真空制冰矿井降温输冰关键技术的研究.pdf

分类号 U DC 密 级 学校代码 Q 1 2 2 武属理歹大穿 学位论文 题E l真窒剑鲞壁盘隆垂捡鲞差毽垫盔鲍壁寇 萝苣文 B 曼s 曼墼鱼hQ 坠K 曼Y 曼鱼h 坠Q Q g i 星Q ￡] D ￡垦坠P Q 盟i 旦g 昼星 题目i 塾y i 丝坠幽 坌星鱼￡旦星星p △焦i 塾星￡Q Q i 垒g 研究生姓名堇啦珥 姓名塑盔壁职称垫撞 指导教师单位名称圭盔王堡生建筮鲎瞳邮编 4 3 0 0 7 0 学科专业名称堡垫 垡丛氢 通凰盈窒塑兰堡 论文提交日期2Q 13 生 旦论文答辩H 期2Q 13 生5 旦 学位授予单位盍墨垄兰盘堂学位授予日期 答辩委员会主席至睦评阅人送鲎堑 王晓 2 0 1 3 年4 月 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名冱驾母日期丝』丕生 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 保密的论文在解密 摘要 对于一个超过1 0 0 0 m 深度甚至更深的矿井来说，一个很大的难题就是如何 设计一个可行的制冷系统以保证井下有一个较好的工作环境。然而仅仅依靠通风 系统是无法带走全部热量带走的，因此使用冷水作为冷媒来吸收并带走大部分的 热量，吸收热量后升温的水再被水泵打到地面。但是利用冷水存在一些问题，例 如用水量大，沿程温升，渗漏等如果利用冰来代替水作为冷媒，在吸收井下同 等热量的情况下，将节省四分之一的用量，这节约了很大的能源和费用。因此， 本文不同于以往研究冷水做冷媒，而是研究冰作为冷媒的矿井制冷系统。 一般而言，矿井管道输送有两种形态的冰一种称为硬冰，一种称为冰浆。 硬冰就是完全干燥的冰，按形状不同又可以分为片冰、板冰、颗粒冰等；冰浆就 是通过脱水冰水混合物制得，其中含有大概6 5 ％”7 5 ％冰晶固体。不同形态的冰 有不同的制取方式，本文主要研究真空制冰方式。 由于输冰的形态不同，输冰管路系统的设计也各有特点。一个完整的输冰系 统管路包括若干水平和垂直部分。如何顺利地将冰从地面输送至井下，采用何种 输送方式，是本文研究的重点。对于气动输冰而言，系统设计主要考虑的是如何 防止冰堵，可保证输送又具有经济性的输气速度为多大，冰浆和冰粒在管道中的 流动和压降情况如何等因素。因为管道输冰时，空气占据了绝大部分的体积分数， 因此空气和冰的流动可以近似地看成是一个关于空气和潮湿固体的两相流。 关键词真空制冰；气动输送；输冰工艺 A b s t r a c t F o ram o r et h a nl0 0 0 md e p t ha n de v e nd e e p e rm i n e ，o n eo ft h em o s th a r dw o r k i st od e s i g na na v a i l a b l er e f r i g e r a t i o ns y s t e mt op r o v i d ec o m f o r t a b l ew o r k i n g e n v i r o n m e n t ．H o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt or e m o v et h eh e a tf r o mu n d e r g r o u n db y v e n t i l a t i o ns y s t e m ．S oc o l dw a t e ri su s e da Sr e f r i g e r a n tt oa b s o r bm o s to ft h eh e a ta n d t h ew a t e rh e a t e di sp u m p e dt ot h eg r o u n d ．S t i l lt h e r ea r es o m ep r o b l e m sb yu s i n gc o l d w a t e rs u c ha sl a r g ew a t e rc o n s u m p t i o n , t e m p e r a t u r er i s i n ga l o n gt h ep i p ea n dl e a k a g e ． I fw eu s ei c ea sc o l dm e d i u mi n s t e a do fc o l dw a t e r ，i tw i l ls a v eaq u a r t e rc o n s u m p t i o n o nt h ec o n d i t i o no ft h ee q u i v a l e n tu n d e r g r o u n dh e a t ．T h i sa r t i c l ed i f f e r sf r o mp r e v i o u s r e s e a r c hw h i c hm a i n l ys t u d yc o l dw a t e r , b u td i s c u s sm i n er e f r i g e r a t i o ns y s t e m sw i Ⅱ1 i c e ． G e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h e r ea r et w ot y p e so fi c ei nu n d e r g r o u n dt r a n s p o r t i n gp i p e s o n ei sh a r di c e ，t h eo t h e ri ss l u r r yi c e ．H a r di c ei sc o m p l e t e l yd r yi c ea n dd i v i d e di n t o i c ep i e c ea n di c ep a r t i c l e ，e t c ；s l u r r yi c ew h i c hc o n t a i n so v e r7 5 ％s o l i di c ei sm a d eb y c o n c e n t r a t i o nt h em i x u r eo fi c ea n dw a t e r ．