冰输冷降温系统原理及设计计算研究.pdf

分类号 单位代码 学 位 论 文 冰输冷降温系统原理及设计计算研究 毛 淑 丽 申 请学 位级别 硕士学位专 业 名 称 防灾减灾工程 指导教师姓名 陈平职称 及防护工程 教授 山 东 科 技 大 学 二零零七年五月 论文题 目 冰输冷降温系统原理及设计计算研究 作者姓名玉遨亚入学时间 专业名称防灾减灾工程研究方向 指导教师脸 王职称教授 论文提交日 期年月 论文答辫 日 期年月 授予学位 日期 S T U D YO F T H E O R Y A N D D E SIG NC A L C U L A T IO NO F C 0 0 L IN GSY ST E MWIT HIC ED E L IV E R IN GC O L D Q U A N T IT YF O RD E E PM IN E A D isse由 印 、夺 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世所 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 。 硕士生签名 日期 , , 人 ,、气了年 恤 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 深井降温是我国煤矿生产中的一大难题 , 随着煤矿采深的加大这一问题越来越突出。 课题在深入了解目前国内外矿井热害治理的研究现状和水平基础上 , 根据冰输冷降温系 统的实践 , 给出了冰输冷降温系统的基本模式 。研究了立式片冰机的结冰过程 , 把结冰 过程分成三个区域浸水区、 淋水区和过冷区, 并给出了各个结冰区域的数学模型和求 解 。分析了影响制冰效率的因素 , 拟合了不同制冷剂的单位制冷量与过冷度的关系 、 性 能系数与过冷度的关系 , 提出大过冷制冷循环对改善制冰系统性能的有效性 。详细分析 了冰输冷降温系统中输送冰的各种方式 , 给出了螺旋输冰器的输冰能力计算公式 。并在 固液两相流的基础上给出了冰输冷系统中冰水固液两相流的基本方程 。研究了冰输冷降 温系统中管道的压降计算方法及其影响因素 。最后评价了关于冰输送管道的保温和不保 温两种观点 。根据冰融化的机理 , 分析了定量冰条件下和连续输冰条件下的冰融化数学 模型 , 给出了基于成像原理的冰融化实时速率 。介绍了回采工作面的传冷技术和强化传 热 的方法 。总结了冰输冷降温系统设计计算步骤 , 给出了冰温和输冰量的关系式和蒸发 温度与冰温的关系式 。 关键词矿井热害 , 冰输冷降温 , 制冰 , 输冰 , 融冰 , 设计计算 山东科技大学硕士学位论文 摘要 灿 守 产 、 口叭 了 , , , , , 一,一一 一, 一一 ,, 一 一一 一 一 ,一 , 一 一, 一 一一 , 一, 上 山东科技大学硕士学位论文摘要 帅 贾,一,一, 一,一, 常 守 乙 山东科技大学硕士学位论文目录 目录 绪论 课题研究的 目的和意义 国内外对矿井热害的研究现状 矿井集中降温系统的基本模式和冰输冷降温系统概论 本课题研究内容思路及方法 冰 输冷降温系统之 冰 的制备研 究 ” ” “ “ ” 常用的制冰方法 常用的制冰设备 冰输冷降温系统之冰的制备设计要点 巧 冰的输送 弓言 输送冰的各种方法 冰输冷降温系统之冰的输送设计要点 冰的融化 ,弓言 固液相变现象和特点 冰颗粒融化机理分析 冰颗粒的融化效率分析 回采工作面传冷技术 的研究 冰输冷降温系统设计计算步骤分解 矿井空气参数基本数据的确定和巷道热计算 , 矿井热源分析和散热量计算 矿井空气冷却器的热计算 负压射流水量和输冰量计算 