煤矿移动式救生舱冷却方案分析比较.pdf

4 煤矿移动式救生舱冷却方案分析比较 电气防爆 2 0 1 1 ， 4 煤矿移动式救生舱冷却方案分析比较 董仲恒 ， 袁文正。 ， 丁飞 ， 马经刚 1 ． 南阳市一通防爆电气有限公司， 河南 南阳4 7 3 0 0 8 ； 2 ． 南阳防爆电气研究所， 河南 南阳4 7 3 0 0 8 ； 3 ． 航天科工集团第二研究院6 9 9 厂， 北京 1 0 0 0 3 9 [ 关键词 ]C 0 2 制冷 ； 蓄冰制冷 ； 压风制冷 [ 摘要 ]救生舱内的制冷系统有多种制冷方法 ， 本文重点对 C O 制冷、 蓄冰制冷、 压风制 冷三种方法的安全性和防爆性能进行对比， 尤其对蓄冰制冷方法中蓄冰量的计算进行了介绍， 对三种制冷方法的优点和局限性进行了详细的分析， 希望对于煤矿在选用移动式救生舱制冷 方法时能有借鉴作用。 [ 中图 分类号] I D 7 7 4 [ 文献标识码] A [ 文 章编号] 1 o o 4 9 1 1 8 2 0 1 1 0 4 0 O 0 4 0 4 A n a l y c C o m p a r i s o n o f c o o u n g S c h e me f o r Mo b il e R e s c u e C a l ． 1 l e i n C 0 a l Mi n e D ON G Z h o n gh e n g I ， Y UA N We nz h e n g 2 ， D I N G F e i 3 ，M A J i n g g a n g I 1 ． N a n y a n g Y i t o n g E x p lo s i o n p r o o f E l e c t r ic C o ． ， ． ， t h n a n N a n y a n g 4 7 3 0 0 0 ； 2．Na n y a n g E x p l o s i o n尸 e d E l e c t r i c a l a p p a r R e s e a r c h I n s t i t u t e ． t hn a n N a n y a n g 4 7 3 0 0 8 ； 3 ． N o 6 9 9 F a c t o r o f t h e S e c o n d h u t h u t e o f A e r o s p a c e S c i e n c e a nd T e c h n o y C o r p o r a t io n ， ＆慨1 0 0 0 3 9 K e y w o r d s C 0 2 r e f r i g e r a t i o n ； i c e s t o r e d re f ri g e r a t i o n ； c o m p re s s e d a i r re f r i g e r a t i o n Ah c t Ma n y t y p e s o f ref r i g e r a t i o n s y s t e m s u s e d i n s i d e o f r e s c u e c a p s u l e a l ℃a d o p t e d a mo n g t h e ma n u f a c t u r e r s i n C h i n a ． T h i s a r d c l e f o c u s O R t h e c o m p a r i s o n o f e x p l o s i o n p m t e c fi o n p r o p e r t i e s f o r t h r e e c o o l i n g m o d e s ， t h e y a r e C r e f r i g e r - a ti o n ，i c e s r a g e r e f r i g e rati o n a n d c o m p r e s s e d a i r r e f ri g e r a ti o n ， e s p e c i a l l y p r e s e n t s c a l c u l a ti o n O I l t h e i c e c o n c e n t r a ti o nf o r i c e s t o r a g e ref ri g e r a ti o n ．