高温矿井冰输冷降温系统设计.pdf

2010．NO．4． ISSN1672-9064 CN35-1272/TK 图1冰输冷降温系统流程 柳源菅丛光陈宁王磊徐宁 （中国矿业大学电力工程学院江苏徐州221008） 摘要高温矿井热害是深部矿井开采中的一个灾害。针对深部矿井中的高温问题，结合某矿的实际情况，设计冰输冷降温 系统以改善井下作业环境，通过冰融化产生的冷量与采面空气进行传热，降低采面空气的温度与湿度，最终将井下采面空气温 度控制在28℃以下、湿度降至0.88。 冰输冷降温系统有效地改善了井下环境，具有广阔的推广应用前景。 关键词高温矿井冰输冷降温系统热害系统设计 中图分类号TD727.5 文献标识码A 文章编号1672-9064201004－0112－02 高温矿井冰输冷降温系统设计 作者简介柳源（1986～），男，湖南长沙人，中国矿业大学硕士研究生，研究方向为热能工程。 热害是矿井的自然灾害之一,随着矿井开采深度的增加 和机械化程度的不断提高,矿井中高温高湿的热害问题变得 越来越严重［1］。 冰输冷降温系统是近年受到重视的矿井降温 方法，由于其制冷量大、输冷管道较小，设备维修方便、运行 费用低等优点，是将来矿井降温的主流方向。 某矿的采面湿 度和温度非常大，根据我国煤矿安全规程的规定“生产矿 井采掘工作面空气温度不得超过28℃”［2］， 但其采面的出口 风温是35.8℃，严重超过了煤矿安全生产的温度，必须采取 人工制冷的方法降温，本文针对采面高温问题设计了相应的 冰输冷降温系统。 1系统工作流程 在地面建立制冰站，安装制冰系统［3］。 用大型片冰机制 冰，通过螺旋输冰机送入井筒中的保温管路，冰送到井底车 场的融冰池后与从回水管流回来的冷却回水混合，融化成含 少量冰漿的冷却水。 冷却水从融冰池的出口流出，经过入水 管到达位于采面入口 的空冷器，在空冷器内 升温,给采面空气供冷 后,空冷器的回水一部 分供机械设备做冷却 水， 一部分回到融冰 池。具体设计流程如下 图1。 2系统设计 该冰输冷降温系统采用地面集中制冷系统。 在地面建 立制冰中心,井筒中设保温管路，在井底出场设置融冰池，建 立两条来回保温管道连接融冰池和空冷器， 在采面设空冷 器、局部通风机。以冷却水作为输冷介质，吸热后的冷却回水 一部分用于融冰池融冰， 另一部分作为机械设备的冷却水。 主要设备包括地面制冰机、井筒输冰管、井底融冰池、冷却水 保温输送管、局部通风机、空冷器等。 2.1能量计算 根据编程风温预测系统的计算和现场实测，风温预测误 差为1.5，小于2，满足工程设计要求［4］，降温前采面的入口 风温为33.4℃，采面出口风温为35.4℃，通风量为1100m3/min， 采面巷道长度为188m。 降温系统的目标是把采面的出口风 温控制在28℃，湿度0.88，保证整个采面都有良好的工作环 境。 制冷前后空气的焓差 ΔII前-I后44.68kj/kg 工作面所需冷负荷 Q总1.2M风ΔI1137.24kW 融冰池所需冰量分为冷却回水所需的冰与入水管冰浆 中的冰2部分，所以，融冰池总需冰量为 M总M冰冷M冰浆4.36kg/s15.69t/h 对于融冰池，1天的需冰量为376.5t/d 通过计算采面需要的冷负荷为1138kW,考虑冷损和适 当的余量，需冰量为420t/d。 2.2地面制冰系统 地面的制冰系统采用7台P60.0t型片冰机， 日产冰量 420t。 该片冰机是一个连续产冰装置，主要由蒸发器双层圆 筒壳体、片冰机主轴及冰刀、循环水泵、接水盘组成。 制冷系 统产生的冷源氟利昂进入片冰机的蒸发器壳体，循环水泵将 水喷淋到蒸发器壳体内壁上。结冰过程中氟利昂在壳体内蒸 发，吸收内表面上水的热量，水立刻被冻结成鳞片冰附在筒内 壁上，长形冰刀不断旋转，连续将冰刮落，并沿出冰口排出［5］。 片冰机采用全自动控制系统，所有部件设计模块化，便于日 常操作和维护。 2.3输冰系统 螺旋输冰机系统的输冰能力为17.5t/h， 其电机功率为 17kW。 井筒中的输冰保温管采用由聚氨脂保温层包裹的无 缝钢管，聚氨脂保温层外面再套一层玻璃钢外保护层。 