制冰系统的计算 山东科技大学硕士学位论文 目录 管道隔热计算 冷损失计算 计算实例 应用实例 结论 与展望 结论 展望 一“ 致谢 攻读硕士期间主要成果 参考文献 勺 山东科技大学硕士学位论文 目录 功 如 “二二 二 ” ” ” 一 一 二” 一 ”” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” “ ” ” ” 以 一 ” “ “ ” ” ” ” ” ” ” ”” ” ” ” “ “ “ ” ” 一 “ ” “ “ “ “ ” ” “ ” 二” ” ” ” ” ” 以 记一” ” ” ” ” 二二” “ “ 一” ” ” ” ” ” “ “ “ “ “ 二“ “ ” 二二 “ “ ” ” ” ” 。。一” ” ” ” 二“ “ “ “ “ ” ” “ “ “ “ ” “ “ ” ” ” ” ” ” ”” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” ” “ ” “ “ ” ” ” 二 币一 山东科技大学硕士学位论文 目录 滋一 沁 , 沮 幼一 内 ︸勺子 ︶、 ︸勺 一 滋一 助。。 目 ” ” ” ” “ “ ” ” “ ” “ ” ” ” ” 二 却 ” “ ” ” 曰上 ,旧 二一 心 勺 山东科技大学硕士学位论文绪论 绪论 课题研究的目的和意义 由于煤矿开采深度的增加和采掘机械化程度的不断提高, 我国出现高温热害的矿井 越来越多 。据统计资料 ,目前我国已有多处矿井的采掘工作面气温超过℃, 最高 达℃。仅山东省就有新汉 、 充州 、 龙 口、 枣庄 、 济北等矿区相继出现了高温问题 。矿 井高温热害已成为与瓦斯 、 煤尘 、 火灾、 水灾并列的重大灾害 。矿内高温热环境不仅降 低了工人的劳动生产率 , 危害井下作业人员的身体健康 , 而且还增加了矿井的事故发生 率 , 影响了矿井经济效益 , 甚至严重危及到矿井安全 。因此 , 对高温矿井热害的治理越 来越受到煤矿企业的重视 。 长期 以来 , 特别是近十几年来我国对矿井的热害治理理论和技术已开展了大量的研 究和实践 , 并取得了较好的研究成果 。但由于矿井条件的复杂性 , 我国在矿井降温 的实 践中还存在许多尚待解决的问题 。如矿井降温的理论还不够完善 , 对风流与围岩不稳定 换热的研究还不够深入 , 造成了矿井风温预测的计算误差较大矿井降温技术在实用中 还存在很多问题 , 对长距离管道输冷技术研究不够 , 对适用于走向长臂采煤工作面的传 冷技术研究还比较薄弱 , 致使采煤工作面上降温效果差 , 能耗大对新型矿井降温技术 研究不够 , 矿井降温系统的投资大 , 运行成本高 , 难于推广应用 。本课题就是基于矿井 降温的现实状况而提出的 , 研究的主要 目的就是提出新型的矿井降温技术 , 进一步完善 和丰富矿井降温理论 , 降低矿井降温成本 , 改善矿井降温效果 , 为我国煤矿深井降温探 索新的途径 。 国内外对矿井热害的研究现状 国内对矿井热害治理的研究概况 我国矿井降温工作起步于上个世纪年代初期 。半个世纪 以来 , 我国矿井降温的发 展过程大致可分为四个阶段 。 山东科技大学硕士学位论文绪论 年代一年代初期 , 为学习、 试验 、 观测和基础资料积累阶段 。主要学习 和借鉴国外的一些先进的技术和经验 , 如原苏联有关矿井降温的一些科技著作和论文 , 并在少数煤矿开展了矿井地温观测和移动式局部降温 。 由于当时矿井开采深度不大 , 高 温问题不是十分突出, 研究工作进展缓慢 。 到了年代初 , 淮南九龙岗煤矿开采到一 水平 , 出现高温问题 。