涡流管制冷技术在煤矿微气候降温中的应用.pdf

DOI 10． 13347/j． cnki． mkaq． 2014． 10． 036 涡流管制冷技术在煤矿微气候降温中的应用 张洋1， 2 ， 辛 嵩3， 姬建虎1， 2， 张习军1， 2， 李忠显3 1． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037;2． 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037; 3． 山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590 摘要 为了解决赵楼煤矿机电硐室、 胶带机机头硐室等特殊作业场所的高温热害问题， 采用现 场观测的方法， 掌握了局部高温区域的热害状况; 在对涡流管制冷原理、 可行性、 可靠性进行研究 的基础上， 提出了一种新的具有针对性地局部热害治理方法 涡流管制冷技术结合微气候围护结 构。结果表明 采取涡流管制冷措施后， 机电硐室的微气候围护结构内干球温度降低了 9． 4 ℃， 湿球温度降低了 10． 3 ℃， 作业人员的工作环境得到了明显的改善， 取得了良好的降温效果。 关键词 涡流管; 制冷技术; 微气候; 热害; 矿井降温 中图分类号 TD727 ． 5文献标志码 B文章编号 1003 －496X 2014 10 －0113 －03 Application of Vortex Tube Ｒefrigeration Technology in Mine Microclimate Cooling ZHANG Yang1， 2， XIN Song3， JI Jianhu1， 2， ZHANG Xijun1， 2， LI Zhongxian3 1． State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology，Chongqing 400037，China;2． China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Ｒesearch Institute， Chongqing 400037，China;3． School of Mining and Safety Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China Abstract In order to solve the high temperature problem in mechanical and electrical chamber and other special workplaces in Zhaolou Coal Mine， we used the of field observation to master heat damage situation of local high temperature region; based on the study of refrigeration principle，feasibility，reliability of vortex tube，we proposed a new targeted of local heat damage control，that is combined vortex tube refrigeration technology with micro － climate enclosure structure． The results showed that the dry bulb temperature within the micro － climate enclosure structure decreased 9． 4 ℃after taking cooling measures by vortex tube，and the wet bulb tempera- ture decreased 10． 3 ℃，the working environment of miners was significantly improved，and a good cooling effect was obtained． Key words vortex tube; refrigeration technology; microclimate; heat damage; mine cooling 目前， 我国煤矿开采深度正以每年 8 ～12 m 的 速度增加， 中东部矿区以每年 10 ～25 m 的速度进入 深部开采 ［1 －2 ］， 随着开采深度的增加， 地温不断上 升， 导致井下采掘工作面气温上升， 作业环境恶化。 