D i f f e r e n tt y p e so fi c ea r em a d eb yd i f f e r e n t w a y s ，a n dt h i sp a p e ra i m st Os t u d yv a c u u m i c e ． D u et od i f f e r e n tt y p e so fi c e ，t h ed e s i g no ft r a n s p o r t i n gp i p e l i n es y s t e m si s d i f f e r e n t ．Ac o m p l e t et r a n s p o r t i n gp i p e l i n es y s t e mi n c l u d e ss e v e r a lh o r i z o n t a la n d v e r t i c a lp a r t s ．T h i sp a p e rf o c u s e so nt h a th o wt ot r a n s p o r ti c ef r o ms u r f a c et o u n d e r g r o u n ds m o o t h l ya n dh o wt o c h o o s e sas u i t a b l et r a n s p o r t i n gw a y ．F o ra p n e u m a t i ct r a n s p o r t i n gs y s t e m ，t h ek e yp o i n to fs y s t e md e s i g ni st oa v o i d i c ec l o g g i n g a n dc a l c u l a t ee c o n o m i ct r a n s p o r t i n gg a ss p e e d ，p r e s s u r el o s sa l o n gt h ep i p ea n df l o w r e g i o n ．T h ef l o wo fa i ra n d i c eC a nb ea p p r o x i m a t e l yr e g a r d e da Sat w e - p h a s ef l o wo f a i ra n d w e ts o l i db e c a u s ea i ro c c u p y sm o s to fv o l u m ef r a c t i o ni nap i p e ． K e y w o r d s V o c u u mi c em a k i n g ；P n e u m a t i ct r a n s p o r t i n g ；T r a n s p o r t i n gt e c h n o l o g yo f i c e 目录 摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I A B S T R A C T ．．．．．．．．．．．．．．．．。。．．．．．．．。．．．．．．．．。．．．I I 第1 章绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 研究内容及组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 ．2 组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．3 预期成果⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 第2 章真空制冰技术及气动输送方式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2 ．1 冰的形态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 常见制冰方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．2 ．1 硬冰制取方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．2 ．2 冰浆制取方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．3 常见制冰设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 ．1 硬冰制取设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．3 ．2 冰浆制取设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．4 制冰技术比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 ．1 常见硬冰比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．2 常见冰浆制取技术比较⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．5 气动输送基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．6 气动输送简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．6 ．1 气动输送发展简史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。1 4 2 ．6 ．2 气动输冰特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 ．2 气动输冰系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 第3 章气动输雪．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 7 3 ．1 正压输雪 自然形态 ．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 ．1 系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 。1 ．2 压力损失及临界风速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 正压和负压输雪 雪球 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 ．