矿井高效溶液降温除湿技术研究.pdf

论文题目 矿井高效溶液降温除湿技术研究 作者姓名直毅入学时间 专业名称塞全工程研究方向 指导教师苴徨俊职称 画脂撕王坚蠢职称 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 M I N EC o o L I N GA N DD E H U M I D I F I C A T I o NT H R o U G H E F F E C T I V ES o L U T I o N AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so f t h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L o S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y C a o Y i S u p e r v i s o r M i a oD e j u n S c h o o lo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 A F F I R M A T I o N 工程硕士生签名 日 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i H e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 随着矿井开采深度的增加以及当今世界采煤机械化程度的不断提高，高温热害问题 也愈来愈严重。高温高湿的井下环境严重影响了作业工人的效率以及他们的身心健康， 甚至可能导致一些矿井恶性事故的发生。然而现有矿井降温技术多注重于降低井下温度， 而忽略了对湿度的控制。因此，为进一步改善井下工作面的工作环境，解决随着矿井开 采深度增大而带来的热害问题，需对矿井降温除湿技术做进一步研究。 本文通过对矿井降温理论和现有降温技术分析的研究，结合井下的特点，提出了由 热泵驱动的矿井高效溶液降温除湿技术，并对降温除湿系统进行研究，确定了系统的工 艺流程。在此基础之上，根据溶液除湿剂的特性，从蒸汽压、腐蚀性以及经济型等方面 综合评定，确定了L i C l 为最佳的除湿溶液。同时设计了对除湿器性能研究的实验，分析 在不同入口工况条件下除湿器的除湿性能。 采用运用A N S Y S 软件建立了除湿器模型，在不同的进风速度、不同迸风温度以及 不同进风的相对湿度情况下，分别对除湿器的降温除湿效果进行模拟分析，研究了风流 温湿度的变化规律，得出了降温除湿技术有着较好的降温除湿效果的结论。 关键词热害矿井；降温除湿；除湿性能；A N S Y S 模拟 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t W i t ht h em i n i n gd e p t hb e i n gi n c r e a s e d ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dh e a td a m a g ee m e r g ei na n i n c r e a s i n gn u m b e ro fm i n e s ．H i g ht e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya c c o u n tf o rt h es e v e r eh a r mt o m i n e r sa n dt h r e a t e ns a f e t yi np r o d u c t i o n ．H o w e v e r , m o s to ft h em i n ec o o l i n gt e c h n o l o g i e s a v m l a b l ea r ef o c I l s e do nt h ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r ew h i l et h er e g u l a t i o no fh u m i d i t yi s n e g l e c t e d ．T h e r e f o r e ，f u r t h e rr e s e a r c ho nm i n ec o o l i n gt e c h n o l o g yi sr e q u i r e di no r d e rt o f u r t h e ri m p r o v et h ee f f e c to fc o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o ni nm i n e so fh i g ht e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ya sh e a td a m a g ea r i s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t h ． T h i sp a p e rp r e s e n t st h ec o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , s t u d i e st h ec o o l i n ga n d d e h u m i d i f i c a t i o ns y s t e ma n dc o n f i r m st h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so ft h es y s t e mt h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h em i n ec o o l i n gt h e o r ya n de x i s t i n gc o o l i n gt e c h n o l o g ya n d t h ec o m b i n a t i o nw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n n e l i n gw o r k i n gs u r f a c e ．