有些千米矿井的岩石温度已超过 40 ℃， 甚至达到 50 ℃， 地温高并伴有热水涌出， 采掘工作面气温均 超过30 ℃， 部分采掘工作面气温达35 ℃以上， 空气 相对湿度也达到 90 ～100。高温问题给矿井的 安全生产提出了新的挑战， 如何有效地治理矿井热 害已经成为我国煤炭行业必须面对的问题。 兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿煤层埋深大、 地温高， 建井与试生产时期均采取了热害防治措施， 较好地解决了矿井初期的高温热害难题［3 ］。矿井 建立了井下集中式降温系统， 在有效运行的情况下， 采掘工作面热环境取得了明显的改善。但是， 对于 未被纳入降温系统的机电硐室、 移动变电站和胶带 机机头硐室等高温作业地点， 热害问题仍然没有得 到解决， 作业人员若长时间在此高温环境下工作， 身 体极易疲乏， 甚者会造成昏厥。因此， 对机电硐室等 热害区域进行局部降温技术研究势在必行。 1高温机电硐室热害现状分析 由于其自身的特点， 机电硐室的热害现象有其 特殊性 ①机电硐室内部布置较多的大型机电设备， 散热量大， 使得硐室内部热害程度相比其它地点更 为严重; ②热害波及范围有限， 仅局限于硐室内部; ③由于井下机电硐室内热辐射强， 温度高。并且井 下湿度大， 硐室内空气流速小， 影响人体热平衡， 造 成人体散热困难。 以赵楼煤矿南部中央变电所为例， 对其进行将 311 应用实践 2014 －10 近 2 个月的热力参数观测， 观测结果见表 1。 表 1南部中央变电所温度观测结果表 日期 进风温度 /℃ 风量 / m3min －1 硐室温度 /℃ 2012 －07 －0227． 231034．2 2012 －07 －0826． 830034．0 2012 －07 －1626． 231033．2 2012 －07 －2227． 029534．1 2012 －07 －2826． 828034．1 2012 －08 －0327． 029534．2 2012 －08 －0927． 429534．5 2012 －08 －1526． 829034．0 2012 －08 －2127． 428034．6 2012 －08 －2727． 629034．4 由表 1 可以看出 ①南部中央变电所内温度在 30 ℃以上， 最高时能达到 34． 6 ℃; ②中央变电所内 气温随着进风温度的升高呈现出逐渐升高的趋势; ③随着进风温度的升高， 变电所内气温相对于进风 温度的温升波动较为明显， 这主要与风量的变化有 一定关系; ④随着进风量的增加， 南部中央变电所内 温升值呈现出下降的趋势。进风量在 280 ～ 310 m3/min 之间变化， 而硐室内气温相对于进风温度的 增加量在 6． 8 ～7． 3 ℃之间。 2局部微气候降温措施 由于南部中央变电所内机电设备多， 散热量大， 若选择大功率制冷机组对整个硐室降温， 投资和维 护费用高; 而且变电所内作业人员稀少， 降温措施的 提出主要是从职工个体防护的角度出发， 不考虑高 温对设备产生的影响。 2． 1微气候围护结构设计 选取聚氨酯 PU 硬质泡沫塑料作为微气候围 护结构所需保温隔热材料。其特点为 ①质量轻， 强 度高， 尺寸稳定性好; ②绝热性能优越; ③良好的粘 接强度; ④使用寿命长。 围护结构的外形设计主要考虑其体积、 表面积 以及与主体工程的相对位置关系等因素。结合矿井 井下机电硐室的特殊情况， 将此结构设计为立方体 形状， 围护结构的长、 宽、 高各取值为 2 m， 其内部空 间达到 8 m3。其平面图形及相关附属装置如图 1。 围护结构采用保温隔热材料建造， 设有封闭性 能良好的门窗， 以供人员出入及监控机电设备所用; 设有大小适宜的通风口， 允许少量风流通过以供人 员呼吸。 2． 2涡流管制冷器的选型及布置 图 1围护结构平面简图 由于围护结构隔热效果的有限性以及室内人员 新陈代谢散发热量， 其内部温度会相应的升高。因 此， 有必要引入额外冷量以抵消此热量， 并对额外冷 量的引入方式进行设计。经过调研分析， 提出一种 新的采用涡流管制冷器对围护结构降温的方法， 以 达到为特殊岗位人员创造舒适工作环境的目的。 2． 2． 1涡流管制冷的基本原理 涡流管制冷技术是压缩空气制冷技术的一种。 涡流管 Vortex Tube ， 又可称之为涡旋管或旋风 管， 其内部没有任何可移动的部件， 它没有散热片、 也没有热交换器， 而且不需机械制冷那样的机器启 动时间， 却能瞬间产生制冷的效果， 只要有压缩空气 就可以， 因而涡流管是一种结构极为简单的能量分 离装置 制冷装置 ［4 ］。 