热害矿井除湿降温技术研究.pdf

论文题目 热害矿井除湿降温技术研究 作者姓名奎醴 专业名称 塞全工程 指导教师苴焦俊 副指导教师 签塞凯 论文提交日期 论文答辩E l 期 授予学位E l 期 入学时间 研究方向 职称 职称 且盟五钟一鹁一塑照 业越』欷一 6 6 6 一 年一生年一 3 3 3 1 1 1 一 O O O 一 篓一 T H ER E S E A R C HO FT H ED E H U M I D I F I C A T I O N C O O L I N GT E C H N O L o G YI N H I G H ．T E M P E R A T U R EM I N E AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FP H I L O S O P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y L iT i a n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rM i a oD e ju n C o l l e g eo fN a t u r a lR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 3 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。 A F F I R M A T I o N 工程硕士生签名 夺酬 日期 Ⅻl ’．6 。 Id e c l a 阳t h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e i n e n t s f o rt h e 删a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n d T e c h n 0 1 0 9 Y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c l ‘n o w l e d g e ．．T h ．e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o n a ta n yo t h e ra c a d e 叫c S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 随着矿井开采深度的增加及机械化程度的提高，越来越多的矿井出现了高温热害问 题。为了解决此问题，大部分矿井采用了机械降温的方法进行降温，现有的方法是采用 空冷器进行降温，是以降温为主，辅以冷冻除湿的降温技术，该降温方式在掘进工作面 冷量长距离输送的过程中冷损严重，到工作地点基本上没有什么效果，因此，需要研制 新型的矿井降温技术。 本文通过现有矿井降温理论和降温技术的比较分析，结合井下热害的具体特点，提 出了以除湿为主，辅以降温的热害矿井除湿降温技术。在对溶液除湿原理分析的基础上， 提出了适合矿井的除湿降温系统，研制了相应的设备。为了有效的控制高温热湿环境， 通过对几种热舒适指标的分析，结合矿工的具体情况，确定了以等效温度作为高温热害 矿井除湿降温的指标。在对矿井风流热质交换分析的基础上，确定了风流温湿度变化的 计算方法。通过对现有降温方式 空冷器 和新型降温技术 除湿降温 的分析，确定 了其需冷量和除湿量的计算方法，并结合实例对不同状况下空冷器和除湿降温设备的冷 负荷进行了计算。采用F L U E N T 软件对现有降温方式和新型降温技术的风流温湿度进行 了模拟，通过理论和模拟对比分析，可知新型降温技术适用于掘进工作面长距离通风， 能有效的改善工作地点的相对湿度，提高工人的热舒适性，而现有的降温技术不能满足 工作环境的需求。最后，新型降温技术在高温热害矿井中进行了应用，取得了较好的效 果。 测 关键词热害矿井除湿降温技术；风流热湿交换；冷负荷；F L U E N T 模拟；现场实 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t W i t ht h ei m p r o v e m e n to fm e c h a n i z a t i o nd e g r e ea n dt h ei n c r e a s eo fm i n ed e p t hi nc o a l m i n i n g ，m o r ea n dm o r em i n e sh a v et h ep r o b l e mo fh i g ht e m p e r a t u r eh e a t - h a r m ．T os o l v et h i s p r o b l e m ，m o s to ft h em i n e st a k et h em e t h o do fm e c h a n i c a lc o o l i n gf o rm i n ec o o l i n g ．N o wt h e a i rc o o l e ri sw i d e l yu s e di nm i n ec o o l i n g ，i t ’Sa c o o l i n gt e c h n o l o g ym a i n l yf o rc o o l i n ga n d w i t hf r o z e nd e h u m i d i f i c a t i o na tt h es a m et i m e ．T h ec o l dl o s so ft h i s c o o l i n gt e c h n o l o g yi s s e r i o u sa tl o n gd i s t a n c et r a n s p o r ti nt u n n e l i n gf a c e s ，a n db a s i c a l l yh a v en oe f f e c tw h e nt h ea i r r e a c h st h ew o r k p l a c e ．S ot h i sp a p e rp r e s e n t san e wc o o l i n gt e c h n o l o g y ． T h i sp a p e rs t u d i e st h ee x i s t i n gc o o l i n gt e c h n o l o g yi nm i n ea n dc o m p a r a s i o no fc o o l i n g t e c h n o l o g y , c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ye n v i r o n m e n t ， p u tf o r w a r dt h ec o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hm a i n l yf o rd e h u m i d i f i c a t i o na n d c o o l i n ga s s i s t e da tt h es a m et i m ei nh i g h t e m p e r a t u r em i n e ．