年淮南九龙岗矿设计了我国第一个矿井局部制冷降温系统 , 为我国矿井降温技术的发展奠定了基础 。年煤科总院抚顺分院、 中科院长沙矿冶研 究所和武汉冷冻机厂联合研制了型矿用移动式空调器 , 制冷量为。 年代初期一年代初期 。进入年代后 , 我国有余对矿井出现高温热 害 , 为了适应更大范围矿井降温的要求 , 我国不断开展 了矿井降温的工程实践 。在矿井 热环境 、 矿井热交换理论和矿井降温技术等方面的研究不断深入 , 论文数量逐渐增多 , 出现了较高水平的科研项 目 。年 , 杨德源提出了矿内风流热力计算方法 。同时在装 备方面 , 煤科总院抚顺分院与武汉冷冻机厂联合 , 在型矿用移动式空调器的基础 上 , 研制成功 了矿用移动式冷水机组 , 制冷量为。 年代一年代 中期 。到了年代 , 随着我国煤炭工业的快速发展 , 矿井深 度加大 , 高温矿井数量急剧增加 。而且矿井高温 问题已从个别的高温采掘工作面发展到 全矿井的 。这样使得采用小型制冷降温设备进行局部分散降温 , 难以适应大规模矿 井降温 的要求 。为此 , 在一年间 , 山东新汉矿务局孙村煤矿在井下一水 平设计了我国第一套井下集中降温系统 , 总制冷能力为, 设备选用重庆通用机 器厂生产的一一型离心式制冷机 , 单机制冷量为, 系统总投资约 万元 。一年 , 在平顶 山八矿设计了我国第二个井下集中制冷降温系统 , 总制冷 能力为, 设备采用一。型离心式制冷机 , 单机制冷量为, 系统总投资约万元 。年 , 矿 山地热概论 一书问世 。年代后期 , 我国也形 成 了比较完整的矿井降温的学科理论体系 , 相继出版了一些系统专著 , 如岑衍强等编著 的 矿 内热环境工程 、 余恒 昌主编的 矿山地热与热害治理 、 严荣林等主编的 矿井 空调技术 、 山东科技大学王隆平编著的 矿井降温与制冷 等 , 这些研究成果都更加丰 富和发展了我国矿井降温的理论体系 。 年代中后期一至今 , 随着高温矿井数量的增多和研究应用的不断深入 , 在 总结井下集中降温系统经验的基础上 , 我国矿井降温 的理论和技术取得了长足的发展 , 以冰输冷降温系统成功应用为标志 , 我 国矿井 降温技术进入了一个新的发展阶段 。在 山东科技大学硕士学位论文绪论 一年间 ,山东新汉矿务局孙村煤矿设计了我国第一套矿井地面集中降温系统 , 设计总制冷能力为, 投资万元 。年一年 , 平煤集团技术中心与 航空工业总公司第所合作把用于航空的涡轮膨胀制冷技术首次引用到煤矿井下进行 掘进工作面局部制冷降温 , 取得较好降温效果 。年月, 山东科技大学陈平教授 提出了矿井压气空调系统 , 即利用压缩空气作为供冷媒质 , 直接向采掘工作面供冷的一 种新型矿井空调系统 。因为压缩空气压力高 , 密度大 , 比常压空气具有更大的输冷能力 , 且送达工作面后具有较强的吸热能力 , 但是系统存在着能耗大运行费用高等缺点, 制约 了该系统的推广应用同年 , 新汉矿业集团孙村矿 自主研发建成 了世界上第一套煤矿冰 冷辐射矿井降温系统 。该系统采用地面集中制冰降温成套工艺 , 通过片冰成型和管道工 艺技术的运用 , 解决了超千米垂深供输冷的技术难题通过井下开放式融冰和集中供冷 管网 , 使降温的效果得到了加强 。 采用这套新系统后 , 孙村矿采煤工作面风温平均由 ℃ 下降到℃, 掘进工作面迎头风温平均由℃ 下降到℃。该项 目的 “矿井空 调用低温涌水降温装置 ” 、“井下裸管和喷淋结合降温装置 ” 、“矿井冰冷低温辐射降 温系统 ” 、“矿井冰冷降温系统中的井下融冰工艺 ” 、“刮冰刀 ” 等项技术取得 了国 家新型实用专利 , 填补 了国内空白 。 在矿井降温理论研究方面也取得了丰硕的成果 。