新型输冷系统在某矿井空调中的应用研究

刘 靖 陈珊珊* 杜 争

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454003)

·水·暖·电·

新型输冷系统在某矿井空调中的应用研究

刘 靖 陈珊珊* 杜 争

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454003)

提出了一种新型的矿井空调用输冷系统，并将该输冷系统运用于某煤矿空调系统中，确定了井上制冷机组的蒸发温度及井下换热器内制冷剂的蒸发温度，同时计算出了气态和液态制冷剂管道的最优管径，为该系统的研究奠定了基础。

矿井空调，输冷系统，制冷剂，管径优化

0 引言

目前，我国煤矿开采深度大多在800 m以上且逐渐增加，矿内高温、高湿环境严重影响井下作业人员的身体健康和生产效率，最终将成为制约矿物开采深度的决定性因素，因此，必须利用矿井空调来实现井下降温除湿以消除井下热害。矿井空调的制冷设备可以布置于井下及地面。制冷设备如果放置于井下，需要开挖专门的大型设备硐室，同时要求制冷设备满足煤矿井下防爆标准、设备紧凑化及极高的可靠性，而关键问题是制冷机排热不畅，极大降低了制冷机的制冷系数(COP)。制冷设备布置于地面可选用普通制冷机，制冷系数高，减小制冷耗电量，运行管理及设备维修方便，但是由于制冷设备距离井下空调降温工作点远，给冷量输送带来了难度[1,2]。

制冷设备位于地面上的矿井空调冷量输送有冷风输送式、冷水输送式、冰输送式。冷风输送式由于风量及风管尺寸过大，安装不便及输送能耗偏高，因此不可取；冰输送式需要制冷机降低蒸发温度(低于-5 ℃)来制冰，这降低了制冷机的制冷系数(COP)，制冰、输冰系统设备复杂，碎冰在输送过程中易堵塞输冰管道；冷水输送式相比冷风输送可减小管道直径，但是冷水管道在深度达800 m以上的矿井立井筒内，水静压力过大，常规管道难以承受，且需要设置专门的高低压转换器或者高压换热器，此类设备主要依靠于国外进口，费用昂贵[3]。

因此，研究针对制冷设备布置于地面上的能够克服目前冷风、冷水、冰等冷量输送方式上述缺点的输冷系统及方法具有重要意义。

1 新型输冷系统

本文所研究的新型输冷系统包括液态制冷剂管道、气态制冷剂管道、井下换热器、地面制冷设备。地面制冷设备及冷水循环泵开启，液态制冷剂在井下换热器中吸收冷水的热量而蒸发变为气态，气态制冷剂在井上下蒸发压力差的作用下，通过气态制冷剂管道上升至地面制冷设备蒸发器内，由于制冷设备的制冷作用，气态制冷剂在此冷凝为液态制冷剂(制冷剂发生气—液相变，吸收冷量)，然后在重力作用下液态制冷剂携带冷量通过液态制冷剂管道输送至井下换热器，重新蒸发为气态制冷剂(制冷剂发生液—气相变，释放冷量)，以此制冷剂循环流动来实现冷量由地面制冷设备向井下换热器输送的目的。新型的矿井降温冷量输送系统见图1。

本系统工作时，管路系统充注一定量液态制冷剂，矿井空调的地面制冷设备及冷水循环泵开启，液态制冷剂在井下换热器吸收冷水的热量而蒸发变为气态，气态制冷剂在井下换热器内制冷剂蒸发压力作用下，通过气态制冷剂管道上升至地面制冷设备蒸发器内，由于制冷设备的制冷作用，气态制冷剂在此冷凝为液态制冷剂(制冷剂发生气—液相变，吸收冷量)，然后在重力作用下液态制冷剂携带冷量通过液态制冷剂管道输送至井下换热器，重新蒸发为气态制冷剂(制冷剂发生液—气相变，释放冷量)，以此制冷剂循环流动来实现冷量由地面制冷设备向井下换热器输送。

2 新型输冷系统在某煤矿空调中的应用

2.1 某煤矿空调系统概况

山东某煤矿井下已装备局部制冷降温系统，但是随着开采深度及井田长度不断加大，井下热害越来越严重，原有的局部制冷降温系统已不能满足井下降温之要求，故将以上所提出的新型矿井降温冷量输送系统用于此煤矿空调系统中，以治理其热害现象。

该煤矿的制冷量为2 000 kW，所设计的矿井空调系统流程如图2所示。

制冷系统：制冷机组放置于井上，拟采用蒸汽压缩式制冷循环系统，制冷剂为R717[4]，蒸发器及冷凝器均采用板式换热器，压缩机采用螺杆式，节流元件为细管，冷却水经由闭式换热器由矿井排水(矿井排水温度为25 ℃)来冷却。