I ts t u d i e st h ed e s i c c a n ts o l u t i o nf u r t h e r ． A c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so ft h ed e s i c c a n ts o l u t i o n ，t h eb e s td e s i c c a n ts o l u t i o ni sd e t e r m i n e d t h r o u g hac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no nv a p o rp r e s s u r e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n de c o n o m i c a l c o s t s ． I na d d i t i o n ，t h em o d e lt h a tm o n i t o r i n gt h ec h a n g eo fa i rc u r r e n t ，t e m p e r a t u r e ，a n d h u m i d i t yi s e s t a b l i s h e da n dt h ec h a n g e so ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fa i rc u r r e n t ， i n c l u d i n gt h ei n i t i a la i ra n dt h ea i rt r e a t e dw i t ha i rc o o l i n ga n dd e h u m i d i f y i n gt e c h n o l o g ya r e s i m u l a t e d ．I ti sc o n c l u d e di nt h i sp a p e rt h a tt h et e c h n o l o g yo fc o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o n w o r k sw e l lb yt h er e s u l t s ． K e yw o r d s M i n e sw i t hh e a td a m a g e ； p e r f o r m a n c e ；s i m u l a t i o no f A N S Y S c o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o n ；d e h u m i d i f i c a t i o n 2 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外矿井降温除湿研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 热湿环境对矿井生产的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 本课题的研究内容、方法及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 矿井热湿源类型及风流热湿交换研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 矿井工作面热源分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 矿井工作面湿源分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3 矿井风流热湿交换研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 矿井溶液降温除湿系统设计及除湿剂选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．1 溶液除湿原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 矿井溶液降温除湿系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 ．3 除湿剂的工作原理及选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 除湿器性能的实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．2 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．3 除湿器性能评价指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 实验数据及除湿器性能评价指标分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．5 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 除湿器降温除湿效果模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 除湿器降温除湿效果模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 6 主要结论与工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 山东科技大学硕士学位论文目录 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 6 ．3 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 2 山东科技人学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 B a c k g r o u n di n f o r m a t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．