礦井移動式冰蓄冷空調的應用研究

張琳邡　紀河

摘 要：文章針對當前礦井熱害日益嚴重，以及冰冷卻降溫系統存在的問題，提出了礦井移動式冰蓄冷空調，并從其結構、熱工計算及性能三個方面對礦井移動式冰蓄冷空調進行了簡要的分析，在此基礎上對礦井移動式冰蓄冷空調的特點進行了匯總，最后指出礦井移動式冰蓄冷空調的研究對熱害治理具有很重要的意義。

關鍵詞：礦井降溫；冰冷卻；移動式

1 概述

隨著社會的發展，煤炭資源需求量日益增加，進而使得礦井開采深度增加，機械化程度也不斷的提高，而由此產生的礦井高溫高濕的熱害問題變得越來越嚴重。如何有效解決礦井高溫問題已迫在眉睫。目前，避開局部熱源、加強通風、預冷進風風流等優化通風系統的方法在我國礦井熱害治理中應用較為成熟，對隔絕高溫圍巖、個體防護和水冷卻技術的研究也有很大進展，而冰冷卻技術在礦井降溫中應用還處在起步階段，但作為一種新型礦井降溫技術，由于其所具有的獨特優勢在我國深井熱害治理將有著良好的應用前景。

冰冷卻技術是近年受到重視的礦井降溫方法，目前在我國多個煤礦采用了地面集中式的冰冷卻的降溫方案，其具有制冷量大、冷凝熱排放方便，輸冷管道較小，設備安裝、維護管理方便、運行費用低等優點，但其也存在著供冷管道長，系統冷量損耗大，需在井筒中安裝大直徑的輸冷管道及對管道進行保溫處理，井筒中輸冰管路存在著堵塞二次結冰可能等缺點。文章就針對礦井高溫以及冰降溫存在的問題設計了相應的礦井移動式冰蓄冷空調。

2 礦井移動式冰蓄冷空調簡介

2.1 礦井移動式冰蓄冷空調結構

礦井移動式冰蓄冷空調的結構組成主要有：保溫蓄冷釋冷運冰礦車、礦用水泵和管道材料運輸礦車、噴淋式移動空調器、送風機和連接管道及附件等部分組成，如圖1所示。從圖1可以看出，礦井移動式冰蓄冷空調有風系統和冰水系統兩部分。風系統中，高溫高濕的含塵空氣進入空氣處理器后，經過過濾器進行初步除塵，在一級噴排和二級噴排處進行冰水霧化噴淋，達到降溫和進一步除塵的目的。由于設備的氣流流速很快，經過霧化噴淋后的空氣必然會嚴重帶水，因此在出口處設有擋水板，而出口處設置的送風機，不僅為低溫風流送入工作面降溫提供了動力，且風機自身的離心作用，對帶水的空氣有一定的脫水作用。水系統中，儲冰箱四周均采取了保溫措施，儲冰箱主要為空氣處理器提供冷源，即儲冰箱內低溫冷水通過噴水泵進入空氣處理器的一、二級噴排以低溫水霧的形式噴出，與高溫高濕的含塵空氣進行熱濕交換，熱交換后又通過回水泵返回儲冰箱。

工藝流程：制冷站制取（或購買商品冰塊）片冰或拳頭塊狀冰裝于儲冰箱內，通過礦上運輸系統用平板車將儲冰箱運至軌道順巷的發電站進風前端，與空調泵車管道相連，回水經冰融化降溫后通過供水水泵加壓后輸送至空調器，熱交換后溫度升高的回水回至保溫箱循環使用，多余的水經管道輸送至工作面高效霧化噴嘴，經噴嘴霧化噴入局部巷道斷面對空氣降溫除濕；進風巷道部分熱濕空氣經風扇加壓用柔性風筒送至空調器降溫，然后冷空氣流至工作面，實現降溫工作，為工作面提供良好的工作熱濕環境。

2.2 礦井移動式冰蓄冷空調熱工計算

由理論公式計算空冷器冷量通常在空氣調節的實際應用并不普遍。在實際設計中，由焓濕圖直接獲得的空氣處理過程得到冷量，所以通過在焓濕圖中，畫出實際的空氣處理過程線，就可以很容易的確定出最終混合空氣的各項參數。

如圖2所示，O點為巷道空氣狀態點，X為通過空冷器處理后的空氣狀態點，而C則是最終得到的處理后的混合空氣點。

2.3 礦井移動式冰蓄冷空調熱工性能分析

為了說明噴淋室里發生的實際過程與水量有限，但接觸時間足夠充分的理想過程接近的程度，在噴淋室的熱工計算中，是把實際過程與理想過程進行比較，并用熱交換效率表示，熱交換效率是評價噴淋室熱工性能的指標。

對于各種減焓過程，空氣的狀態變化和水溫的變化圖3冷卻干燥過程中空氣與水的狀態變化所示。在空氣與水接觸時，如果熱、濕交換充分，則具有狀態1的空氣最終可變到狀態3；但是由于實際過程中熱、濕交換不夠充分，空氣的終狀態只能達到狀態2，進入噴淋室的水的初溫為tw1，因為水量有限，與空氣接觸之后水溫將升高，在理想條件下，水的終溫也應達到t3，實際過程中水的終溫只能達到tw2。

