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深井降温冰冷却系统的应用 河北建筑科技学院 王景刚 乔 华 冯如彬 提要 介绍了矿井降温用冰冷却系统,对系统所涉及的粒状冰和泥状冰的制备、 输送及融 解等进行了研究和分析,提出了冰冷却系统应用的基本原则和方法。 关键词 矿井空调 冰冷却系统 制备 输送 融解 Ic e c o oling for d e ep c o almines By WangJinggang ★, Qiao Hua and Feng Rubin Abs t ra c t Dis cuss es t he ic e c ooling sys t em f or de ep mines , s t udies t he p roc ess f or ic e making , t ransp ort a tion and melting , and p res ent s t he p rinciples and p roc e dures of using t he ic e c ooling sys t em. Keywords c oalmine air c onditioning , ic e c ooling sys t em , manuf a c t ure , t ransp ort a tion , melting ★Hebei Institute of Technology , China 0 引言 ① 目前,矿井空调使用的冷水机组,通常布置在地面井口 附近或井下,随着众多矿井逐步向深部延伸和矿山热害的 日益严重,此类系统方式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 冷空调系统越来越难以适应深井矿的降温需要。鉴于上述 原因,80年代初南非等国开始提出用冰冷却进行矿井降 温,并就此开始了对深井降温的冰冷却空调系统的应用研 究[1～4]。 所谓冰冷却空调系统,就是利用地面制冰厂制取的粒 状冰或泥状冰,通过风力或水力输送至井下的融冰装置,在 融冰装置内,冰与井下空调回水直接换热,使空调回水的温 度降低。 作为一项矿井空调的新技术,冰冷却空调系统的应用 主要应考虑冰冷却空调系统的具体方式、 冰的制备、 冰的 输送和冰的融解等问题。 1 冰的制备和系统方式 根据冰的形状可以分为粒状冰和泥状冰,根据制冰的 3 本课题为煤炭科学基金资助项目编号92安11008 传热机理可分为直接传热和间接传热两种。采用的冰的状 态不同又决定了整个系统方式和设备的差异。 1. 1 粒状冰及相应的系统形式 粒状冰冷却系统所采用的冰粒形状有多种,如立方体、 锥体、 圆柱体、 管状和片状等,其形状主要是由制冰机蒸发 器的几何形式所决定的。制取粒状冰需要制冰机有较低的 蒸发温度 - 15～- 30℃ , 这使得制冰机的性能系数降 低,COP约在2.0～3.5范围之内。比较而言,管状与片状 冰的制冰机COP要比立方体、 锥体等块状冰的制冰机高。 粒状冰的优点是,较低的蒸发温度使得冰粒具有较大 的过冷度,从而可以减小输送过程中的冰融化损失,而且便 于输送,同时制冰设备制造技术也比较成熟。 粒状冰制冰机的工作过程分为冻结和收冰两个阶段。 制冰和收冰的时间影响着制冰机的性能,在空调冰冷却系 统中,一般制冰期为10～20 min ,收冰期为60～90 s[5]。 1. 2 泥状冰的制备和系统方式 泥状冰是指水或盐水中混合的小冰晶,制取时形成的 小冰晶从盐水中析出,冰会比生成它的溶液纯净,这个过程 67技术交流园地 2000年第30卷第4期 ① 王景刚,男,1962年12月生,在读博士,副教授,系副主任 056038河北邯郸市河北建筑科技学院城建系 0310 6020922 - 3038 收稿日期1998 - 12 - 07 稿件修回日期2000 - 03 - 13 叫做冰冻除盐。 用于空调的大规模泥状冰的制备有以下3种方法 ① 间接传热法。水或者盐水通过浸没于制冷剂的管 子,在水流的内部产生小的冰晶核,从而形成水和冰晶核共 存的泥冰状态。② 真空制冰法。在一个密闭的容器内,通 过不断地抽出含有盐分的水蒸气,达到沸腾与凝结同时存 在的三相点状态,在该状态,冰、 液体水和水蒸气共存,通过 不断搅拌,冰泥可持续不断地产生。就一般情况而言,每产 生7. 5 kg的冰泥,约需抽放1 kg的水蒸气[5]。③ 直接传热 制冰法。盐水和不溶性冷剂液体的混合液通过喷嘴在密闭 容器内雾化,混合液被冷剂的蒸发所冷却,形成冰晶核和盐 水共存的泥状冰状态。 盐分对冰泥的形成具有重要的影响,对空调系统而言, 适宜的含盐浓度为5 ～10 [5]。 不同形式的冰冷却系统各有其优缺点,综合考虑各种 因素,推荐采用粒状冰中的管状冰和片状冰以及利用真空 制冰法的泥状冰。 2 冰的输送 冰一般通过管道输送,由于在相同的冷负荷下输送的冰 量只占输送冷冻水量的1/ 4～1/ 5 ,所以冰输送管径比冷冻 水管径要小。冰的输送方法有传送带输送、 风力输送、 水力 输送和重力输送几种。不同形状冰和不同的输送位置应采 用不同的输送方式。 2. 1 粒状冰的输送 粒状冰从制冰厂到竖井井口可采用传送带或风力输 送,竖井内以及井下到融冰槽的水平段可采用重力输送。 风力输送属于管道输送的一种方式,压缩空气的压力应保 持在150 kPa以上,实际应用时可达到400 kPa。