O nt h eb a s i so fa n a l y s i sf o r p r i n c i p l eo fl i q u i dd e s i c c a n t ，d e s i c c a n tc o o l i n gs y s t e ms u i t a b l ef o rm i n ea r ep r o p o s e d ，a n d d e v e l o ps o m ec o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n t s ．I no r d e rt oc o n t r o lh i g ht e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y e n v i r o n m e n te f f e c t i v e l y , t h i sp a p e rd os o m er e s e a r c h e so nh u m a nt h e r m a lc o m f o r ti n d e x ，a n d c h o o s ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ea st h ee v a l u a t i o ni n d e xu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h em i n e r s ． B a s e do nt h ea n a l y s i so fh e a te x c h a n g i n gp r i n c i p l ei nm i n e ，t h ep a p e rd e t e r m i n e sc a l c u l m i o n m e t h o do ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya b o u ta i rf l o w ．T h e nb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e e x i s t i n g w a yo fc o o l i n g a i rc o o l e r a n dt h en e wc o o l i n gt e c h n o l o g y d e s i c c a n tc o o l i n g ，d e t e m f i n e c a l c u l a t i o nm e t h o d so fd e h y ’d r a t i o nq u a n t i t ya n dc o o l i n gc a p a c i t yi nw o r k i n gf a c e ．A c c o r d i n g t op r a c t i c a ls i t u a t i o n s ，t h i sp a p e rc o m p u t e st h ec o o l i n gl o a do ft h ea i rc o o l e ra n dc o o l i n g d e h u m i d i f i c a t i o ne q u i p m e n t ．W i t ht h eu s eo fF L U E N T s o f t w a r e ，t h i sp a p e ri m i t a t e st h ea i r f l o ws t a t u su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ee x i s t i n gc o o l i n g w a ya n dt h en e wc o o l i n gt e c h n o l o g y ． T h e nt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h e o r e t i c a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t ，n e wc o o l i n gt e c h n o l o g yi s s u i t a b l ef o rl o n g ’d i s t a n c ev e n t i l a t i o ni nt u n n e l i n gf a c e s ，i tc a ni m p r o v et h er e l a t i v eh u m i d i t yo f t h ew o r k i n gs i t e e f f e c t i v e l y , a n di m p r o v et h e r m a lc o m f o r to fw o r k e r sw h i l et h ee x i s t i n g c o o l i n gt e c h n o l o g yc a n ’tm e e tt h en e e d so fw o r k i n ge n v i r o n m e n t ．A tl a s t ，t h en e wc o o l i n g t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nh i g ht e m p e r a t u r em i n ea n dg o o dr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d ． 