由此可見，當ts2=tw2時，即空氣終溫與水的終溫相同時，η1=1，ts2與tw2的差值愈大，說明熱、濕交換愈不完善，因而η1愈小。影響噴淋室熱交換效果的因素很多，諸如空氣的質量流速，噴嘴類型及布置密度、噴嘴孔徑與噴嘴前水壓，空氣與水的接觸時間，空氣與水滴的運動方向以及空氣與水的初、終參數等。但是，對一定的空氣處理過程而言，主要的影響因素可以歸納為空氣質量流速的影響、噴水系數的影響以及噴淋室結構特性的影響。國內大部分噴淋降溫的研究都是關于空氣質量流速與噴水系數的影響，而對于噴淋室結構特性影響的實驗研究較少。噴淋室的結構特性主要是指噴頭組合方式、噴淋方向、噴嘴排數、噴嘴型式、噴嘴密度、噴嘴孔徑等，它們對噴淋室的熱交換效果均有影響。

3 礦井移動式冰蓄冷空調的特點

3.1 該系統形式具有較強靈活性、高效、節能等特點

系統的各個部分均設置在礦車上，布置于軌道順巷的發電站進風前端，處理后的空氣可直接送出，也可以利用風筒越過泵站和變電站送至工作面。由此可以使設備盡量貼近工作面，一方面空調器入口空氣溫度相對較低，出口空氣直接有效進入工作面，避免了軌道順巷大量散熱而導致空調器的處理負荷較大，減小空調器的處理負荷也，避免變電站等熱源對冷空氣的再次熱污染，提高了降溫效果。同時，系統的各個設備可隨礦車移動，當工作面推進時，降溫設備可隨之后退，避免整個巷道降溫的設備反復拆裝工序，便于維護和管理。

3.2 該系統具有設備體積小、熱濕交換效率高等特點

該系統采用分段組裝式，便于在巷道靈活布置，并且冷源使用可以靈活匹配；空調器采用高效霧化噴頭和高效擋水均風等措施，熱濕交換效率高，冷損失小，在一定負荷下減小設備體積，提高了處理效果；空調器采用雙級串聯處理，有利于提高噴水終溫，提高冷量利用率；保溫車冰蓄冷技術手段有利于減小冷損失，提高冷量的利用效率等優點。

3.3 初投資小，可重復使用，負荷可調節

設備體積小，可重復使用性高，采用蓄冷釋冷保溫箱體輸運冰塊時，井上下沒有復雜的管路系統和散熱設備，減少了初投資；空調器可以通過控制噴水量空氣處理負荷，因此可以進行負荷調節。

3.4 降溫負荷小，有利于提高降溫效果

由于設備直接布置于變電站前端，處理后的空氣送至工作面或附近區域，空調器處理可以負荷只負責工作面進風隅角之后部分，所以機組負擔的冷負荷相對較小，冷空氣利用更有效，具有一定提高降溫效果的能力。

4 結束語

礦井移動式冰蓄冷空調運用于高溫深井，不僅降低了高溫井下空氣的溫度，而且由于低溫水重復利用于采掘設備的噴淋，也達到了除塵的目的。

該設備的外形精巧，結構緊湊，能靈活移動，安裝方便，切實滿足了礦井下復雜的環境要求，達到了高效節能的效果。該空調不同于常見的空調，是結合井下復雜多變的采掘工作面的實際情況，不僅可以解決井下高溫問題，而且低溫水可以重復利用于采掘設備的除塵，同時達到降溫和除塵的雙重目的。此外，該設備耗資少，能效高、結構緊湊，靈活性和適用性很強，與軌道礦車相銜接，實現了方便移動，方便操作使用，有效地滿足了礦井采掘工作面情況多變的降溫要求，達到了能量的高效利用。

由此看出，礦井移動式冰蓄冷空調有效解決了礦井熱害，以及當前冰冷卻降溫系統存在的諸多問題，因此，礦井越深礦井移動式冰蓄冷空調的優勢將越來越明顯，礦井移動式冰蓄冷空調為礦井降溫提供了新的研究方向。

參考文獻

[1]黃穎華，沈斐敏.高溫礦井降溫技術研究動態[J].能源與環境，2010，4：30-31.

[2]張利，陳松，于峰.幾種礦井降溫技術的比較[J].山東煤炭科技，2009，3：152-153.

[3]毛淑麗.冰輸冷降溫系統原理及設計計算研究[D].山東：山東科技大學，2007.

[4]李慧娟.礦井降溫中的空氣調節技術[J].暖通空調，1994，6.

[5]李小群，周鐵軍.高溫礦井采掘工作面的合理布局[J].山西礦業學院學報，1997，9.

作者簡介：張琳邡（1986-），籍貫：山西太原，工作單位：安徽理工大學，學歷：碩士研究生，研究方向：建筑環境與能源應用工程。