建立了矿井热交换理论体系 、 矿 山 地热学的理论体系以及矿井降温系统的热力学基础等 。如对 “输冷管道保冷隔热技术 ” , “矿井通风技术 ” ,“矿井系统降温设备 ” 等领域都有较系统深入的研究 。在矿井降温 的实用技术方面 ,己建立了矿内风流热力状况预测理论 、 按热力学因素确定矿床的极限 开采深度 、 矿井降温系统的设计理论等 。另外 , 在矿用降温技术设备的研究方面也有了 很大的进展 ,年研制成功了第一台矿用可移动喷淋式空冷器 ,年由平煤 集团和有关单位合作研制成功了矿用防爆制冷机 , 在保冷管道的研制方面也有很大的进 展 。 国外对矿井热害治理的研究发展现状和水平 矿井热害在 国外的一些国家 , 比如南非 、 巴西 、 印度 、 苏联 、 德国等矿业发达国家 , 出现的比较早, 所以国外对矿井热害治理的研究也相应的较早 。年在巴西的莫劳 约里赫金矿建立了第一个矿井空调系统 , 当时该矿采深为, 岩温℃, 在地面建 立了集中制冷站 , 其制冷量为姗 。年 , 在德国的拉德博德煤矿建立了井下集中 制冷站 , 其制冷能力为。年, 在法国附近的矿山进行了地温测定 。 山东科技大学硕士学位论文绪论 井下应用制冷技术改善环境是在巴西、飞金矿 。年 , 德国的 叩 首次提出了调热圈的概念 , 并得出理想条件下围岩调热圈温度场的解析解 。风温 预测计算理论的研究最初就是从研究围岩调热圈温度场开始的 。在年代 , 前西德的 、 日本的天野勋三 、平松良雄 、英国的 、、等人又给出了风温预测的更 为精确的解析方法 。直到年代中叶 , 除南非金矿外 , 大都是在少数矿井进行了制冷空 调 。然而 , 到了年代中期以后 , 矿井空调技术发展异常迅速 。大型矿井空调系统大都 在年以后建成并投入运行 。 年代中期 , 南非一些金矿开始采用冰冷却系统进行井下降温 。年 , 南非的东 兰德矿 山控股公司 , 首先在梅里普鲁特一号井建成了冰冷却系统 , 冷却功率为。 在深井降温方面开拓 了一条新的途径 。冰冷却系统的主要原理是利用冰的溶解热 , 通过 冰的溶解把水冷却到接近℃然后把冰冷水送到各工作面 , 系统由冰的制备 、 冰的输送 和冰的溶解三个主要部分组成 。在胡春胜 、 周秀隆的 “压缩空气制冷技术在孟加拉国 煤矿的应用 ”一文中详细介绍了压缩空气制冷技术在孟 巴矿中的应用 , 阐明 了型矿用空气制冷机的工作原理 , 并通过计算说明了这种方法可以有效地用于 煤矿掘进面降温 , 还指出了采用压缩空气制冷存在的两个问题是冷却水水质 、 水量 问题 和添加润滑油到空气制冷机的问题 。 以德国为例 ,年 , 德国硬煤矿井平均深度从增加到, 相应 地 , 井下围岩温度由℃提高到℃。围岩热量和井下 电气设备发热是影响井下气候条 件的最主要热源 。为保持良好舒适的井下气候条件 , 德国硬煤矿井不断增加制冷能力 , 年总制冷能力达到。此后 , 随着硬煤产量下降 , 一些矿井关闭或合并 , 关闭 了部分制冷设备 , 至年总制冷能力下降到姗 。 德 国硬煤矿井工作面降温方法有种 , 即水冷法 、风冷法和冰冷法 。年 , 风冷机降温系统所占比例由下降到, 水冷机降温系统则由上升到。冰冷 法是新开发的降温方法 ,年月开始在鲁尔矿区尼德伯格矿进行工业性试验 , 试验 样机经改进后于年月正式投入井下使用 。制冷方式有集中制冷和分散制冷两种 。 按制冷系统的位置分 , 有地面制冷 、 井下制冷和地面一井下联合制冷三种 。在所统计的 个矿中 , 全部采用分散制冷系统的有个 , 占。全部采用集中制冷系统的有个 。 采用集中和分散联合系统的有个 , 占。 