一种应用在井下局部工作面的新型降温系统_张延松.pdf

一种应用在井下局部工作面的新型降温系统 张延松 1， 2 胡凯 1， 2 孟祥豹 1， 2 解庆鑫 1， 2 （1. 山东科技大学矿业与安全工程学院， 山东 青岛266590； 2. 矿山灾害预防控制国家重点实验室培育基地， 山东 青岛266590） 摘要介绍了一种新型局部降温机在高温工作面的应用， 重点是对更加适合井下局部工作面的新型局部降 温机进行说明， 并对该局部降温机进行热工计算， 计算制冷机组的冷负荷及相关的性能参数。通过试验证明该套降 温机能够较好地应用在局部工作面， 相对于以前运用在局部环境的降温设备， 采用液态CO2作为冷却介质， 并形成 了一个可循环的系统， 改进了换热器的结构， 尽可能在提高降温效果的同时节约了成本。提出的新型局部降温机旨 在解决局部高温工作面的高温问题， 使这套降温设备能应用在高温环境的矿井中。 关键词高温矿井局部降温机热工计算液态CO2循环利用 中图分类号TD727文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-189-05 DOI10.19614/ki.jsks.201904035 A New Type of Cooling System Applied to the Underground Working Face Zhang Yansong1， 2Hu Kai1， 2Meng Xiangbao1， 2Xie Qingxin1， 22 （1. School of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China ； 2. State Key Laboratory Breeding Base of Mine Hazard Prevention and Control， Qingdao 266590， China） Abstract The application of a new type of local cooling machine in high temperature working face was introduced， that emphasizes on description of a new type of local cooling machine which is more suitable for underground local working face， and the thermal calculation of the local cooling machine was carried out to find out the cooling load of the refrigeration unit and its related perance parameters. Experiments show that this cooling machine can be better used in local working face. Being different from the previous cooling equipment used in local environment， liquid CO2is used as cooling medium to a circulating system in the cooling machine，which modifies the structure of heat exchanger，improves the cooling effect and saves the costs as much as possible. The new type of local cooling machine aims to solve the high temperature problem at lo- cal high temperature working face， so as to apply it in the mines with high temperature environment. KeywordsHigh-temperature mine， Local cooling machine， Thermal calculation， Liquid carbon dioxide， Recycling 收稿日期2019-02-02 作者简介张延松 （1964） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 随着矿产资源的不断开挖， 我国矿井正逐步由 浅部矿层向深部矿层开采。矿井热害问题越来越明 显。我国目前的治理矿井热害的措施分为2种类型， 一种是非机械制冷措施， 一种是机械制冷技术。前 者主要是优化通风方式、 增加风量来增加风流带出 围岩放热量的能力， 减少风流升温幅度； 而机械制冷 技术主要是利用空调技术， 比如现在的水冷却、 冰冷 却， 或者利用冷却水雾化通过风机吹入工作面后进 行降温 ［1-3］。随着高温矿井的增多， 矿井机械制冷技 术也在逐步发展， 而矿用空冷器是矿井机械制冷技 术中的关键， 空冷器的降温效果直接影响了矿井热 环境的好坏。