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 K e y w o r d s h i 曲一t e m p e r a t u r em i n e ；d e h u m i d i f i c a t i o nc o o l i n gt e c h n o l o g y ；h e a ta n d m o i s t u r et r a n s f e ri na i r f l o w ；c o o l i n gl o a d ；F L U E N Ts i m u l a t i o n ；f i e l dm e a s u r e m e n t 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外除湿降温技术研究动态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 本课题的研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 高温热害矿井除湿降温技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 矿井除湿降温技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 除湿降温系统研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l 2 ．3 除湿降温评价指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 热害矿井风流热湿交换及除湿量需冷量的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 矿井风流热湿交换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．2 矿井掘进面风流热状况预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 矿井掘进工作面需冷量除湿量的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 除湿降温技术经济性分析及巷道风流模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．1 矿井降温技术的经济性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 掘进工作面风流状态模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 除湿降温系统应用实践⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1 矿井基本情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．2 矿井风流实测数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．3 经济性分析实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 6 主要结论与工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．3 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 Co n t e n t s IA b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1R e s e a r c hb a c k g r o u n d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2T r e n d so f c o o l i n g t e c h n o l o g yr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3C o n t e n ta n dm e t h o d so f t h e r e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4B r i e f s u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2C o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nh i g h - t e m p e r a t u r e m i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．1C o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi n m i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．2R e s e a r c ho f c o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o ns y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．3D e s i c c a n tc o o l i n ge v a l u a t i o ni n d e x ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．4B r i e f s u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3H e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri na i r f l o wa n dt h ed e t e r m i n a t i o no fd e h u m i d i f i c a t i o n q u a n t i t ya n dc o o l i n gc a p a c i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 3 ．1H e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri na i r f l o w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．2P r e d i c t i o no f t h e r m a lc o n d i t i o ni nt u n n e l i n gf a c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3C a l c u l a t i o no fd e h u m i d i f i c a t i o nq u a n t i t ya n dc o o l i n g c a p a c i t yi nt u n n e l i n gf a c e s ．．．．