输冷系统：本项目输冷系统为冷量由井上输送井下立井附近制冷硐室部分，制冷剂同样选择R717，采用基于热管原理的方式来输送。

2.2 制冷剂流量的确定

饱和氨液在井下换热器的蒸发温度为5 ℃，释放冷量后变为10 ℃左右的氨蒸汽，可视为等压过程，查“R717饱和液体与饱和气体物性表”得两个状态下的焓值，算出焓差，进而计算出制冷剂的质量流量，根据不同状态下的密度，可以计算出体积流量。

(1)

2.3 气态制冷剂管路管径的确定

考虑R717的腐蚀性及承压要求，此段管道可选钢管，采用橡塑或者聚氨酯发泡保温。气态制冷剂经由井下换热器出口至压缩机进口部分管路，流动的动力为换热器中R717在5 ℃时蒸汽压力为0.5MPa减去1 300m气态制冷剂垂直静压力及气态制冷剂流动阻力。

1 300m气态制冷剂垂直静压力为ρR气·g·h=0.905×9.8×1 300=0.012MPa；由制冷系统内的蒸发温度t1的不同，查表得相对应的绝对压力，则能分别算出允许消耗在1 300m气态制冷剂管路上的压降ΔP1，即等于管道的摩擦阻力Pml，由压降与管径的关系计算公式最后得出所需气态制冷剂管径D1。

摩擦阻力Pml的计算公式如下[5]：

(2)

从流体力学可知λ是管流雷诺数Re和管道相对粗糙度的函数。

(3)

其中，K为管道材料的绝对粗糙度，m；d为管道直径或当量直径，m。

假定气态制冷剂流动状态为紊流，对于工业管道，这个紊流区内λ值可以用柯氏公式计算：

(4)

可以得出气态制冷剂管道管径D1=250mm。在这里当管径为250mm时，验证气态制冷剂的流动状态为紊流。

2.4 液态制冷剂管路管径的确定

考虑R717的腐蚀性及承压要求，此段管道可选钢管，采用橡塑管或者聚氨酯发泡保温。饱和氨液从井上制冷机组中经过长达至少1 300m(井深)的液体制冷剂管道输送至井下换热器，因此可利用此段液体管路的阻力来克服液态制冷剂的垂直静压力。

1 300m液态制冷剂静压力为ρR液·g·h=595×9.8×1 300=7.6MPa，则液态制冷剂管道需要消耗压力也为7.6MPa，由压降与管径关系计算公式最后得出所需液态制冷剂管径。

单位长度液体管道摩擦阻力计算式[5,6]：

(5)

其中，λ为管道摩擦阻力系数；ρ为液体密度，kg/m3；G为管内流量，kg/h；d为管道内径，m。

假定液体制冷剂流动状态为阻力平方区，摩擦阻力系数可由式(6)计算：

(6)

计算出摩擦阻力系数，之后代入式(5)可算出所需的液态制冷剂的管径D2=31.3 mm。

在这里验证管径为31.1 mm时，液体制冷剂的流动状态为阻力平方区。

3 结语

本文将提出的新型输冷系统运用于某矿井空调系统中，根据蒸发压力差和制冷系数确定了地面制冷机组的蒸发温度为-1 ℃，进而计算出气态制冷剂管道的管径为250 mm，液态制冷剂管道管径为31.3 mm。本文对矿井空调系统的新型输冷方式做出了初步的探索，其实际输冷性能及工程设计方法尚需深入研究。

[1] 刘守斌.浅谈矿井高温原因及防治措施[J].山东煤炭科技，2010(2)：17-18.

[2] 王长元，张习军，姬建虎.论矿井热害治理技术[J].矿业安全与环保，2009，36(2)：89-92.

[3] 千永强，于洪海，李红阳.矿井空调特点及制冷降温装备的研制[A].全国第十五届矿井降温技术交流会[C].2005.

[4] 雷德胜，史 琳.制冷剂使用手册[M].北京：冶金工业出版社，2003：7-11.

[5] 付祥钊，王岳人.流体输配管网[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[6] 严华清.氨泵供液系统回汽管管径计算图[J].厦门水产学院学报，1991(1)：90-92.

The application research on new cooling transmission system in a mine air conditioning

LIU Jing CHEN Shan-shan* DU Zheng

(Civil Engineering College, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

This paper presented a new cooling transmission system for mine air conditioning, and applied the cooling transmission system to a coal mine air conditioning system, determined the evaporation temperature of upward wells refrigeration unit and underground heat ex-changer refrigerant, and calculated the optimal pipe diameter of gaseous and liquid refrigerant, laid foundation for the system research.

mine air conditioning, cooling transmission system, refrigerant, pipe diameter optimization

1009-6825(2014)36-0118-02

2014-10-20

刘 靖(1971- )，男，副教授； 杜 争(1988- )，女，在读硕士

陈珊珊(1989- )，女，在读硕士

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