I t a l s o a n a l y z e s i n d e t a i l s a b o u t t h e me ri t a n d li mi t a ti o n s o f the th r e e t y p e s o f ref r i g e r a ti o n me t h - Ms ．T h e a u th o r ma k e s a t t e mp t s i n t h i s a s pec t ，h o p i n g i t c a l l b e h e l p f ul t o s e l e c t c o o l i ng me t h o d f o r mo b i l e r e s c u e c a p s ule u s e d i n c o a l mi B e ． O 概述 目前我国的煤矿避险设施主要分为避难硐室 和移动式救生舱两种 ， 从事后者研制和生产 的公 司很多， 但基本上都是按照国家煤矿安监总局发 布的 煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定 的要求设计 。在额定 防护时间 内， 紧急避险设施 内部环境温度不高于 3 5℃ ， 而灾难发生时 ， 特别 是当井下发生瓦斯爆 炸时， 避险设施外部环境温 度在较长时间内会维持在 5 O℃以上 ， 为保护在舱 内避难的矿工， 救生舱的制冷降温手段必须可靠。 笔者对全国各主要厂家的可移动救生舱进行了调 查， 尤其是对其温度调节系统进行了较详细的分 析比较。目前矿用可移动救生舱中， 温度调节系 统的制冷方法 因研制厂家不同差异很大 ， 其主要 降温方法有三类 一是二氧化碳相变制冷； 二是空 调蓄冰制冷 ； 三是利用 已接人救生舱 的矿井压风 [ 收稿 13期] 2 0 1 1 0 72 8 [ 作者简介】 董仲恒， 男， 1 9 7 1 年生 ， 工程师 ， 毕业于湖南工程学院电气系电机专业， 先后从事电机设计、 机电课程教学和防爆电气的 研发工作。 电气防爆 2 0 1 1 ， 4 煤矿移动式救生舱冷却方案分析比较 5 管路内的高压空气制冷。 1 C O 相变制冷分析介绍 C o 2 相变制冷的方法是利用超临界压力下的 核态 c o 2 沸腾吸热制冷。在条件相同的情况下， c 沸腾换热系数比其它常用的制冷剂换热系数 要高一倍甚至更多， c O 2 这种 良好的传热性能使 得在设计单位长度内获得很高的换热系数的高效 换热器成为可能， 这也是目前以生产救生舱为主 的公司， 力推的舱内降温方法。该方法是利用储 存在隔舱中钢瓶内的高压压缩核态 c o 2 作为制 冷剂， 在事故发生时， 高压液态 c o 2 在微通道蒸 发式散热器中依靠强迫对流沸腾和核态沸腾换 热， 从而达到降温效果， 这种制冷方法用于救生舱 内制冷有以下优势 1 超临界状态下的 c o 2 流体优良的传热和 热力学特性使得其换热器的效率很高， 使舱内的 空调系统能效较高， 且空调系统无需电力支持。 2 高压钢瓶内的 c O 2 在释压过程中， 不仅因 相变沸腾吸收大量热量， 还能为舱内空气循环用 风扇提供动力支持， 这对于无电源环境条件来说 非常宝贵。 3 制冷系统没有用水， 舱内湿度容易控制。 但该种制冷方式用于救生舱有几点不足 ， 如处理 不当或没有考虑适用环境， 有时可能会带来较严 重的后果 ①由于 C O 2 有较低的临界温度 3 1 ． 1℃ ， 当 救生舱环境温度高于此温度时， 使用 c 0 2 的系统 在高放热温度下会出现低的 C O P ， 其制冷能力会 损失甚至消失。这对于用于煤矿井下救生舱内的 制冷系统来说是个不足 ， 这是因为 首先 ， 我国煤矿大多是处 于地面 5 0 0 m 以下 的深井 ， 很多矿井井下温度高于 3 0℃， 钢瓶 内的 液态 C o 2 在井下长期存储 过程 中很可 能会 因吸 热发生相变， 等到事故发生时， 早已失去相变制冷 功能。 其次， 井下瓦斯爆炸事故发生时， 环境温度较 高， 估计长时间为 5 5℃左右， 在此环境中 C o 2 钢 瓶本身需要制冷降温保护， 如没有进行冷却保护， c O 2 钢瓶数量再多其制冷时间也很有限， 如某公 司的救生舱适用范围与条件 有煤瓦斯突出、 瓦斯煤尘爆炸、 冒顶塌方危险 的矿井； 相对湿度 09 5 ％； 环境温度 5 5℃， 1 2 h ， 2 5℃， 1 0 8 h ； 海拔高度 不大于 1 0 0 0m。