矿用空冷器主要分为直接接触式空冷 器和表面式空冷器， 由于表面式空冷器的表面容易 积尘影响降温效果， 所以这方面的研究比较少 ［4-6］。 研究表明矿用直接接触式空冷器是利用风流与 冷冻水直接接触， 这种系统比较复杂， 需要大的断面 面积， 应用到热害问题严重的工作面比较困难。而 矿用表面式空冷器是利用风流流经管壁与管内的冷 却水进行换热， 以达到降温的效果， 但是这种空冷器 表面容易形成污垢影响换热效果， 因此需要一种新 的换热效率高、 能耗低的新型降温设备 ［7-10］。 本研究对现有的表面式空冷器做出了一些改 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 189 ChaoXing 进， 设计出了一种新型的降温设备， 这种新型局部降 温机将原有的冷却介质冷却水替换成换热效果更好 的液态CO2， 采用的液态CO2本身无污染， 无毒， 一般 情况下不具有危险性， 并且本新型局部降温机中的 液态CO2可以进行循环利用， 大大减小了降温成本。 相对于传统的空冷器也做出了一些结构上的改变， 圆柱形结构减少了煤尘的积聚， 减少了污垢带来的 影响。 1新型局部降温机的原理 新型局部降温机包括以液态CO2为冷却液的空 冷器、 风机、 风筒、 液态CO2储存罐、 冷凝器、 气体压缩 泵、 气态CO2脱水罐和气态CO2集气罐， 在表面式空冷 器的底部设有液态CO2供给管和回收管。新型局部 降温机结构图如图1、 图2所示。 如图1所示 在该局部降温机系统中， 新型空冷 器的一端与液态CO2储存罐之间设置有节流阀， 新型 空冷器的另一端与气态CO2集气罐之间的管路上设 置有流量计， 控制单元 （如单片机） 连接节流阀和流 量计。节流阀控制着整个系统的反应速度， 由节流 阀控制液态CO2的流出速度， 倘若节流阀的开度过 大， 液态CO2流速过大， 汽化以后生成过量的CO2气 体， 体积膨胀过快可能会导致管路爆裂， 所以不能太 快； 倘若节流的开度过小， 液态CO2流速过小， 则会影 响降温效果。因此， 通过控制单元根据流量计反馈 的气态CO2的流量， 自动控制节流阀的开度。 如图2所示 本新型降温设备的空冷器不同于传 统的空冷器， 传统的表面式空冷器多为肋管式空冷 器， 表面容易积聚煤尘， 降低传热效率， 新型空冷器 改变了传统的结构， 整体呈现出一个圆柱形结构， 进 液管、 出液管为圆环型， 这种结构煤尘不容易积聚， 提高了传热效率， 减少了清洗的麻烦。 该局部降温机工作过程如下 先往气态CO2集气 罐中充入足够的纯净的气态CO2， 通过气态CO2集气 罐上的控制阀来调节输出的气态CO2的流量。输出 的气态CO2通过气态CO2脱水罐进行脱水干燥处理， 以避免CO2在液化时水结冰堵塞管路， 要满足CO2产 品水分≤2010-6的质量标准。纯CO2只要保持压力 为2.3 MPa、 温度为-19 ℃就能液化， 通过气体压缩泵 将气态CO2进行加压处理， 为了避免CO2气体不够纯， 故而将CO2经过二级加压至3 MPa， 气体压缩泵上有 安全阀和压力表， 以随时控制CO2的压力。加压后的 CO2通过冷凝器， 与冷凝器中的冷却介质氟利昂进行 热交换， 使其温度降低至-19 ℃， 液化成低温的液态 CO2， 并将低温的液态CO2输送到液态CO2储存罐中， 最后通过节流阀控制通过管路进入到新型空冷器 中。流经空冷器的风流温度降低， 从风筒吹出进入 工作面以降低工作面温度。汽化的CO2再经管路进 入气态CO2集气罐， 回收循环利用。 2新型局部降温机的热工性能参数确定 某煤矿已知条件 进入空冷器前的进风流温度 为30 ℃， 相对湿度为90； 工作面初始环境温度最高 达到32 ℃， 相对湿度为100； 根据 煤矿安全规程 规定生产矿井采掘工作面温度不得超过26 ℃ ［11］， 并 将湿度控制在70以下。工作面风量为300 m3/min， 风流密度取1.25 kg/m3， 风筒直径为60 cm。 2. 1确定制冷机组的冷负荷 为了达到降温要求并确定新型局部降温机的相 关参数， 必须得到制冷机组的冷负荷。制冷机组冷 负荷包括3个部分 一方面是工作面冷负荷大小； 另 一方面是冷量损失的冷负荷； 另外还有进入空冷器 的高温风流携带的热量。 2. 1. 1掘进工作面冷负荷 对于掘进工作面的冷负荷计算可以运用热源分 析法， 利用各个热源的计算公式得到掘进工作面的 冷负荷， 掘进工作面的热源主要包括围岩散热、 机电 设备放热、 氧化放热、 人员放热。通过热量计算公式 得到各自热量如表1所示， 得到掘进工作面总冷负荷 Q208.15 kW。 金属矿山2019年第4期总第514期 190 ChaoXing 2. 1. 2进风流冷负荷 根据空气调节理论， 采掘工作面进风流冷负荷 等于采取降温措施之前进风流的总能量减去采掘工 作面设计要求维持的风流状态。用焓值公式表示为 Q1Gij-ik，（1） 式中， G为质量流速， kg/s；ij为进风时的焓值， kJ/s；ik 为达到降温要求的焓值， kJ/s。 通过焓湿图计算软件， 当进风流的温度从30℃ 降到规定的温度 26℃时， 相对湿度分别为 100、 90。经计算冷风流冷负荷Q169.54 kW。 2. 1. 3冷量损失冷负荷 将空冷器安装在进风顺槽， 距离工作面一定的 距离， 低温冷风流通过风筒送入工作面， 其冷量损失 主要包括风筒壁传热损失以及风筒漏风引起的冷量 损失。 （1） 通过风筒壁传热冷量损失 Qs1Ktf-thf2πRL/1 000，（2） 式中，K为风筒壁传热系数， W/ （m2 ℃） ；tf为巷道内的 风流温度， ℃；thf为风筒内冷风温度， ℃； R为风筒半 径， m； L为风筒长度， m。 （2） 风筒漏风引起冷量损失 Qs2Gs2if-ic，（3） 式中， Gs2为风筒沿途漏风量， kg/s；if巷道内风流状态 焓值， kJ/kg；ic为空冷器出口风流焓值， kJ/kg。 根据计算得到总的冷损失QsQs1Qs216.35 kW。 2. 2计算液态CO2管内沸腾换热系数 在液态CO2制冷系统中， 必须要知道CO2流动沸 腾换热系数， 管内沸腾是其主要的传热方式。管内 沸腾的影响因素包括管径、 质量流率、 热流密度、 饱 和温度、 干度等， 所以换热过程比较复杂， 通常采用 试验关联式进行计算。采用Gungor and Winterton关 联式， 水平管竖直管的对流沸腾， 计算液态CO2的沸 腾换热系数 ［12］。 hEh1Shpool，（4） E124 000BO 1.16 1.37Xtt -0.86， （5） h10.023■ ■ ■ ■ ■ ■ K1 D Re10.8Pr0.4，（6） S 11.1510-6E2Re11.17 -1， （7） hpool55Pr0.12-lgPm -0.55M-0.5q0.67， （8） 式中， h为液态CO2沸腾换热系数， W/ （m2 ℃） ；E为强 迫对流加强系数； h1为液相换热系数， W/ （m2 ℃） ； S 为强迫对流抑制系数； BO为沸腾数；Xtt为马丁奈里数； K1为管路的导热系数， W/ （m2 ℃） ；D为管路直径， m； Re1为液态雷诺数； Pr为普朗特数； Pm为折合压力； M为相对分子质量； q为热流密度。 查阅相关参数， 得到最终的液态CO2沸腾系数h 5 500 W/ （m2 ℃） 。 运用REFPROP软件获得不同温度下液态CO2的 汽化潜热、 密度以及CO2的定压比热， 得到各种参数 如表2。 2. 3换热器的设计 已知CO2沸腾系数h5 500 W/ （m2 ℃） 、 换热量 Q294.04 kW、 温度差Δt4 ℃， 根据换热量计算公式 QhΔtA，（9） 得到换热面积A11.72 ㎡。根据换热面积计算公式 A2πrLn，（10） 可以知道A与冷却管的半径r、 数量n以及管长L之间 的关系。 当r3 cm， n8时， 冷凝管L取10 m。即可满足 工作面需冷量的要求， 从而达到规定要求的温度， 选 取不锈钢304l作为管道的材料， 液态CO2质量流量 为1 031.3 kg/h， 工作面的风量为300 m3/min， 所以风 机选择FBDN05.6/211 kW， 风量为200～340 m3/min， 布置在水平轨道巷。选用SUPCC-XT 0-960 L/min型 液态CO2压注泵， 各参数如图3。 张延松等 一种应用在井下局部工作面的新型降温系统2019年第4期 191 ChaoXing 3试验效果分析 已知某矿井的31203号工作面的围岩温度已经 达到35 ℃， 工作面空气温度达到了30～32 ℃， 相对湿 度最高可达到100， 这种高温高湿环境下作业， 不仅 影响了工作效率更是严重威胁到了工人们的身体健 康。在此工作面采用新型空冷器， 测量降温效果。 为了了解该套降温系统的降温效果， 在系统运 行稳定后， 我们在31203工作面按照一定距离布置测 点， 风机出口处为0 m， 换热器入口位置在70 m处， 80 m为换热器出口， 工作面为100 m， 出风侧设置有1 个点， 具体各点位置如图4所示。 分别在启动降温系统前测试了这5个点的温度， 在降温系统启动工作稳定后又对这5个测点进行测 量， 得到了降温前后的温度情况， 如表3所示， 降温 前后各点温度变化曲线见图5。 图5曲线显示， 在采取降温措施前， 沿着风流的 方向， 温度是逐渐升高的， 在初始位置由于局部通风 机、 围岩等放热， 导致温度有一个初步的上升。当采 用液态CO2进行热交换以后， 在换热器以前的位置温 度基本与降温前保持一致， 从换热器出来以后， 温度 从28.5 ℃降到22.3 ℃， 温度降低了6.2 ℃， 而工作面 的温度从30.6 ℃降低到25.6 ℃。这样保证了工作面 局部范围内的温度达到了标准规定的温度以内， 试 验证明该降温系统起到了良好的的降温效果。 4结语 矿井热害越来越成为煤矿生产亟待解决的灾害 问题， 要解决高温矿井热害问题， 应根据煤矿本身的 环境， 考虑热害产生的原因、 程度， 并采取相应的措 施， 针对不能自然降温的矿井要采取人工制冷降温 技术。人工制冷耗能大， 降温效果相对明显， 因此常 用在局部高温工作面。本项目提出了一种新型的空 冷器， 以液态CO2替代了传统的冷却水作为冷源， 改 进了换热器的结构， 并且设计了一种可循环系统， 尽 可能在提高降温效果的同时节约了成本。通过试验 证明该降温系统能有效地提高降温效果， 是一种值 得推广的新型空冷器。 参 考 文 献 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等.煤炭深部开采与极限开采深度的研 究与思考 ［J］ .煤炭学报， 2012， 37（4） 535-542. 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