空气温度 宜在8℃ 以下[6 ,7]。 冰粒在井筒立管中的流动状态基本有两种,一种是稀 释状态,冰粒基本保持原形,并持续均匀地移动;一种是浓 稠状态,冰粒呈团状间断地流动,如果冰 风比输冰量与 风量之比过高,极易形成浓稠流动状态,伴随着冰块的挤 压,管道有阻塞的危险。在实际运行过程中应随时调整输 冰速度和压缩空气量,防止冰块过于密集,导致管道阻塞或 破裂。 由于片状冰的表面积 质量比比较大,较之管状冰更 容易相互粘连,而导致管道阻塞,所以实际应用中应首选管 状冰。对于管状冰,其安全输送的冰 风比宜控制在3. 0 以下。 工业实验表明,使用非塑性聚氯乙烯管道UPVC比 钢管更有利于粒状冰的输送。为保证冰粒在竖井井底车场 能依靠其垂直降落的势能作用而水平移动到数百m远的 融冰地点,管道的曲率半径应大于3 m;管径的大小根据输 冰量和冰的设计流速确定,实际应用中,冰的流速宜保持在 0. 5～2. 5 m/ s之间。 2. 2 泥状冰的输送 泥状冰只能采用水力输送,对管道和泵都没有特殊要 求,其优点是可以直接利用改造后的冷水管道进行输送。为 了减轻过高的静水压力对井下设备的影响,可采用高低压换 热器,也可安装水轮机等水能回收装置,以减少输送能耗。 3 冰的融化 为了保证冰的融化速度,必须在井下设置专门的融冰 装置。根据文献[1 ,3 ,5]和笔者所进行的融冰实验[8],提出 了以下融冰槽的结构形式为了保证进入融冰槽水流的均 匀,融冰槽上方应设置一个布水器,通常是由多孔板或多孔 管道做成的;融冰槽的主体是叠层冰床,一般做成圆形断 面,冰床高度应满足出水温度的要求;融冰槽的底部为冷水 池,冰床与水池之间设有多孔板或支撑网板。多孔板孔径 一般为8～10 mm ,开孔率在50 左右。为适应负荷和输 冰量的变动,融冰槽应保证一定的高度,兼作储冰仓用。 实验表明,冰水之间的直接换热十分剧烈,对于20℃ 左右的矿井空调回水,只要融冰槽冰床高度保持在1 m左 右,即可获得接近0℃ 出水温度[8]。实际设计时,冰床高 度宜在1～2 m范围内。融冰槽直径可根据所应满足的换 热能力加以确定,一般为5～10倍输冰管道直径。由于井 上井下相距数百m甚至数千m ,为确保输冰量和融冰量之 间的平衡,维持冰床一定的高度,必须对系统进行自动控 制。同时,需调节制冰厂的制冰量,使输冰量和产冰量相平 衡。 4 结论 4. 1 适合矿井空调的冰的形式为管状冰、 片状冰以及由真 空制冰法形成的泥状冰; 4. 2 粒状冰宜采用井下融冰的方式,泥状冰可采用高低压 换热器或直接输送到空冷器; 4. 3 粒状冰宜采用风力输送,泥状冰只能采用水力输送; 4. 4 融冰槽的结构设计应保证出水温度和冰量调节的要 求; 4. 5 系统的控制设计应保证产冰量、 输冰量和融冰量之间 的平衡。 参考文献 1 Sheer T J , Correia R M. Research into the use of ice for cooling deep mines.In Third International Mine Ventilation Congress , Harrogate , 1984. 2 Middleton J V G, Muller A A. A surface ice plant for provision of ice for the cooling of service water in an OFS gold mine. GOLD 100. Proceeding of the International Conference on Gold.Gold Mining Technology , V1 Johannesburg , SAIMM ,1986. 3 Sheer T J , Chaplain E J , Correia R M. Some recent development in the use of ice for cooling mines. Journal of the Mine Ventilation Society of South Africa , 1985 ,6 . 4 Dohmen A , Hagen G. Strategies for improvement of the thermal environmentindeepcoalmines.4thUS MineVentilation Symposium , Berkeley , CA USA ,1993. 5 PhersonMJ.Subsurfaceventilationandenvironmental engineering. Chapman Hall ,1993. 6 Sheer TJ. Pneumatic conveying of ice particles through mine2shaft pipelines. Power Technology , 1995 ,853 203 - 219. 7 Fujita , Toshihiko. Hydraulic transport of ice2water mixtures. Trans of the JAR ,1993 , 103 349 - 356 ,1993. 8 王景刚,等.深井降温冰冷却理论研究报告.煤炭科学基金资助 项目,1998. 77 暖通空调HVAC 技术交流园地