大气压力 7 0 k P a ～ 11 0 KP a 井巷空间尺寸 高度不小于 2 m， 宽度不小于 1 ． 8 m； 的 1 2 人舱用了4 8 瓶 c O 2 气体， 但在 5 5 ℃ 的环境 中， 只能坚持 1 2h 。 ②c 0 2 制冷系统用于煤矿救生舱 中会增加煤 矿井下危险性。制冷系统中钢瓶内 c O 2 的压力 应大于 7 ． 3 7 2 M P a p c 值 ， 其压力是常用 C H C 1F 2 类制冷剂的3 5 倍， 故其制冷环节中的各个部件 必须针对高压特别设计 ， 同时必须安装安全装置 如安全阀来保障超压安全 ； 而由于 C 0 2 三相点压 力介于大气压力和系统工作压力之间， 流体在通 过安全阀排放的过程中可能会形成固体 c O 2 ， 即 干冰， 这会导致 c O 2 安全阀和下游管路的冻结和 堵塞 ， 影响安全 阀的正常运行。在 C o 2 三种状态 混合物流动过程中， 下游管道里蒸汽和固体颗粒 之间的剧烈摩擦会产生静 电， 静 电的强度会随管 道里 c 0 2 蒸汽干度的增高、 固体颗粒比例含量的 减少而增强 ， 有时甚至会因此而产生电火花 ， 该特 性试验在由丁国良主编的 二氧化碳制冷技术 中 已有详细的试验描述。当然， 该类电火花的能量 较小， 应该在不能点燃瓦斯的水平； 冷却通气管路 如完全由金属材料组成且接地 良好 ， 静电的危 险 性应能降至最低 。 ③ 由于制冷 系统 中 C 0 2 多 为气液两相共存 系统 ， 发生意外 导致部件 和管道破坏时可能发生 所谓沸腾液体蒸汽爆炸， 从而会给救生舱内带来 新的危害。 由以上分析可知， 二氧化碳相变制冷用于煤 矿井下救生舱， 尽管其有很多优越性， 但存有一定 的风险， 需要用标准对其进行规范， 尤其是其管路 的密封性能和爆破强度 。 6 煤矿移动式救生舱冷却方案分析比较 电气防爆 2 0 1 1 ， 4 2 空调蓄冰制冷分析 空调蓄冰制冷是用空调压缩机将救生舱内蓄 冰柜内的水冷却制冰， 并使冰尽可能保持在低温 状态， 在事故发生时 ， 启动舱内用于驱动空气循环 和热交换用风机， 柜内的冰逐渐融化吸收热量， 从 而达到降温目的。该方法基本上是利用已有的成 熟技术， 并将其应用于煤矿井下。其基本思路和 出发点是力求救生舱制冷系统能够安全、 稳定 ， 万 无一失。其优势在于 1 思路简单清晰， 可以对救生舱在救生时建 立较清晰的换热平衡方程 ， 几乎没有难 以确定和 模糊的因数存在。 K h Js [ t l ， rt d 一t N ] 9 63 6 0 0 4 n 1 n 2 q 曲 1 n 3 P 9 63 6 0 0 ≤ ‘ ， 扎 水‘ c 一 1 式中 ，h Js [ t 1 ， r d K 一 N ] 9 6 3 6 0 0 一 救生舱在 9 6 小时内由外部环境传到内舱的总的 热量 4 g 舱内避险人员4天内的总的发 热量 1 一 n 3 P 9 6 3 6 O 舱内设备的 总发热量 m水 c p l - 一 蓄冰柜能吸收 的 总热量 式中 救生舱外壳的综合传热系数， W／ m 2 ℃ 5 救生舱外壳的传热面积， m 2 舱内环境空气设计温度， ℃ t h 舱体外壳热负荷计算温度， ℃ t d 外 壳热负荷计 算温度 地点修正 系 数， ℃ 外壳内表面放热系数的修正值 外壳外表面吸热系数的修正值 ， 舱内人数 n 群集系数 g 曲成年男子每人每天的总发热量 救生舱综合传热系数 按下述方法计算 1 ／ R 2 表示舱外空气 与舱 内空气 间的总热阻， 其 按下式计算 1 砉 l 3 式中 和 h 分别为舱 外壁 和内壁表面传热 系 数， 因内外表面传热系数与环境空气的流动速度 有关， 故增加内外壁表面系数修正值 和 以 及测量点修正值 壹 为舱壁墙体热阻， 图1 为 舱壁结构简图 ， 其 中空复合 金属材料 的导人系数 很小， 隔热效果很好， 而舱壁机械强度较高， 为各组成部分壁厚， 舱体墙壁热阻为 R t l ／ 2 t 1 2 ／ 2 3 ／ 3 4 ／ ． 【 4 4 2 设备简单 ， 且维修及操作方便。 图 1 某舱壁结构简图 3 安全可靠， 制冷设备中的压缩机、 风机及 其 电控装置均安装在救生舱外 ， 与人员舱隔离 ， 只 有冷却管路通过开关阀门进人舱内， 如事故发生， 关闭舱内阀门， 靠舱内的蓄冰柜吸热制冷， 且该制 冷设备所用制冷剂 1 1 2 2性能稳定可靠 ， 表 I 是其 主要性能和毒性与 c O 2 制冷剂 R 7 4 4 的比较。 