矿井移动式冰蓄冷空调的应用研究

张琳邡　纪河

摘 要：文章针对当前矿井热害日益严重，以及冰冷却降温系统存在的问题，提出了矿井移动式冰蓄冷空调，并从其结构、热工计算及性能三个方面对矿井移动式冰蓄冷空调进行了简要的分析，在此基础上对矿井移动式冰蓄冷空调的特点进行了汇总，最后指出矿井移动式冰蓄冷空调的研究对热害治理具有很重要的意义。

关键词：矿井降温；冰冷却；移动式

1 概述

随着社会的发展，煤炭资源需求量日益增加，进而使得矿井开采深度增加，机械化程度也不断的提高，而由此产生的矿井高温高湿的热害问题变得越来越严重。如何有效解决矿井高温问题已迫在眉睫。目前，避开局部热源、加强通风、预冷进风风流等优化通风系统的方法在我国矿井热害治理中应用较为成熟，对隔绝高温围岩、个体防护和水冷却技术的研究也有很大进展，而冰冷却技术在矿井降温中应用还处在起步阶段，但作为一种新型矿井降温技术，由于其所具有的独特优势在我国深井热害治理将有着良好的应用前景。

冰冷却技术是近年受到重视的矿井降温方法，目前在我国多个煤矿采用了地面集中式的冰冷却的降温方案，其具有制冷量大、冷凝热排放方便，输冷管道较小，设备安装、维护管理方便、运行费用低等优点，但其也存在着供冷管道长，系统冷量损耗大，需在井筒中安装大直径的输冷管道及对管道进行保温处理，井筒中输冰管路存在着堵塞二次结冰可能等缺点。文章就针对矿井高温以及冰降溫存在的问题设计了相应的矿井移动式冰蓄冷空调。

2 矿井移动式冰蓄冷空调简介

2.1 矿井移动式冰蓄冷空调结构

矿井移动式冰蓄冷空调的结构组成主要有：保温蓄冷释冷运冰矿车、矿用水泵和管道材料运输矿车、喷淋式移动空调器、送风机和连接管道及附件等部分组成，如图1所示。从图1可以看出，矿井移动式冰蓄冷空调有风系统和冰水系统两部分。风系统中，高温高湿的含尘空气进入空气处理器后，经过过滤器进行初步除尘，在一级喷排和二级喷排处进行冰水雾化喷淋，达到降温和进一步除尘的目的。由于设备的气流流速很快，经过雾化喷淋后的空气必然会严重带水，因此在出口处设有挡水板，而出口处设置的送风机，不仅为低温风流送入工作面降温提供了动力，且风机自身的离心作用，对带水的空气有一定的脱水作用。水系统中，储冰箱四周均采取了保温措施，储冰箱主要为空气处理器提供冷源，即储冰箱内低温冷水通过喷水泵进入空气处理器的一、二级喷排以低温水雾的形式喷出，与高温高湿的含尘空气进行热湿交换，热交换后又通过回水泵返回储冰箱。

工艺流程：制冷站制取（或购买商品冰块）片冰或拳头块状冰装于储冰箱内，通过矿上运输系统用平板车将储冰箱运至轨道顺巷的发电站进风前端，与空调泵车管道相连，回水经冰融化降温后通过供水水泵加压后输送至空调器，热交换后温度升高的回水回至保温箱循环使用，多余的水经管道输送至工作面高效雾化喷嘴，经喷嘴雾化喷入局部巷道断面对空气降温除湿；进风巷道部分热湿空气经风扇加压用柔性风筒送至空调器降温，然后冷空气流至工作面，实现降温工作，为工作面提供良好的工作热湿环境。

2.2 矿井移动式冰蓄冷空调热工计算

由理论公式计算空冷器冷量通常在空气调节的实际应用并不普遍。在实际设计中，由焓湿图直接获得的空气处理过程得到冷量，所以通过在焓湿图中，画出实际的空气处理过程线，就可以很容易的确定出最终混合空气的各项参数。

如图2所示，O点为巷道空气状态点，X为通过空冷器处理后的空气状态点，而C则是最终得到的处理后的混合空气点。

2.3 矿井移动式冰蓄冷空调热工性能分析

为了说明喷淋室里发生的实际过程与水量有限，但接触时间足够充分的理想过程接近的程度，在喷淋室的热工计算中，是把实际过程与理想过程进行比较，并用热交换效率表示，热交换效率是评价喷淋室热工性能的指标。