涡流管主要由壳体、 喷嘴、 涡流室、 分离孔板、 冷 端管、 热端管和温度控制阀等几部分组成。涡流管 工作时， 从气源来的高压气体在喷嘴内膨胀加速， 然 后沿切线方向几乎以自由涡流形式进入涡流室， 在 涡流室内高速旋转产生强旋湍流流动， 从而产生能 量分离效应， 最终分离成温度不同的 2 部分 ［5 ］。中 心部位的气流温度低于进气口气流温度， 称之为冷 气流， 这部分气流从冷端管流出; 外层部位的气流温 度高于进气口气流温度， 称之为热气流， 经热端管从 温度控制阀流出。通过温度控制阀可调节冷热气流 的比例， 从而可得到不同的制冷效果［6 ］。涡流管的 结构及制冷原理如图 2。 图 2涡流管结构示意图 411 第 45 卷第 10 期应用实践 2． 2． 2围护结构内需冷量计算 围护结构内需冷量分为环境给热量和人体散热 量 2 部分， 计算按只对空气温度有影响的显热量来 计算， 计算公式如下 ［7 －10 ］ QS nqp λA△t δ 1 式中 n 为围护结构内工人数， 取值为 5;qp为 工人中等劳动时的散热量，qp200 W; λ 为保温材 料热导率，λ 0． 023 W/ m℃ ;A 为围护结构 散热面积， A 2 2 5 20 m2;△t 为围护结构内 外的温差， △t 35 －28 7 ℃;δ 为材料的厚度，δ 0． 04 m。 相关数据代入式 1 得 QS1 080． 5 W。 2． 2． 3涡流管制冷器选型 根据计算所得围护结构降温所需冷量 1 080． 5 W ， 对涡流管制冷器进行选型。参照产品相关技术 参数， 选 VC60070 型号涡流管， VC60070 型号涡流 管相关技术参数见表 2。 表 2 VC60070 型号涡流管相关技术参数表 尺寸型号 入口压力 /105Pa 耗气量 / m3min －1 制冷量 /W 大型VC6007071． 981 348 2． 2． 4涡流管制冷器布置方式设计 在围护结构的后壁面开 1 个适当尺寸的圆孔， 涡流管进气端通过高压软管接入压气管道， 使热气 流出口位于壁面外侧， 冷气流出口通入壁面内侧， 并 输送冷风。具体布置方式如图 3。 1 － 围护结构; 2 － 门; 3 － 观察窗; 4 － 工作台; 5 － 涡流管; 6 － 高压软管; 7 － 机电设备; 8 － 硐室岩壁 图 3涡流管布置设计 3工程应用 2012 年 9 月， 涡流管制冷技术在赵楼煤矿南部 中央变电所得到应用。在采取降温措施前后对围护 结构内风流热力参数进行了观测， 并选取了 10 组数 据进行分析， 降温前后围护结构内温度对比结果如 图 4。 图 4降温前后围护结构内温度对比图 由图 4 可以看出， 采取降温措施前后， 微气候围 护结构内干、 湿球温度均有了明显的下降。降温前 围护结构内平均干球温度为34． 2 ℃， 降温后围护结 构内平均干球温度为 24． 8 ℃， 下降了 9． 4 ℃; 降温 前围护结构内平均湿球温度为32． 7 ℃， 降温后围护 结构内平均湿球温度为 22． 4 ℃， 下降了 10． 3 ℃。 4结论 针对井下高温硐室 变电所、 胶带机机头硐室 等特殊作业场所， 提出了采用涡流管制冷技术对井 下微气候进行降温的新思路。该技术无需采用机械 制冷， 只需供给压缩空气即可， 具有低能耗， 简单易 行， 投资少， 经济性强等特点。 工程应用结果表明 采取涡流管制冷措施后， 南 部中央变电所的围护结构内干球温度降低了 9． 4 ℃， 湿球温度降低了 10． 3 ℃， 降温效果显著。 参考文献 ［ 1］ 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等． 深部开采岩体力学研究 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报， 2005， 24 16 2803 － 2813． ［ 2］ 姜耀东， 赵毅鑫， 刘文岗， 等． 深部开采中巷道底鼓问 题的研究［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2004， 23 14 2396 －2401． ［ 3］ 何国家， 阮国强， 杨壮． 赵楼煤矿高温热害研究与实践 ［ J］ ． 煤炭学报， 2011， 36 1 101 －104． ［ 4］ 何曙， 吴玉庭， 姜曙， 等． 喷嘴对涡流管能量分离效应 的影响［ J］ ． 化工学报， 2005， 56 11 2074 －2076． ［ 5］ 梁霓， 程友凯， 张玉香． 提高涡流管效率的研究进展 ［ J］ ． 节能， 2009 4 26 －28． ［ 6］ 张帝． 