1 制作雪球的动力⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 ．2 正压输雪 雪球 系统组成⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．2 ．3 负压输雪 雪球 系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 ．4 压力损失及临界风速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．3 输雪的动力比较⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 0 第4 章气动输冰 冰粒 管内流动特性．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．2 1 4 ．1 冰粒的性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．2 实验模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 4 ．3 不同管段流态的性质⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．3 ．1 管段1 地面水平直管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．3 ．2 管段2 井筒垂直管段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．3 ．3 管段3 地下水平直管⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．4 总观管内流动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．2 7 第5 章气动输冰 冰粒 管内流动总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 8 5 ．1 通过管段1 的水平流动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 5 ．1 ．1 摩擦压降⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 5 ．1 ．2 固体摩擦系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 5 ．1 ．3 弯头压降⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 5 ．1 ．4 最小输气速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 5 ．1 ．5 阀门漏气量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 5 ．2 通过管段2 的垂直流动⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 5 ．2 ．1 垂直管段压升⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 5 ．2 ．2 固体摩擦系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 5 ．3 通过管段3 的水平流动⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。3 3 5 ．3 ．1 冰粒沿管道压损⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯3 3 5 ．3 ．2 平均速度比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．3 4 第6 章气动输冰 冰浆 管内流动特性及总结．．．．．．．．．．．．．．．．3 6 6 ．1 实验模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．3 6 6 ．2 管内流动特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．．3 6 I V 6 ．3 管内流动总结⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 6 ．3 ．1 冰浆沿管道压降⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 6 ．3 ．2 固体摩擦系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯3 9 6 ．3 ．3 表面空气流速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 6 ．3 ．4 旋转阀处漏气量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 第7 章真空制冰输冰系统设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2 7 ．1 工程实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 7 ．1 ．1 降温设计相关参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 7 ．1 ．2 设计计算内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 7 ．2 总冷负荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．4 3 7 ．3 输冰流量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 7 ．3 ．1 冷水流量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 7 ．3 ．2 制冰量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 7 ．3 ．