对于各种减焓过程，空气的状态变化和水温的变化图3冷却干燥过程中空气与水的状态变化所示。在空气与水接触时，如果热、湿交换充分，则具有状态1的空气最终可变到状态3；但是由于实际过程中热、湿交换不够充分，空气的终状态只能达到状态2，进入喷淋室的水的初温为tw1，因为水量有限，与空气接触之后水温将升高，在理想条件下，水的终温也应达到t3，实际过程中水的终温只能达到tw2。

由此可见，当ts2=tw2时，即空气终温与水的终温相同时，η1=1，ts2与tw2的差值愈大，说明热、湿交换愈不完善，因而η1愈小。影响喷淋室热交换效果的因素很多，诸如空气的质量流速，喷嘴类型及布置密度、喷嘴孔径与喷嘴前水压，空气与水的接触时间，空气与水滴的运动方向以及空气与水的初、终参数等。但是，对一定的空气处理过程而言，主要的影响因素可以归纳为空气质量流速的影响、喷水系数的影响以及喷淋室结构特性的影响。国内大部分喷淋降温的研究都是关于空气质量流速与喷水系数的影响，而对于喷淋室结构特性影响的实验研究较少。喷淋室的结构特性主要是指喷头组合方式、喷淋方向、喷嘴排数、喷嘴型式、喷嘴密度、喷嘴孔径等，它们对喷淋室的热交换效果均有影响。

3 矿井移动式冰蓄冷空调的特点

3.1 该系统形式具有较强灵活性、高效、节能等特点

系统的各个部分均设置在矿车上，布置于轨道顺巷的发电站进风前端，处理后的空气可直接送出，也可以利用风筒越过泵站和变电站送至工作面。由此可以使设备尽量贴近工作面，一方面空调器入口空气温度相对较低，出口空气直接有效进入工作面，避免了轨道顺巷大量散热而导致空调器的处理负荷较大，减小空调器的处理负荷也，避免变电站等热源对冷空气的再次热污染，提高了降温效果。同时，系统的各个设备可随矿车移动，当工作面推进时，降温设备可随之后退，避免整个巷道降温的设备反复拆装工序，便于维护和管理。

3.2 该系统具有设备体积小、热湿交换效率高等特点

该系统采用分段组装式，便于在巷道灵活布置，并且冷源使用可以灵活匹配；空调器采用高效雾化喷头和高效挡水均风等措施，热湿交换效率高，冷损失小，在一定负荷下减小设备体积，提高了处理效果；空调器采用双级串联处理，有利于提高喷水终温，提高冷量利用率；保温车冰蓄冷技术手段有利于减小冷损失，提高冷量的利用效率等优点。

3.3 初投资小，可重复使用，负荷可调节

设备体积小，可重复使用性高，采用蓄冷释冷保温箱体输运冰块时，井上下没有复杂的管路系统和散热设备，减少了初投资；空调器可以通过控制喷水量空气处理负荷，因此可以进行负荷调节。

3.4 降温负荷小，有利于提高降温效果

由于设备直接布置于变电站前端，处理后的空气送至工作面或附近区域，空调器处理可以负荷只负责工作面进风隅角之后部分，所以机组负担的冷负荷相对较小，冷空气利用更有效，具有一定提高降温效果的能力。

4 结束语

矿井移动式冰蓄冷空调运用于高温深井，不仅降低了高温井下空气的温度，而且由于低温水重复利用于采掘设备的喷淋，也达到了除尘的目的。

该设备的外形精巧，结构紧凑，能灵活移动，安装方便，切实满足了矿井下复杂的环境要求，达到了高效节能的效果。该空调不同于常见的空调，是结合井下复杂多变的采掘工作面的实际情况，不仅可以解决井下高温问题，而且低温水可以重复利用于采掘设备的除尘，同时达到降温和除尘的双重目的。此外，该设备耗资少，能效高、结构紧凑，灵活性和适用性很强，与轨道矿车相衔接，实现了方便移动，方便操作使用，有效地满足了矿井采掘工作面情况多变的降温要求，达到了能量的高效利用。

由此看出，矿井移动式冰蓄冷空调有效解决了矿井热害，以及当前冰冷却降温系统存在的诸多问题，因此，矿井越深矿井移动式冰蓄冷空调的优势将越来越明显，矿井移动式冰蓄冷空调为矿井降温提供了新的研究方向。

参考文献

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作者简介：张琳邡（1986-），籍贯：山西太原，工作单位：安徽理工大学，学历：硕士研究生，研究方向：建筑环境与能源应用工程。