涡流制冷技术在矿井掘进工作面中的应用研究 ［ D］ ． 湘潭 湖南科技大学， 2012 4 －5． 下转第 119 页 511 应用实践 2014 －10 2 防超限效果分析。李沟矿在 21031 工作面进 行水力冲孔后顺层孔由冲孔前的日平均浓度 4． 4 提高到 6． 0， 冲孔后累计抽放纯量达 438 576 m3， 工作面回采过程中， 未出现过预测指标超标现象， 工 作面瓦斯涌出量最大为 1． 5 m3/min; 冲孔后的钻孔 抽放浓度初期在 5 ～15之间， 单孔流量在 0． 003 ～0． 031 m3/min 之间， 2 项指标都高于未冲孔穿层 钻孔的 3 ～15 倍; 捅孔处理后的钻孔随工作面的推 进， 开始进行采空区抽放， 经统计单孔抽放浓度为 20 ～80， 单孔抽放瓦斯纯量为 0． 05 ～ 0． 3 m3/ min 之间。 4结论 1 底板巷穿层钻孔 “三步抽” 分为 3 个部分 第 1 步未卸压抽采， 第 2 步卸压抽采， 第 3 步采空区抽 采， 实现了一孔多用， 持续抽采。 2 底板巷穿层钻孔“三步抽” 技术措施不仅消 除了工作面突出危险性， 工作面回采过程中瓦斯超 限的问题也得到治理， 改善了工人作业的环境， 使安 全生产得以保证， 是一种快速有效的瓦斯灾害防治 方法， 大大提高了回采和掘进的速度。 参考文献 ［ 1］ 赵万里， 李莞歆， 路金萍． 松软煤层瓦斯抽采高强螺旋 钻杆的研制与应用［J］ ． 煤炭工程， 2013 1 113 － 116． ［ 2］ 国家安全生产监督管理总局． 防治煤与瓦斯突出规定 ［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2009． ［ 3］ 付建华， 程远平． 中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治 对策［J］ ． 采矿与安全工程学报， 2007， 24 3 253 － 259． ［ 4］ 程远平， 俞启香． 中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发 展［ J］ ． 采矿与安全工程学报， 2007， 24 4 383 －390． ［ 5］ 晋康华， 刘明举， 毛振彬， 等． 水力冲孔卸压增透区域 消突技术应用［ J］ ． 煤炭工程， 2010 3 50 －52． ［ 6］ Hao Fuchang， Liu Mingju， Zhang Shengzhu． study on re- gional outburst elimination of soft low permeability seam ［ C］/ /proceedings of the 2010 chinese seminar on the principles of safety science and technology，2010 439 － 442． ［ 7］ 孟中泽， 潘少杰， 郝富昌． 李沟矿煤与瓦斯突出区域预 测指标及临界值的确定［ J］ ． 煤矿安全， 2010， 41 4 ． ［ 8］ 李学臣． 卸压带抽放煤层瓦斯技术在回采工作面的应 用［ J］ ． 煤矿安全， 2007， 38 12 14 －15． ［ 9］ 王兆丰， 李宏， 杨宏民， 等． 采空区瓦斯治理及利用实 践［ J］ ． 煤炭科学技术， 2011， 39 4 55 －59． ［ 10］ 孟祥春． 采空区瓦斯涌出特点与抽放方法［ J］ ． 科技 论坛， 2008， 3 25 52． 作者简介 刘欣 1987 － ， 男， 河南驻马店人， 河南理 工大学在读硕士研究生， 从事瓦斯灾害预测与防治方面的研 究。 收稿日期2013 －11 －07; 责任编辑 王福厚 檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽檽 上接第 115 页 ［ 7］ 余恒昌， 邓孝， 陈碧琓． 矿山地热与热害治理［M］ ． 北 京 煤炭工业出版社， 1991． ［ 8］ 岑衍强， 侯祺棕． 矿内热环境工程［M］ ． 武汉 武汉工 业大学出版社， 1989． ［ 9］ 胡汉华， 吴超， 李茂楠． 地下工程通风与空调［M］ ． 长 沙 中南大学出版社， 2005． ［ 10］ 胡汉华， 古德生． 矿井移动空调室技术的研究［ J］ ． 煤 炭学报， 2008， 33 3 318 －321． 作者简介 张洋 1989 － ， 男， 汉族， 河南周口人， 硕 士， 主要从事矿井降温与矿井通风技术研究。 收稿日期2014 －04 －24; 责任编辑 王福厚 911 应用实践 2014 －10