2R e s e a r c ho fm i n ed e h u m i d i f i c a t i o na n dc o o l i n gt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1 ．3I n f l u e n c e so ft h eh y d r o t h e r m a le n v i r o n m e n to nm i n ep r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4C o n t e n t ．a p p r o a c h e sa n dt e c h n i c a lm a po ft h er e s e a r c h ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 1 ．5C o n c l u s i o no ft h i sc h a p t e r ．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．1 0 2R e s e a r c ho fh e a ts o u r c et y p e so ft h em i n ea n dh e a te x c h a n g e ．．．．．．．．．．．．⋯9 2 ．1H e a ts o u r c eo ft h em i n ew o r k i n gf a c e ⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2S o u r c eo f h u m i d i t yo f t h em i n ew o r k i n gs u r f a c e ⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～1 2 2 ．3R e s e a r c ho ft h ee x c h a n g eo fc u r r e n t ．h e a ta n dh u m i d i t y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 3 2 ．4C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．1 9 3R e s e a r c ho ft h ec o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h em i n e ．．．．．．2 0 3 ．1T h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fl i q u i dd e s i c c a n td e h u m i d i f i c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2T h ed e s i g no fc o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o ns y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3T h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fl i q u i dd e s i c c a n t sa n dt h ec r i t e r i at oc h o o s et h e m ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．2 7 3 ．4C o n c l u s i o no ft h i sc h a p t e r ⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯3 1 4E x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo ft h ed e h u m i d i f i e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2 4 ．1 O b j e c t i v e so ft h ee x p e r i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2M e t h o do ft h ee x p e r i m e n te x p e r i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．3E v a l u a t i o ni n d e xo f p e r f o r m a n c eo ft h ed e h u m i d i f i e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4A n a l y s i so f e x p e r i m e n td a t aa n dt h ee v a l u a t i o ni n d e xm e n t i o n e d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．5C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯．．．⋯．⋯．．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．．．3 9 5T h ec u r r e n tm o d e l i n ga n da n a l y s i so ft h ec o o l i n ga n dd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yo f t h ed e h u m i d i f i e r ．⋯⋯．．⋯．．．⋯．．．⋯．⋯．．．⋯．．⋯．．．⋯．．．⋯．．．⋯．．．⋯．⋯．．⋯．．．⋯⋯⋯．4 0 5 ．