3 真空制冰机选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 7 ．4 地面气动输送冰粒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 7 ．4 ．1 水平管段输冰方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 7 ．4 ．3 水平管段输气速度、压力及流量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 7 ．4 ．4 通过输冰漏斗的漏气量和压降⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 7 ．4 ．5 融化冰的质量流量．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 7 ．4 ．6 倾斜管段输气压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 7 ．4 。7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 7 ．5 地面气动输送冰浆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 7 ．5 ．1 水平管段输冰方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 7 ．5 ．2 水平管段管径及管材⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 7 ．5 ．3 水平管段输气速度、压力及流量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 7 ．5 ．4 通过输冰漏斗的漏气量和压降⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 7 ．5 ．5 倾斜管段输气压力．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 7 ．5 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 7 。6 井下水平管段输冰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 7 ．6 ．1 井下水平管段输送冰粒⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 7 ．6 ．2 井下水平管段输送冰浆⋯⋯⋯⋯⋯。。⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 7 ．6 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 7 ．7 井筒垂直管段输冰⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 V 7 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯5 6 第8 章结论与展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 7 8 ．1 总结与结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 8 ．1 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 8 ．1 ．2 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 8 ．2 问题与展望⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 8 ．2 ．1 问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 8 ．2 ．2 展望⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 9 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．6 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 ．1 研究背景 第1 章绪论 我国是世界上高温热害矿井最多的国家。据不完全统计，我国已有1 3 0 多 对矿井的采掘工作面风流温度超过3 0 。C ，远远超过国家规定的温度。n 1 而且在 已探明的煤炭资源储备中，超过1 0 0 0 m 深处的煤炭储量站到总储量的一半之多。 这就说明随着开采深度的增加，如果不采取有效的制冷降温措施来改善井下高 温高湿的工作环境，不但会影响工人健康，降低设备使用寿命，而且会阻碍今 后煤炭资源的开采和利用。因此，解决矿井高温热害，发展制冷降温技术迫在 眉睫。 根据国务院发布的矿山安全条例第五十三条之规定井下工人作业地 点的空气温度，不得超过2 8 。C 。超过时，应当采取降温措施或其他防护措施。眩1 国外最早开发金矿降温技术的南非也规定最高允许湿球温度不得超过3 1 ．5 ℃。 如果采取人工制冷方式，采取何种方式既能达到降温的目的，又能节省能耗， 这是需要考虑的问题。 一般来说制冷系统根据冷媒分类有三类冷水系统、乙二醇系统和冰制冷 降温系统。南非R A N D 集团在八十年代首先利用冰降温系统来实现矿井降温。因 为南非金矿采深大，岩温高，该系统能有效改善井下热湿环境，逐渐成为南非 矿井降温的主流。同时根据张晓云在超深矿井集中降温冷源关键技术研究 中的研究可知，超过1 0 0 0 m 及更深的矿井中，采用冰制冷降温系统不但技术可 靠而且具有一定经济性。因此，在这样的背景下，本文确立了对象，即冰制冷 降温系统的相关方面的研究。 采用何种方式制冰，不同制冰方式下设备有哪些，这是冰降温系统需要考 虑的第一步。真空制冰方式以其高效环保等优点被广泛关注。 接下来需要考虑采用何种方式将制得的冰送到井下，输送又包含哪些过程， 输送过程中各项参数是如何变化的，这些都决定着冰制冷降温系统是否能够顺 利运行。 综上所述，有必要研究不同制冰方式下的输冰工艺，尤其需要重点研究真 空制冰方式下输冰的各个环节，探寻输冰过程中流态、压力、流速的变化情况， 武汉理二L 大学硕士学位论文 总结出顺利输送以及预防冰堵的关键技术。 1 ．