2 8 3 ．4B r i e f s u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4E c o n o m i c a n a l y s i so fc o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea i rs i m u l a t i o n ⋯⋯4 4 4 ．1E c o n o m i ca n a l y s i so fc o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．2A i rs i m u l a t i o ni nt u n n e l i n gf a c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．3B r i e f s u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5A p p l i c a t i o no f c o o l i n gd e h u m i d i f i c a t i o ns y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1B a s i cs i t u a t i o no f t h em i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．2A n a l y s i so f t h ea i rd a t ai nm i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．3E x a m p l eo f e c o n o m i ca n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 ．4B r i e f s u n m m r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 6M a i nc o n c l u s i o n sa n d j o bp r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 6 ．1M a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 ．2I n n o v a t i o np o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71 6 ．3J o b p r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 T h a n k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景 随着当今世界采煤机械化程度的提高以及矿井开采深度的增加，高温热害问题也愈 来愈严重。井下高温高湿的环境极大地危害了矿工的身体健康，降低劳动生产率，同时 危及煤矿安全生产，目前矿井热害已成为威胁煤矿安全生产的六大灾害之一。因此，矿 井热害作为当前世界采矿工业中亟待解决的问题，是各国采矿科研工作者的重要研究内 容。 矿井热害是指井下风流的温度、湿度、风速和焓值达到一定状态后，致使人体散热 困难，劳动生产率下降，工人感到闷热，进而出现大汗不止、头昏、虚脱、呕吐等中暑 症状，甚至引起死亡的自然灾害。为了保障矿工的身心健康。井下各处的空气温度在煤 矿安全规程中都有着详细的规定，调查资料表明，矿内作业环境的气温每超标l ℃，劳 动生产率则下降6 ．8 ％，当气温超过2 8 。C 时，事故发生率将增长2 0 ％t 。 与此同时，井下潮湿的危害也是不可忽视的。第一，在井下高温高湿的环境中，周 围空气对人体的热作用增加，致使人体蒸发散热困难，破坏了人体的热平衡，人就会感 到闷热，烦躁，精神不振，昏昏欲睡，降低工作效率而且不利于安全生产；第二，井下 空气潮湿，会加剧井下材料以及设备的腐烂、锈蚀，导致电气线路绝缘程度下降，缩短 其使用寿命等；第三，长期工作在潮湿的环境中，会影响到矿工的身心健康，使体质下 降甚至引发疾病，从而导致事故率增高，劳动效率降低【列。 由此可见，矿井热害湿害严重影响作业工人的效率以及他们的身心健康，甚至可能 导致一些矿井恶性事故的发生，给矿井的安全生产及其日常管理带来了极大的威胁，必 须采取切实可行的技术措施加以防治。 热害防治技术于2 0 世纪7 0 年代后迅速发展并广泛应用，目前国内外矿井降温技术， 主要分为非人工降温技术和人工降温技术。非人工制冷降温技术，主要是通过增大风流、 改善通风方式等来降低工作面温度，同非人工制冷技术相比，人- r N 冷降温技术则是采 用机械冷却降温，其降温效果较好，应用的范围也更广，技术发展也越来越成熟，已成 为热害矿井降温的主要手段。 人工制冷降温技术往往同时担负着除湿和降温两大功能。除湿通常意味着将空气降 到露点温度以下，使空气中的水分通过冷凝排放出来。而在矿井高温高湿环境中，风流 1 些查型垫莶堂三堡堡圭堂垡堕茎 丝丝 的相对湿度达到了9 0 ％以上，潜热冷负荷比例较大，占到了新风冷负荷的8 0 ％以上，绝 大部分的新风能耗都用于除湿。同时如果处理后的风流温度低，将与风筒外风流有较大 的温差，造成冷量损失。这种制冷除湿方式是制约制冷系统能效比的主要因素。 总之，为了进一步提高高温高湿矿井的降温效果，解决随着矿井开采深度增大而带 来的热害问题，为井下工人提供良好的工作环境，同时减少不必要的冷量损失，本文对 热害矿井除湿降温技术进行研究，提出了一套高效节能经济性好的除湿降温系统。 1 ．2 国内外除湿降温技术研究 1 ．2 ．1 国内外矿井除湿降温技术发展 因为高温热害严重影响了采矿工业的发展，各国自二十世纪初便开始对高温矿井降 温技术的研究。1 9 1 5 年巴西建立了世界上第一个矿井空调系统，并在地面建立集中制冷 站，1 9 1 9 年南非也开始了对矿井风流热力学规律的研究；二十年代，矿内热环境问题的 最初理论开始形成，英国是世界上最早在井下实施空调技术的国家，1 9 2 3 年英国的彭德 尔顿煤矿第一个在采区安设制冷机用来冷却采面风流；三四十年代，矿井风温预测计算 理论开始发展；六十年代，科研工作者开始运用计算机技术进行风温预测；七十年代， 矿内热环境工程的系统专著陆续问世，完整的学科体系就此形成1 3 j 。 我国于五十年代初开始进行矿井降温研究工作，抚顺煤科分院曾对抚顺煤矿高温问 题进行了科学研究，并取得了一定的成果。六十年代在淮南九龙岗矿采用小型制冷设备 对矿井进行降温，降温效果良好。