1T h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e l i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．4 0 5 ．2M o d e l i n go ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo ft h ed e h u m i d i f i e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．3C o n c l u s i o no f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯⋯．4 6 6S u m m a r ya n de x p e c t a t i o n s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．4 7 6 ．1 S u m m a r y 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数据来看，井下的温度每升高l ℃，相应的工作效率就要下降6 ．8 ％；而当井下温度高于 了2 9 ℃，发生事故的概率竞升高了2 2 ％1 2 | 。 与此同时，矿井下面空气的潮湿给其到来的危害也十分严重。数据资料表明，煤矿 下面许多工作地点的相对湿度都高于8 5 ％1 3 1 。如果工人长时间的处于这种高湿度的环境 中，会对其身心健康有相当大的伤害，同时也会危及煤矿的安全生产。高湿的环境对矿 井的影响还具体表现在第一，矿井下面的机电设备、工具等会因为潮湿的空气而迅速 的锈蚀、腐坏，尤其是电器线路的绝缘性会大大降低，从而减少有效使用时问；第二， 人体处于高温高湿的气候条件下时，其蒸发散热量会急剧降低，人体的热平衡被打破， 进而导致萎靡、闷热、难以集中注意力，也就是生产效率降低，并且极其容易发生事故； 第三，如果人体长时间处于湿度较大的环境时，会导致其免疫力降低进而导致各种并发 症的出现，对其健康是巨大的损害1 4 ] 。 从上述的分析可以看出，矿井高温高湿的环境会给井下作业人员的身心健康造成很 大的伤害，极大地降低了其工作效率，有时可能还会引起严重的安全生产事故。因此， 我们应及时的采用适当的措施对矿井高温高湿的环境进行治理1 5 J 。 在二十世纪七十年代，矿井的热害防治技术快速发展，并且在我国的矿井中也逐渐 开始运用。大体上来看，世界上矿井的降温技术为非人工降温技术和人工降温技术两大 山东科技大学硕士学位论文绪论 类。非人工降温技术就是我们通常所说的机械冷却降温，它降低矿井采煤和掘进工作面 的温度的方式是增加风流、提高风速、优化通风网络等来进行的；而人工降温技术的降 温效果更好，应用也更加广泛，目前是矿井降温的首要选择1 6 J 。 人工降温技术往往有着降温以及降湿两个方面。降湿主要是通过降低气流的温度， 从而使其中的水分冷凝排出。对于温度和湿度都比较高的矿井而言，在大多数情况下井 下空气的相对湿度甚至高于9 0 ％。对于新风而言，接近8 0 ％的能耗都消耗在了除湿上面， 并且如果风流的温度过低时，它与风筒之外的空气会发生热交换，从而造成大量冷量的 损失。 因此，为了克服由于煤矿开采深度的增加引起的高温热害，并且改善矿井井下高湿 的工作环境，降低传输过程中的能量散失，本文在现有降温、除湿技术的基础之上，提 出一种由热泵驱动以除湿为主，降温为辅的井下高效溶液降温除湿技术。 1 ．2 国内外矿井降温除湿研究现状 1 ．2 ．1 国外矿井降温除湿技术的研究 进入2 0 世纪，许多国家更加重视对井下降温技术的改进和创新，在此过程中，累积 了重要的实验数据和资料，也出现了很多卓有成效的降温技术。 2 0 世纪初，巴西的莫罗维罗金矿第一次将空调器应用于井下降温，并且在地面上建 立了集中制冷站，为机械降温开创了先洲7 1 。 1 9 4 0 ～1 9 4 2 年间，B i c c a r dJ a p p e 首先提出了关于风流温度计算的方法。也正是因为 这一理论的出现，为以后的风流温度预测奠定了坚实的基础[ 8 1 。之后的十多年时间里， 关于风流温度计算的被广为流传，并且有了更深层次的进步。首先是在1 9 5 0 年初，来自 日本的平野和英国的V a n H e r d e n 等人以巷道围岩以及风流之间的热交换为基础，进一步 构想出了调热圈的概念。进而在1 9 5 3 年，谢克夫等人在前人的基础上，更加准确的提出 调热圈以及关于不稳定换热系数的求解。这些理论研究的进展，为矿井降温的发展提供 了必不可少的、可靠的理论基础。 到了6 0 年代以后，南非首先将比较大型的降温设备应用于矿井当中，这也标志着矿 井的降温系统逐渐向着大型化过渡。而在1 9 8 2 年，波兰第一次将一整套空调装置应用于 了矿井降温，这套装置的制冷量达到了0 ．3M W 。从此之后，波兰以此为出发点，矿井 空调降温技术也迅速发展【9 1 。 就目前世界上矿井降温发展现状来看，德国是技术最为成熟的国家。由于其矿井的 ’ 坐查型壁奎兰堡兰竺笙茎 丝笙 采深都比较大，用于井下降温设备大都是建在地面的集中式水冷机组，同时将可以自由 移动的小型降温系统在应急时使用[ 1 0 】。德国煤矿降温的总体原则是通过尽量提升降温系 统的制冷量，以补足在输送过程中造成的损失。其中，在德国这个特点最为明显的是依 奔毕论煤矿。该煤矿地处德国鲁尔区，是一个现代化程度很高的矿井。该矿井井田尺寸 为1 7 x 6 k m 2 ，中央井深度为8 3 5 m ，北部的立井深度达到了1 5 0 0 m 。如今工作区域距 离中央井的胶带输送机长度为2 4 0 0 m ，供设有5 个综采工作面。总体上来看，该矿井采 深比较大，所处位置地温偏高。在2 0 11 年，共产出煤约1 5 0 万吨。然而，其矿井的降温 系统的制冷量接近1 0 M W [ 1 l J 。 近年来，国外的矿井降温技术发展的趋势和特点概括起来有以下几个方面 1 随着科学技术的不断发展，现代化的技术开始逐渐运用到矿井的降温系统中来， 例如板式蒸发器等设备。同时，矿井降温控制系统也越来越趋于智能化。 2 完整的矿井热力学理论分析、计算体系逐步形成，并在现实的工程问题中得到 检验和进一步发展。 3 矿井降温系统整体可靠性、稳定性有着显著地提升，发生故障的频率逐渐降低， 有数据表明，大型的冷水机组平均无故障运行时间达到7 0 0 0 0 h 。 