输冷 管中沿程阻力损失、单位重力流体的局部能量损失、输冷水 输冷高度压压差一共是155mmH2O柱， 选用D125-257型 安 全 生 产 112 2010．NO．4. ISSN1672-9064 CN35-1272/TK 多级泵3台，其中1台备用，流量为30L/s,电功率为75kW， 防爆。 2.4输冷水管道冷损温升计算 2.4.1空冷器入水管温升计算 因为水泵在入水管的前部，所以入水管的温升由3部分 组成，分别是水泵引起的温升、压头损失引起的温升以及空 气传热引起的温升。 水泵引起的温升 Δt水泵 QB C水m 0.24℃ 式中QB-水泵对冷却水的放热功率/W； C水水的定压比热/J/（kg℃）； m入水管冷却水的流量/（kg/s）。 水头损失引起的温升 Δt水头μLΔP0.34℃ 式中 μ摩擦升温系数2.410 -7℃/Fa； L入水管道长度/m； ΔP单位长度管道的水头损失/（Pa/m）。 管外空气与管内冷冻水的热交换引起的温升 Δt空气KL（T 空气-T冷水） mC水 0.33℃ 式中K空气与水的热交换系数/W/（m℃）； T空气入水管道空气平均温度/ ℃； T冷水入水管道中冷却水温度/℃。 融冰池出口输冷水设计冰浆含量为1.13，入水管中水 泵 引 起 的 温 升 计 算 为0.24℃， 水 头 损 失 引 起 的 温 升 为 0.34℃， 空气传热引起的温升为0.33℃， 入水管的总冷损为 142.7kW。 2.4.2空冷器出水管温升计算 回水管的温升只有压头损失引起的温升和空气传热引 起的温升。 因为回水管中的水温不断变化，所以采用微元迭 代法计算温升及冷损失。 在这里把1749m的管路分成1749 段，在1m的管路内认为回水温度是不变的，由第1段水温 计算第2段水温，如此一直计算到融冰池处的回水管，得到 融冰池的冷却水回水温度。 由于计算中要用到迭代，计算量 很大，于是使用计算机编程来计算。 计算界面如下图2。 由计算机编程计算得冷却水回水至融冰池的温度为 9.53℃。 3降温效果分析 通过设计的冰输冷降温系统， 使采面温度保持在28℃ 以下，有效改善了采面工作环境，提高了个人工作效率，而且 相对湿度降到0.88，使人体能更好的散热，使人体感受到的 温度比28℃更低，达到了良好的降温目地。 设计的冰输冷降 温系统不仅能有效改善工人和机械设备的工作环境，而且制 冷效率高，单位冷量造价低，系统简单，具有很好的实用性和 经济性。 4结论 （1） 通过设计的冰输冷降温系统， 使采面的风温降至 28℃，湿度降到0.88，使采面的工作环境得到有效的改善，保 证了工作人员的安全生产。 （2）由于冰融化时的吸热量非常大，所以在井筒输冷管 道中的冰的质量流量就相对较小，减少了管径，降低了流动 阻力和管道投资。 （3）从系统中流出去的部分回水用于冷却机械设备，不 仅使采面湿度降低、改善了机械设备工作环境，而且使冷却 水的冷量得到充分利用，提高了制冷效率，也不存在排热难 的问题。 （4）所设计的冰输冷降温系统具有输冷量大、设备运行 维护方便、单位冷量投资低等优点，具有很好的实用性。 （5）介绍了冰输冷降温系统的设计过程，为开采深度大、 采面温度高、需冷量大的煤矿提供技术解决方案。 完善了输 冷管道冷损失及温升的计算。 参考文献 1余恒昌.矿山地热与热害治理.北京煤炭工业出版社，1991 2国家安全生产监督管理局.煤矿安全规程．北京煤炭工业出版社， 2009 3菅从光，卫修君，乐俊.冰制冷降温系统经济性运行分析.矿业安全 与环保,2008（8） 4乐俊.高温矿井通风降温理论研究及风流状态预测 ［硕士学位论 文］ .徐州中国矿业大学，2008 图2回水温度编程计算 安 全 生 产 日从藻类中高效提取“绿色原油” 日本电力中央研究所研究人员通过向浮游藻类中添加 能与油脂成分紧密结合的液化二甲醚，成功提取出了可供燃 烧的油脂。利用上述方法所提取的油脂成分相当于干燥藻类 重量的约40，其燃烧后的发热量与汽油相当，可望成为有 价值的“绿色原油”。 113