渦流管制冷技術在井下高溫崗點的應用

王龍江 趙仁寶

（山東能源臨礦集團郭屯煤礦，山東 鄆城 274700）

1 引言

受開采深度、天氣環境、煤層氧化、巷道涌水、機械散熱等多種因素影響，郭屯煤礦井下采掘工作面環境溫度較高，采用機械制冷降溫的方式無法滿足正常生產的降溫需求，尤其是采區回風巷道、各崗點硐室最高環境溫度可達30℃，崗點高溫已嚴重影響著作業人員的身體健康及工作效率。為改善井下硐室及采掘局部地點的高溫環境，通過廣泛調研目前礦井的各種制冷方式利用渦流管制冷原理，接入井下壓風管路，加工制作“空調屋”，達到給井下高溫崗點作業人員降溫、消暑的目的。

2 渦流管制冷原理

井下的空氣通過渦流管的壓縮進而進行一定程度的冷卻處理進入到噴嘴內，空氣在噴嘴中會發生膨脹，同時空氣的速度也會提高至音速，空氣進入渦流室的方向大致為切線，這樣就產生自由渦流。由于自由渦流旋轉角速度的不同，分布規律通常為越靠近中心的角速度越大，由此在自由渦流每相鄰兩層進行摩擦，通過能量的傳遞將中心部分的能量傳遞給外層。通過反復循環，渦流管中心的氣流逐漸能量降低，溫度相應的也會下降。制冷氣流通過渦流管從渦旋室左端排出，同時渦流管邊緣的氣體能量會提高，溫度會相應的上升，熱氣流會從渦旋室右側排出，可以通過控制閥，調節冷熱兩股氣流的流量和溫度。如圖1 所示。

圖1 渦流管制冷原理圖

利用購置渦流管，加裝消音器、供風閥門、排氣閥門，組合成為降溫制冷裝置。利用薄鋼板焊接制作簡易“空調屋”，“空調屋”部分區域采用亞克力透明塑料板替代鋼板作為窗口。將渦流管主體（進風及排氣端）安裝在“空調屋”外壁，懸掛處開一圓孔。將渦流管冷氣出口接入屋內，達到降溫制冷效果，可供高溫崗點人員休息、避暑。

渦流管制冷性能評價的主要參數：

（1）渦流管制冷溫度效應

式中：

Ti-渦流管入口氣體溫度，K；

Tc-冷氣流出口溫度，K。

（2）渦流管的冷流率

式中：

Gc-冷氣流出口流量，kg/s；

Gi-渦流管入口氣體流量，kg/s。

（3）渦流管的總制冷量

式中：

Cp-定壓比熱，kJ/（kg.K）。

（4）單位入口氣體流量的制冷量

（5）渦流管制冷效率

式中：

R-氣體常數，J/（kmol.K）；

Pi-渦流管入口氣體壓力，MPa；

Pc-冷氣流出口壓力，MPa。

3 渦流管制冷應用

以郭屯煤礦采區變電所為例，對其進行近2 個月的熱力參數觀測，觀測結果見表1。

表1 郭屯煤礦采區變電所溫度觀測結果表

由表1 可以看出：（1）采區變電所內溫度在32℃以上，最高時能達到35.8℃。（2）采區變電所內部的溫度會隨著進風流溫度變化而變化，大致趨勢為進風溫度越高，變電所內的溫度越高。（3）采區變電所的進風風流溫度密切影響著變電所內的空氣溫度，同時與變電所配風量有一定關系。（4）隨著變電所供風量的不斷提高，采區變電所內溫度呈現出逐漸下降的趨勢。變電所的進風量在156～178m3/min 范圍內浮動，變電所內空氣的溫度隨著供風溫度的變化而變化，大致范圍在5.2～9.1℃之間。

用普通鋼板焊接成2.5m×1.5m、高度為2m 的封閉“空調屋”，并預留出氣孔，將改裝后的渦流管懸掛在“空調屋”側壁，冷氣端置于房間內部，熱氣出口置于房間外部，將熱氣流通過管路導入水溝內。空調屋設計圖如圖2 所示。

圖2 空調屋設計圖

該項目初次在四采區煤倉上口皮帶機頭硐室推行試用，取得了良好效果。四采區煤倉上口因通風條件差，加之生產過程中設備散熱等因素，該地點生產過程最高溫度達到33℃，對作業人員的人身安全及工作效率造成較大影響。安裝渦流管降溫裝置后，現場實測硐室環境溫度為30℃，房間內溫度為28℃，降溫效果明顯。

4 結論

煤礦井下有一些特殊作業場所（皮帶機頭硐室、泵房等），由于其工作場所內設備運行時產生大量的熱量，不易通過通風排出，通過利用渦流管制冷的技術對此類地點進行降溫。渦流管制冷技術避免了機械制冷的缺點，成本投入少，現場使用條件滿足，經濟性強。該降溫裝置效果明顯，大大改善了高溫崗點作業人員的工作環境，可在井下所有高溫崗點區域推廣使用，不僅能消除高溫環境作業人員的中暑隱患，還可提高作業人員的工作效率，對礦井安全生產具有重要的現實意義。