国外在溶液除湿方面的研究多集中于地面除湿系统，而少有涉及井下空气除湿的。 其中，D ．R l a n d e r 第一个提出了绝热型的除湿器模型[ 1 2 ] ；后来，R ．E ．T r y b a l 在此基础之上， 对他提出的模型做了进一步完善和发展，于是就出现了日后所熟知的“微元控制体模型”。 “微元控制体模型”指的是在竖直方向上把除湿器划为多个单元，当系统的除湿过程逐 渐趋于稳定时，简化气液的接触面的传热过程，进而对控制体的方程进行推导。此后， 又有一些专家通过数值算法，对这个模型进行了完善，从而使除湿器的传热传质过程更 加全面。 后来，F u m o 和G o w a m i 两人将聚丙烯环作为填充材料，将L i C I 作为除湿溶液，并 且通过逆流的方式让湿空气与除湿溶液接触。通过对这一过程中热质交换的研究，并对 溶液的除湿效率与迸气量、溶液浓度之间的关系进行分析，得出溶液的除湿效率和除湿 溶液的温度、浓度、空气的进气量等有着十分密切的联系。在前人的基础之上，他们对 热传质模型进行了进一步的优化，并且优化后的计算所得到的结果与实验一致I l 引。 1 ．2 ．2 国内矿井降温除湿技术的研究 与世界上其他国家相比，我国对于矿井降温技术的研究开始的比较晚一些，一直到 气 山东科技人学硕士学位论文绪论 我国矿井降温技术得到了很大程度的发展，同5 0 年代才起步。经过了6 0 多年的发展， 时也与我国的基本国情更加适应。总体上来说，我国矿井降温技术大致上可以划分为以 下几个阶段 1 上个世纪5 0 ～7 0 年代初期。由于我国当时的矿井降温技术还处于起步阶段， 因此在这个时期内，我国主要是通过学习国外先进的降温技术，对国内的矿井进行数据 实测，并且开展一些有针对性的实验来为以后的发展奠定基础[ 1 4 ] 。到了6 0 年代，国内 矿井相继展开了对矿井降温系统的研究与设计，淮南的九龙岗矿成为我国第一个研究并 设计出的矿井降温系统的煤矿。在1 9 6 6 年，我国的几个研究院联合研制出了制冷量达到 7 0 K W 的矿用制冷机组[ 15 1 。 2 7 0 年代初期～8 0 年代初期。到了7 0 年代，随着我国矿井数量的增加，也有着 越来越多的矿井出现了高温的问题。为了进一步的解决矿井高温的问题，我国进行了一 系列的关于矿井降温的理论研究和实验。首先，杨地元在1 9 7 5 年率先得出了矿井风流的 热力计算法。而在降温设备的研制方面，抚顺煤科院通过与武汉冷冻机厂的合作，以1 9 6 6 年研制的制冷机组为原型，将制冷量由原来7 0 K W 提升到2 3 2 K W [ 1 6 】。 3 8 0 年代～9 0 年代中期。进入8 0 年代后，随着我国工业逐步走上正轨，对煤炭 的需求量也急剧增大，并且由于矿井开采深度的加大，我国出现高温的矿井数量也到达 峰值。同时，我国矿井的热害问题有着逐步从工作面向着整个矿井蔓延的态势。如此一 来，之前小型的矿井降温设备就很难实现对整个矿井进行降温。1 9 8 5 年，我国研制出第 一套用于矿井降温的集中式系统，并在孙村投入使用。这套系统的制冷量达到2 3 3 8 K W ， 总投资约为6 0 0 万元。1 9 9 1 年，我国第二套降温系统在平项山问世，其总制冷量达到 4 6 5 4 K W ，设备总投资约为1 0 0 0 万元。 4 最近一段时间，由于煤矿的开采持续的向着深部发展，也就使得矿井高温问题 变得更严重。为此，在这一领域的学者、研究人员根据多年积累的经验，并通过不断的 创新，提出了效果更好、能效更高的井下降温技术 1 矿井压气空调系统 2 0 0 4 年，山东科技大学的陈平第一个提出了使用压缩空气制冷降温这个构想n7 】。这 一系统主要是通过压缩空气，进而将其作为供冷介质，输送到井下的工作面当中去，以 达到降温效果。这主要是因为压缩空气的压力比较大，密度也很高，当其到达工作面可 以有效地吸收工作面的热量，达到降温的目的。但是该系统的能耗大，系统比较复杂， 投资也比较高。如果整个矿井都使用这套系统进行降温的话也变得很不现实，现在只是 些查型垫奎兰堡圭兰垡笙奎 堑堡 局部的工作面使用其进行降温。 2 透平膨胀制冷矿井降温系统 这套系统首先是在2 0 0 3 年，张朝昌提出了透平膨胀降温系统的具体过程。整体上来 说，这套系统的组装方便，结构简单。它主要是将煤矿中的水源作为原料，将膨胀机安 装在需要降温的地点附近，并且确保其可以随工作面的推移自由移动。同时送风管道也 可以随时移动，这样就达到了很好的局部降温的效果，卓有成效的克服了其他整体降温 系统无法实现的，处于深井平巷的工作面降温效果差的难题【l 引。 3 2 0 0 7 年，张亚宁首次提出了利用热管技术来进行工作面降温的构想。他主要是 想通过利用分离的热管为基础，对分离氨的系统进行改进，进而将冷却介质输送到工作 面当中去。具体来说，这一系统是在地面设置一个制冷中心，而热管蒸发器设置在井下， 以方便得到冷水供工作面降温使用，在这一过程中，热管的冷凝热通过地面的制冷机排 放。这套系统能够循环利用井下的冷凝水，有效地降低了系统的费用，且在制冷介质的 输送过程中，冷量损失也比较低。由于其制冷设备安装在地面，维修管理也比较方便。 4 同样是在2 0 0 7 年，兖州矿业集团研制出了冷风制备装置。它是通过使用冷水进 行喷淋从而制备冷风供煤矿降温使用。这样有效地减少了风流与外界环境之间的热交换， 降低了冷量的损失，有效地提高了系统的工作效率。这套系统主要适用于在挖掘立井井 筒是工作面的降温以及朝向井底车场扩充时掘进工作面的降温。同时，在井筒冻结时问 内，该系统可以有效利用制冷设备，提高能源利用率，具有十分光明的运用前景。 5 利用水源热泵装置的矿井降温技术 2 0 0 8 年，山东泰山能源有限责任公司的郎庆田研制出一种运用井下水的水源热泵空 调装置进行矿井降温的系统。这套系统主要由利用水源的热泵装置、水泵、热交换器三 大部分组成。到了冬天，当温度较低时，设置于井下的水泵开始工作，把井下水抽入热 交换器、热泵装置中，防止由于温度过低导致各装置冻结；到了夏天，当温度较高时， 水泵可以抽取井下水，达到使井下降温的作用。这套系统的优点在于充分利用了矿井下 面的水源，将其作为冷热源，为矿井降温提供保障，同时该系统的投资也比较低，能源 的利用率较高。 6 2 0 0 8 年，武汉星热有限公司的胡春生研制出了一种用于煤矿的制冷降温装置。 这套装置分为地上和井下两部分，在地面的部分主要是由将乙二醇作为制冷机的制冷机 组、将利用L i C l 溶液的冷水机组、水泵、水箱四大部分组成；而处于井下的部分是由井 下冷水泵、换冷器、