,礦井生產(chǎn)效率則降低6 %~8%;根據(jù)孫村礦7月份的統(tǒng)計,工作面工人定員40人只有7人出勤,同時每年的高溫季節(jié)( 6~9月),礦井生產(chǎn)幾乎陷于停頓狀態(tài),對生產(chǎn)影響非常大。 4.4降溫方式 根據(jù)孫村礦實踐,單靠加大風量已不可能將采掘面風溫控制在28℃以下。為了改善采掘工作環(huán)境,提出了以機械降溫方法為主、其它降溫方式為輔的礦井降溫方法。國內(nèi)外機械降溫方式有集中式和分散式(或移動式),冷源類型有人工冷源和天然冷源。任何方式的選取都要充分結(jié)合已有條件,并要便于冷量調(diào)節(jié)。根據(jù)孫村礦的現(xiàn)狀:-400 m水平的水,在枯水期水量為2.17 m3/min(1999~2001三年均值),在富水期(夏季)為5.3 m3/min,現(xiàn)場實測水溫19.2℃~21.5℃,即使在富水期,水溫仍然在20℃左右;-400 m北回風井總回風溫度常年在24℃~26℃,總風量為10 000 m3/min。研究認為這就是孫村礦的天然條件,如何充分利用-400 m水平的低溫水和低溫風,是實施降溫方案的基礎。 4.4.1降溫方案選擇及應用情況分析 根據(jù)實測數(shù)據(jù)、有關研究成果數(shù)據(jù),降溫設計總的技術(shù)原則為:充分利用-400 m水平的低溫水和低溫回風,低溫水水量1.5 m3/min,水溫22℃;制冷機組冷卻水出水溫度28℃~36℃,冷水溫升不超過2℃/km,設計的系統(tǒng)要求能24 h運轉(zhuǎn)。服務5采區(qū)或者是4采區(qū)的1個回采面和1~3個掘進面。工作面風流冷卻方式按噴淋、表冷2種,但具體措施按技術(shù)經(jīng)濟比較確定。 4.4.2降溫方案 考慮到孫村礦現(xiàn)在及未來生產(chǎn)的實際需要,其下一步開采以北立井為中心的-800~-1 100 m區(qū)域,從機械降溫角度考慮,制冷站放在-400 m水平有利于排熱,但供冷距離過長,最大單程供冷管線長度達5 km以上,隨著開采延深,供冷距離無疑會更長,按溫升2℃/km考慮,供冷累計溫升將超過10℃,同時保溫管投資和安裝難度較大;若制冷站放在-800 m水平,利用-400 m水平的低溫水和低溫回風排熱,則避免了制冷站放在-400 m水平的缺點,只是排熱管線過長,但排熱的負面影響不大。因此,認為制冷站放在-800 m水平是孫村礦機械降溫的最佳選擇,把-800 m集中降溫、-400 m排熱方案作為孫村礦降溫的主導方案根據(jù)孫村礦未來向下延深開采的需要,并從利于管理角度出發(fā),制冷站設在-800 m水泵房旁,冷凍水采用閉式循環(huán)系統(tǒng)或開式系統(tǒng)主要取決于工作面風流冷形式。排熱利用U型管原理,利用-400 m低溫水和低溫回風,冷卻水泵從-400 m水倉取水,經(jīng)冷卻水供水管(玻璃鋼管或無縫鋼管)送至-800m水平制冷機組的冷凝器,回水經(jīng)回水管輸送至-400 m的北風井底的東回風巷噴淋硐室,經(jīng)低溫回風排熱后通過潛水泵送至-400 m水倉沉淀池,完成冷凝熱排放的循環(huán),見圖4.4.1。 圖4.4.1 制冷降溫示意圖 關于冷凝熱排放,有兩點需要進一步強調(diào): 1)在-400 m水倉的低溫水水量充足時,可以不利用低溫回風排熱,而將熱水直接通過-400 m水倉和排水泵排往-210 m水倉,在設計中,靈活地考慮了這樣的安排。 2)在-400 m水倉水量不足時,利用回風排熱如果對水質(zhì)的影響很大,且在采用化學方法處理冷卻水不經(jīng)濟時,可以采用在-400 m水倉旁建蓄水池的辦法,2個容積為720 m