自七十年代以来，各研究单位及科研人员对许多高温 矿井矿内风流的热力状态有计划地进行了系统的观测，用数理统计方法，提出了风温预 测的数学模型，并对煤矿井下生产环境的计算机模拟与预测技术进行了深入的研究。八 十年代初在新汶局孙村矿建立了我国第一个井下集中制冷站，制冷站制冷能力2 3 2 6 K W ； 九十年代，山东新汶矿务局建立了我国第一个矿井地面集中制冷降温系统，也是亚洲最 大的矿井制冷降温系统，该系统的设计制冷能力为5 6 0 0 K W l 3 1 。在此同时，在矿山热力 学、矿井输冷制冷技术等方面的研究工作也取得了重大进展。 然而现有的矿井降温技术多注重于温度的控制方面，而忽略了对湿度的控制，至于 煤矿井下除湿，目前的研究较少，可借鉴地面空调系统。在对地面空调系统的研究中， 液体除湿系统因其优越性倍受青睐，国内外许多科研机构和专家已投入到此领域的研究。 些銮型垫奎兰三堡堡主堂垡笙茎堡丝 1 9 5 5 年，L o f 提出溶液除湿的思想，第一个建立了液体除湿冷却系统，他采用三甘 醇 T E G 作为除湿剂并利用太阳能作为再生热源。R o b i s o n 发现三甘醇 T E G 的黏度 较大，易出现系统循环的不稳定，易挥发，对人体有害，提出采用金属卤素盐溶液 如 C a C l 2 溶液 作为除湿剂，但是它对金属的腐蚀性大。1 9 8 8 年N o v o s e l 和G f i f f i t h s 研究 了以燃气为热源和电制冷为冷源的组合方式；K e s s l i n g 提出了把太阳能蓄能和蒸发制冷 技术相结合的方案；2 0 0 4 年G r o o s s m a n 对除湿蒸发冷却空调系统进行了实验研究问。国 内上海交通大学、天津大学、华南理工大学和西北工业大学等高校也对液体除湿冷却系 统进行了深入研究。 1 ．2 ．2 国内外现有矿井除湿降温技术 1 ．2 ．2 ．1 矿井降温技术 目前国内外常见的降温技术主要分为非人工降温技术和人工降温技术两大类，人工 降温技术又包括人工制冷水空调技术、空气压缩式制冷技术、人工制冰空调技术以及热 电冷联产空调降温技术四种。 1 非人工制冷降温技术 影响矿井风流温度的因素主要有以下几种 1 矿井开拓部署及采区巷道的布置方 式，如采用两翼和分区风井进风，可缩短进风路线长度，将风流布置在低温岩巷中，采 用下行风降温措施等； 2 采煤方法和顶板管理方法，在开采条件相同的情况下，采用 后退式采煤法比前进式漏风小，进风量大，降温效果好 3 风量，可以通过改变风量 来调节矿井风温【5 1 。通过风温预测模型和大量的现场实验，都可以看出增加风量对降温 的作用。这是一种简单易行的降温方法，但降温幅度有限，受到进风温度和围岩温度的 影响，当围岩温度达到一定程度时，不再受风量的影响。 2 人工制冷水空调技术 该技术从二十世纪七十年代迅速发展，使用越来越广泛，技术也越来越成熟。该方 案是采用冷水机组制取冷水，然后将冷水通过绝热管道送到空调区域，利用水冷式表面 冷却器对空调区域进行除湿降温。冷水机组的技术已比较成熟，降温方案设计的重点在 于是根据矿井环境空气状态、热负荷以及空气和水的参数等条件，选择适当的表面冷却 器。然后根据所需制冷量选择合适的冷水机组。 另外，该制冷降温技术可根据制冷设备放置的位置分为四种，井下集中式，地面集 中式，联合式和局部移动式。 坐查型垫奎堂三垦堡主兰篁笙茎堕笙 3 空气压缩式制冷技术 矿用压缩空气制冷系统在现有的矿井空调系统的基础上发展起来的一种新型矿井空 调系统，其基本原理是利用压气作为供冷媒介，直接向采掘工作面喷射冷气制冷。可以 采用离心式压缩机和径向透平减压机组成的机组。常见的有空气透平膨胀制冷系统和压 气节流制冷系统两种。 空气压缩制冷系统设备简单，没有高低压换热器和空冷器、输送管道少、施工难度 低，且工作面冷量分布合理，能有效地解决矿井集中降温中存在的问题。空气即是制冷 剂又是载冷剂，取之不尽用之不竭，无空气污染问题，在高温煤矿应用前景良好。但其 制冷能力小于蒸汽压缩系统，即单位制冷量的投资和年运行费用较高，因此在国内矿井 中应用并不广泛。 4 人- r 带J J 冰空调技术 人T _ 铝I I 冰降温技术是近年来新兴起的一项降温技术。利用地面制冷机组制成粒状冰 或泥状冰，经输冰系统将冰送至井口，然后冰体依靠其自重力，由垂直输冰管道到达井 底硐室，冰依靠自身的惯性进入融冰装置，在融冰装置内，冰与融冰装置中的水进行充 分换热，产生接近0 ℃的冷水，冷水经井下输配管路送到工作面，经空冷器与工作面风 流换热，从而达到降温的目的【们。 制冰技术是利用冰的相变潜热降温，获得同等冷量所需的冰量仅是水的四分之一， 输送到空冷器的冷水温度较低，换热效率高，克服了冷凝热排放困难的问题，尤其是开 采深度大、冷负荷需求很大的矿井，制冰降温系统更显其优越性。缺点在于系统复杂， 辅助设备多，耗能也多。 5 热电冷联产空调降温技术 热电冷联产空调降温就是矿井降温冷源与煤矿热电站联合运行。采用外购电制冷的 矿井空调系统，费用高，并且加重矿区电力紧张、电费昂贵局面，致使成本上涨，导致 经济效果下降。煤矿生产过程中产生大量瓦斯、煤矸石等燃料，危险又污染环境。但是 可以利用这些副产品，建设小型坑口自备热电站用于满足煤矿所需的热电能，还可配置 以热电站为热源的吸收式制冷机，生产高温矿井和地面建筑所需要的冷量，减少污染物 的排放，改善环境提高效益。制冷机房必须设在地面上，因为坑口热电站建在地面，利 用电站余热的制冷机房若设在井底车场附近，需将热量沿保温管道由地面输送到井底， 热损较大。 因制冷设备位于井上，冷水经过近千米的立管输送，将会产生很大的压力，此时需 4 坐奎型垫奎兰三堡堡主兰垡堡塞堡垒 要将高压水减压，选用合理高效的高低压换热器进行减压至关重要。 6 矿用空冷器 单对矿井掘进工作面降温而言，目前常用矿用空冷器对风流进行降温处理。矿用空 冷器，主要可分为表面式空冷器和直接接触式空冷器两类。 表面式空冷器结构紧凑、体积小、不污染井下工作环境、适应性强，因而倍受青睐。 表面式空冷器为了提高其换热效率，在肋管上增设翅片以增加换热面积。但是由于矿井 井下条件恶劣、粉尘浓度高，表面式空冷器很快被灰尘覆盖，难以发挥应有的效率，为 适应井下恶劣环境，又研究出传热效率低的光管式空冷器。目前我国还是以翅片式空冷 器为主，将突破点放在空冷器清洗装置的研制上。 直接接触式空冷器换热效率高，但是体积较大因而限制了使用，为适应各种场合需 要，各国专家致力于研究机动灵活、体积小的直接接触式空冷器。 1 ．2 ．2 ．2 空气除湿技术 常用的空气除湿技术有冷冻除湿、压缩除湿、热管除湿、转轮除湿和溶液除湿等p 1 。 1 冷冻除湿 冷冻除湿因为能耗小、操作简单，易于控制而得到广泛的应用。冷冻除湿机采用冷 冻除湿的原理，以制冷机为冷源，直接蒸发式冷却器为冷却设备，通过将气温降至露点 温度以下，析出水汽而降低空气的绝对含湿量，从而达到除湿的目的。 2 压缩除湿 压缩空气除湿机的工作机理是将空气压缩再冷却，空气中的水气即凝结成水。将压 缩空气除湿机凝结的水排除再加热即可获得低湿度的空气。特点是适合小风量，低露