从以上数据分析可知， 无论是 1t 2 2 或 c O 2 都 不能做到十全十美 ， R 2 2化学性能稳定 ， 释放后会 积聚， 能导致一定的温室效应。在火灾发生时， 如 在较长时间特高温环境下， c 0 2 系统也可能会因 管路破裂发生沸腾液体蒸汽爆炸。作为煤矿井下 救生制冷系统 ， 在不影响其制冰功能的前提下 ， 压 缩机功率应越小越好、 制冷剂用量越少越安全。 防爆空调装置安置处一定要为耐温防火材料。 电气防爆 2 0 1 1 ， 4 煤矿移动式救生舱冷却方案分析比较 7 该方案不足之处是需要长期消耗电能， 需在 蓄冰柜的保温功能上不断完善和改进， 把平时的 消耗降至最低 。 表 1 制冷剂 t 1 2 2与 R 7 4 4性能对比 ＼ 名称 序 号 ＼ R 2 2 R 7 44 1 性质 ＼ 1 分子式 C HC l F 1 C 0 2 2 气体常数 R ／ J ／ k g K 8 6 ． 4 8 4 4 ． 0 l 3 绝热指数 1 ． 2 O 1 ． 3 O 4 消耗臭氧层潜能 O D P O ． O 5 5 O 5 全球变暖潜能 G WP 1 6 o 0 1 6 临界温度 t c ／ ℃ 9 6 ． 0 3 1 ． 1 7 临界压力 p e ／ MP a 4 ． 9 7 4 7 ． 3 7 2 8 三相点温度 t／ ％ 一1 6 o 一5 6 ． 5 5 9 可燃性 否 否 空气中极限 1 h内能造成 1 0 1 8 ～ 2 2 ． 6 2 9 ～ 3 O 人员伤亡 含量， ％ 低毒 、 不 低毒、 不 l 1 安全等级评价 传播火焰 传播火焰 3 压风制冷分析 压风制冷 ， 是利用 已接人救 生舱 的矿井压风 管路内的流动空气 ， 在进入舱体前再用压力空气 泵进行二次加压， 高压空气流体进入舱内安装的 换热器， 在换热器内， 高压空气流体降压， 吸收热 量 ， 从而对舱内产生制冷效果 。 这类冷却方法， 首先对事故发生时的舱体换 热器建立能量平衡方程 d m 2 c p t 2 T 1 匆 一d m1 c p I 】 1 0 5 式中 d m 。 C 口 I2 进入换热器单元控制体积的 流体的焓 幽从换热器单元壁面到流体的换热量 d m c p ， 】 。 流出换热器单元控 制体积的流体的焓 换热器按交叉 流换热器建立数学模型 ， 交叉 流根据为两流体惨混与否分别对待， 这是因为流 体为空气时， 分为冷却空气进舱和不进舱两种， 如 进入舱 内， 则气路上需增加空气过滤系统 。 由上可看出换热器 的优化设计有一定难度 ， 在确定了换热器结构参数后 ， 可确定流体在其 内 的流速 和压降 △ P， 进而能得出压力泵的泵功 P ， ㈤ p l 0 】7 式中 仉 为泵的效率。 该种制冷方法 ， 利用了井下 已有的设备条件 ， 相对于前面两种， 从安全性和使用成本上分析， 有 很大优势， 但其有效性必须有两个前提 首先是矿 难发生时 ， 电力不能中断 ， 因压缩泵功率较大 ， 电 池很难满足其要求 ； 其次是事故发生时井下风管 不能有故障， 风路畅通， 要保障这两点， 其成功概 率不高， 该方式还需要较长的探索和研制过程。 4 结论及展 望 总之 ， 煤矿井下避难设备的研制 ， 目前还算是 一 个 比较新的课题 ， 尤其 是在我 国这样一个煤炭 生产大国， 救生系统需要 面对错综复杂的井下环 境 ， 不同地 区、 不 同地面深度 的矿井情况差异很 大， 而灾难发生时， 其严酷等级很高， 故避难设备 需要针对具体环境地点量身订做， 尤其是解决灾 难时 高 温环 境 下 的降 温 问题 ， 更 应 区别 对待。 c 0 2 相变制冷的救生舱存有一定的风险和危险 性 ， 应探讨将其用于深度较浅的低温井的可行性 ； 空调蓄冰制冷的救生舱适用于高温深井较有优 势， 但其长期的能耗不尽人意； 而压风制冷 目 前作 为救生舱备用制冷方式是比较务实之举。在选用 这些制冷方法时， 如果没有具体分析， 很可能起不 到预期效果。 参考文献 [ 1 ] 丁国良． 二氧化碳制冷技术[ M ] ． 北京 化工工业出版 社 ． 2 0 0 7 ． [ 2 ] 沙拉 美 ． 换热器设计技术[ T ] ． 程林 ， 译． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 安娜 一玛丽娅 比安什 罗马尼亚 ， 伊夫 福泰勒 法 国 ， 雅克琳那 埃黛 法 国 ． 传热学[ T ] ． 王晓东， 译． 大连 大连理工大学出版社 ， 2 0 0 8 ．