国外矿井降温技术发展的特点和趋势是 山东科技大学硕士学位论文绪论 建立了系统的矿山热力学的理论体系 , 并应用其解决采矿工程中的一些重大技 术问题 , 例如矿床的合理开采深度 , 合理的开拓系统和开采程序 , 以及合理的矿井通风 系统和供风量等 。 应用高科技手段来解决矿井降温的重大技术问题 , 如三管式能量转换装置 , 板 式蒸发器 , 可调速水泵 以及 内隔热保冷管道等应用智能化控制系统来控制矿井降温系 统 , 使矿井降温系统始终处在优化的状况下运行 。 矿用制冷设备性能良好 , 运行安全可靠 。板式蒸发器的使用 , 可将冷水温度降 到℃ 左右 。大型冷水机组无故障运行时间可达刃 , 最高可达成。 矿井传冷技术发展 日新月异 。矿用空气冷却器 , 由世纪年代以前的翅片 管式 ,年代的板管式到光管式 ,年代后期到年代各国都在试图用喷淋式或混合 式取代表面空冷器等 。 矿井集中降温系统的基本模式和冰输冷降温系统概论 矿井集 中降温系统的基本模式 目前煤矿的冷冻水供冷 、 空冷器冷却风流的矿井集中空调系统的基本结构模式如图 所示 。它是由制冷 、 输冷 、 传冷和排热四个环节所组成 。由这 四个环节的不同组合 , 便构成了不同的矿井空调系统 。这种矿井空调系统 , 若按制冷站所处的位置不同来分 , 可以分为以下三种基本类型 地面集中式空调系统 它将制冷站设置在地面 , 冷凝热也在地面排放 , 在井下设置高低压换热器将一次高 压冷冻水转换成二次低压冷冻水 , 最后在用风地点上用空冷器冷却风流 。这种空调系统 还可以有另外两种形式 , 一种是集中冷却矿井总进风 , 这种形式 , 在用风地点上空调效 果不好 , 而且经济性较差另一种是在用风地点上采用高压空冷器 , 这种形式安全性较 差 。实际上后两种形式在深井中都不可采用 。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 口口口口口 图矿井 空调 系统 结构 模 式 一制冷站一冷 水 泵一 冷水管一局 部通 风机 一 空冷 器一风 简一冷 却 水泵一 冷却水 管 一 冷 却 塔 井下集中式空调 井下集中式空调系统如按冷凝热排放地点不同来分 , 又有两种不同的布置形式 ①制冷站设置在井下 , 并利用井下回风流排热 。这种布置形式具有系统 比较简单 , 冷量调节方便 , 供冷管道短 , 无高压冷水系统等特点 。我国山东新汉矿务局孙村煤矿 曾 采用这用布置方式 。但由于井下回风量有限 , 当矿井需冷量较大时 , 井下有限的回风量 就无法将制冷机排除的冷凝热全部带走 , 致使冷凝热排放困难 , 冷凝温度上升 , 制冷机 效率降低 , 制约了矿井制冷能力的提高 , 所以这种布置形式只适用于需冷量不太大的矿 井 。 ② 制冷站设置在井下 , 但冷凝热在地面排放 。这种布置形式虽可提高冷凝热的排放 能力 , 但需在冷却水系统增设一个高低压换热器 , 系统比较复杂 。 井上 、 下联合式空调系统 这种布置形式是在地面和井下同时设置制冷站 , 冷凝热在地面集中排放 。它实际上 相当于两级制冷 , 井下制冷机的冷凝热是借助于地面制冷机冷水系统冷却 。 随着众多矿井逐步向深部延伸和矿山热害的日益严重 , 以上三种矿井空调存在的问 题也越来越突出 , 主要表现为随着矿井深度的增加 , 制冷机组的容量及设施越来越大 , 系统初投资及年运行费用急剧上升井下空调设备安装 、 操作和维修 困难 , 空调设备发 热对井下空气环境影响越来越大过高的静水压力和冷凝热的排放困难 , 使传统的制冷 山东科技大学硕士学位论文绪论 空调系统越来越难 以适应深井矿的降温需要 。 冰输冷降温系统概论 低压循环 储液桶 制制冰冰 系统统 融冰池池池池池池