相變材料在避難硐室降溫技術中的研究應用

郭正達，高威華，石 波

(山西西山煤電股份有限公司 鎮城底礦， 山西 太原 030203)

避難硐室是具有緊急避險功能的煤礦井下專用巷道硐室，礦難發生時為無法及時撤離的遇險人員提供96 h以上的生命保障[1]. 在避難硐室有限的密閉空間中，溫度將緩慢持續上升且難以排除，超過35 ℃將嚴重威脅避險人員的生命安全，因此避難硐室必須進行降溫制冷。目前，用于避難硐室的降溫方式主要有蓄冰制冷、液態二氧化碳氣化制冷[2]，但從實際應用情況分析，蓄冰制冷功耗大，壓縮機在井下潮濕環境易損壞，維護量大；液態二氧化碳氣化制冷需要大量的二氧化碳氣瓶儲存制冷劑，二次充填困難，并且二氧化碳氣瓶材料在井下易腐蝕，產生爆炸危險。基于避難硐室無源、免維護等要求，鎮城底礦以相變材料為制冷劑，利用相變材料貯熱特點，研制了相變材料制冷裝置，為避難硐室提供簡單、易操作、成本低的降溫裝備。

1 相變材料選擇

相變材料是一類隨溫度變化而改變物理性質并能提供潛熱的物質，相變材料轉變物理性質的過程稱為相變過程，超過臨界溫度吸熱制冷、低于臨界溫度放熱蓄冷，該過程吸收或釋放大量的潛熱。利用相變材料的“固-液”相變過程進行熱量儲存及傳輸的技術叫做相變蓄熱技術[3].

相變材料可分為有機相變材料和無機相變材料兩大類。有機相變材料如石蠟、醋酸等，存在導熱系數低、性能不穩定、價格昂貴等缺點[4]. 無機相變材料主要有無機鹽結晶水合鹽類，具有導熱系數高、溶解熱較大、價格低、原料豐富、不易燃等優點。因此，選用無機物相變材料較為合適，相變類型為固-液相變類型。基于避難硐室密閉空間特點，選擇用于避難硐室降溫系統的無機相變材料還應滿足幾點基本原則：1) 確定相變材料應用的環境。2) 選擇適用的溫度材料。3) 相變儲熱換熱結構。4) 高儲熱、潛熱大和高導熱系數。5) 密度高、體積小。6) 無過冷度或過冷度小、無嚴重相分離現象[5]. 7) 經濟安全，無毒、穩定性高、來源廣泛，價格便宜。

依據《煤礦井下緊急避險系統建設管理暫行規定》的要求，在額定防護時間內，避難硐室內部環境溫度應小于35 ℃，因此相變材料的熔點應小于35 ℃，但避難硐室空間有限，相變材料潛熱釋放過程較緩慢，在抵消避難硐室圍巖散熱后，避難硐室內溫度上升很快，因此選擇的相變材料工作區間不應太窄，相變材料的熔點宜在24 ℃～29 ℃，且宜選取下限值。上海某公司制作的無機相變材料，其性能參數見表1.

表1 無機相變材料性能參數表

依據避難硐室降溫系統要求和選擇原則，選擇PCM-25相變材料作為避難硐室降溫系統制冷劑。

2 相變材料制冷裝置

2.1 避難硐室熱量計算

避險人員在避難硐室內，產生的熱量主要包括人體新陳代謝產生的熱量、對外做功熱量、凈化裝置散熱量之和。遇險人員在避難硐室內避難，活動形式屬于靜坐狀態，呼吸狀態屬于彌漫，風流速度可以忽略，因此人體對外做功熱量可以忽略不計，因此避難硐室總熱量QT為：

QT=Qp+QZ

(1)

式中：

Qp—人體代謝熱量，kJ；

QZ—凈化裝置散熱量，kJ.

依據美國《肯塔基州礦井安全建議》，在避難硐室密閉空間內，正常成年人的新陳代謝產生的熱量約為400 BTU/人·h，相當于正常成年人每人每天釋放10 133.76 kJ的熱量[6]. 按照100人避難硐室進行計算，人體代謝熱量QP為：

QP=10 133.76PDK

(2)

式中：

P—避險人數，人，取100；

D—天數，天，取4；

K—安全系數，1.2.

代入式(2)，則可得額定防護時間人體代謝熱量QP=4 864 204 kJ.

避難硐室內部環境要求在額定防護時間內二氧化碳濃度低于0.5%，人體新陳代謝產生的二氧化碳應進行凈化控制。在額定防護時間內，100人避難硐室產生的二氧化碳nCO2為：

nCO2=CCO2PDKρ/44

(3)

式中：

CCO2—每人每天需要凈化的二氧化碳量，L/D，取720；

ρ—二氧化碳密度，kg/m3，取1.98；

44—相對分子質量。

代入(3)式，可得額定防護時間產生二氧化碳nCO2=15 552 mol.

依據文獻[7]研究結論，堿石灰吸收1 mol二氧化碳，所放出熱量約為56.484 kJ，則可得凈化裝置散熱量：

QZ=15 552×56.484=878 439 kJ

因此，QT=QP+QZ=5 742 643 kJ

2.2 相變材料計算

相變材料需求量mT為：

mT=QT/QPCM

(4)

式中：

QPCM—相變材料溶解熱，kJ/kg，取243.3.

代入(4)式，可得100人避難硐室在防護時間內所需相變材料mT=23 603 kg.

2.3 相變制冷裝置結構

PCM-25相變材料為固-液相變，相變制冷裝置采用不銹鋼模塊化結構，箱體方形構造，結構輕薄，傳熱快。箱體整體焊接密封，上表面開口便于安裝相變材料，邊緣設置2個支，便于圍巖周邊貼壁安裝，具有裝飾效果。

相變制冷模塊高1 302 mm，寬992 mm，厚度102 mm，不銹鋼板材料厚度1 mm，則相變制冷模塊內腔容積為0.128 7 m3，可存儲相變材料質量為mPCM為：

mPCM=vρPCM=0.128 7×1 480=190.5 kg

考慮到相變材料的膨脹系數，一般每個模塊灌裝約為80%，則mPCM實際約為152.4 kg，整個避難硐室降溫需要相變制冷模塊數量為155個。相變制冷模塊見圖1.

圖1 相變制冷模塊圖

3 相變制冷模塊安裝方法

1) 將相變制冷模塊運至事先準備好的硐室。

2) 根據避難硐室設備安裝施工圖，將相變模塊定位支撐安裝牢固。

3) 依次將相變模塊安裝于定位支撐中。

4) 相變模塊內充填相變制冷材料至模塊高度4/5位置。

5) 扣上模塊保護蓋。

6) 連接風冷/水冷軟管，依次將相變模塊換熱器聯通，構成換熱系統。

4 結 論

1) 相變材料用于避難硐室溫度控制優勢明顯，但由于相變降溫屬于被動式降溫，控溫滯后，而且已有應用案例忽略了壓風制冷以及圍巖散熱因素，變相增加了相變材料應用成本，建議后續進一步研究風冷和圍巖散熱對避難硐室密閉空間溫度影響，降低避難硐室建設成本。

2) 相變降溫材料可以通過改變材料物理性質進行物理變化制冷，具有結構簡單、免維護、可重復利用、經濟安全等特點。

3) 相變降溫材料應用后，特別是在災變情況下，降低了對動力電源的依賴，消除了電動力源，避免了用電設備失爆的可能，提高了安全可靠性。