2 研究目的及意义 目前我国大部分矿井高温热害严重， 井下空间有限，输送距离长，需冷量大， 统成为了制冷首选。 必须采用人工制冷降温技术。而限于 能量回收困难等实际因素，冰降温系 本文旨在研究真空制冰方式下的输冰技术。因为制冰技术已经成熟，无论 制取硬冰还是制取冰浆，都已经有相应的制取方式和设备。真空制冰是一种比 较新颖的方式，相比于其他制冰方式，具有高效清洁的优点。本文希望通过研 究和对比，能得出真空制冰技术和设备的自身特点，这对于以后真空制冰的推 广和其他制冰新技术的开发可以起到促进作用。 一方面，本文研究的重点是输冰技术。输冰技术又包含输送方式和输送位 置。输送方式可以分为三类气动输送、液动输送和皮带传动。气动输送技术 在其他行业已经发展得比较成熟，而液动输冰技术在国内外还较少投入到实际 应用，皮带传动受限于矿井下的狭小空间而不能大力推广。因此，本文研究的 输送方式为气动输送。通过研究，可以为今后相关实际设计中气源设备的布置 和选型提供一些依据。 另一方面，输冰技术中输送位罱包含至少三个部分地面水平输冰、井筒 倾斜或垂直输冰、井底水平输冰。由于位置不同，造成各个部分管道内的流态 不同，各部分的压降、流速也不同。本文希望通过研究，寻找出各部分的流动 变化特点，进而揭示出预防冰堵顺利输冰的条件，例如管径管材，最小输气速 度，输冰流量等。整合以上条件，总结出气动输冰技术，可以为以后工程实例 设计提供参考。 1 ．3 研究内容及组织结构 1 ．3 ．1 研究内容 本文主要研究内容包括真空制冰下的气动输送方式和输冰方式两个部分。 首先，研究真空制冰方式、真空制冰机工作原理和特点。通过和其他制冰方 式设备对比，得出真空制冰方法的优越性。同时，研究气动输冰方式。包括气 动输送系统组成和特点，对气动输送方式有一定了解。 武汉理j 二大学硕士学位论文 其次，研究气动输雪的压力变化情况和临界风速，并且和液动输送、皮带传 动对比所需输送动力，得出各自的适用输送距离。 最后，分别研究冰粒和冰浆输送技术。冰粒输送包括地面水平部分输送时的 流态变化，压力变化，表面空气流速变化，最小输气速度，冰堵产生条件、阀 门漏气量；垂直井筒输送时的流态变化和压力变化；井底水平部分输送时的流 态变化、压力变化和平均速度比。冰浆输送因为含水量不同，可以分为较干和 较湿的冰浆两种，分别气动输送时各自的压降情况和临界输气速度变化情况、 阀门漏气对整个系统的影响等。通过一个工程实例，得出气源设备所需压力和 气量，选择输冰流量和输气速度，计算出所需管道直径和管材，以及采取防止 冰堵的措施。 1 ．3 ．2 组织结构 1 客观对比分析各种制冰方式和设备，重点分析真空制冰方式和设备。 2 介绍气动输送相关内容。 3 研究气动输雪的压降情况和临界J x L 速，和液动输雪、皮带输雪对比所 需动力，得出气动、液动、皮带传动的适用范围。 4 建立模型，分析气动输送冰粒时地面水平、井筒垂直、地下水平部分 管内流体的流态变化情况，总结各部分压降、固体摩擦系数公式，得出防止冰 堵的最小输气速度，寻找输气流量和输冰流量的关系。 5 建立模型，分析气动输送冰浆时，不同含水量冰浆在水平和垂直部分 管内的流态变化情况，总结各部分压降、固体摩擦系数公式，得出防止冰堵的 最小输气速度。 6 结合工程实例，说明气动输冰的设计方法。 1 ．3 ．3 预期成果 1 得出气动输送冰粒的关键技术。 2 得出气动输送冰浆的关键技术。 3 根据实例，总结防止冰堵的措施。 1 ．4 本章小结 本章首先介绍了论文研究背景和目的，确定本文研究对象为冰制冷降温系 武汉理工大学硕士学位论文 统，从制冰和输冰的角度提出了本文研究的意义。另外，本章介绍了论文的研 究内容和组织结构，大体包括真空制冰方式、气动输冰方式和输冰工艺三个方 面，对于论文大体框架做了一个简单说明。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章真空制冰技术及气动输送方式 制冰技术包含冰的形态、制冰方式和制冰装置。旧1 制冰大致可以分为硬冰和 冰浆两种制取方式，相应的制冰装置也可以分为两大类，硬冰制取装置和冰浆 制取装置。本章将从冰的形态、制冰方式和制冰装置这三个方面进行分析和比 较，重点讲述真空制冰方式和装置，得出真空制冰技术的优越性，从而呼应论 文研究背景，即为何选择真空制冰的原因。 不论是冰粒输送还是冰浆输送，一般而言都有3 种方式气动输送、液动 输送、皮带传送。而其中国内外煤矿使用最多的为第一、第三种方式，本章也 将介绍气动输送的相关基础知识。 2 ．1 冰的形态 一般而言，现在煤矿输冰管道内的冰大致可分为两种形态一种称为硬冰， 就是完全干燥或含水量很少的冰，按照形状不同，又可以分为片冰、板状冰和 颗粒冰等另一种称为冰浆，即通过脱水作用，将稀释的冰水混合物中多余水 分脱去而制得，其中含有大概6 5 ％“7 5 ％的冰晶固体。 硬冰的优点如下第一，容易制得；第二，硬冰冰温低，干燥，易于管道 输送；第三，不易结块，这样在管道内输送时不易造成冰堵；第四，表面积大， 利于换热，易于融化。当然，与冰浆相比，需要增加储冰和融冰装置；因为其 单位密度较大，垂直运输时，在重力作用下可能会砸坏管道。 冰浆的优点如下第一，冰浆具有良好的流动性和高冷含量，可直接采用 管道和泵输送；第二，单位重量表面积大，换热效率高，融冰迅速；第三，无 需增加储冰、融冰装置，节省空间，适用于井下狭小空间作业。 2 ．2 常见制冰方式 2 ．2 ．1 硬冰制取方式 1 蒸汽压缩式制冰 蒸气压缩式制冰是利用蒸气压缩式制冷系统 氟利昂制冷剂、氨制冷剂、 混合制冷剂 将制冷用水直接或者间接冻结，根据成冰装置的不同，制出不同 形状的冰1 。包括片冰、颗粒冰、板状冰、碎冰等。 武汉理工大学硕士学位论文 2 溶液结晶萃取流化冰 溶液结晶萃取流化冰的制取方式不同于传统的制冰方式。传统制冰方式是 直接冷却水至水的相变点，水放热结冰凝结成固体小颗粒，而该方式冷却的是 无机盐溶液，因为水和盐溶液相变温度不同，当温度降到一定值时，水会率先 从溶液中析出并凝结成球状晶体，球状晶体的直径很小，一般不超过0 ．8 m m 。 溶液结晶萃取流化冰是一项集盐溶液的物理化学特性、物体表面特性 传热、 传质 、流体流动传输动力学及过程控制等的高科技术。咭1 若要制取具有良好流 动性的冰浆，可以采取流化冰加水的方式，如果仅需要纯固体颗粒冰晶，可以 直接将流化冰和盐溶液分离。 2 ．2 ．2 冰浆制取方式 冰浆的制取方法除了前面提到的蒸汽压缩式制冰得到的片状冰或颗粒冰等 硬冰加水，以及溶液结晶萃取流化冰加水以外，还有冰浆设备制冰浆这种方法。 而冰浆设备制取冰浆的方式细分，又有六种主要方法，分别是机械刮削法、 过冷水法、直接喷射法、液．液雾化法、气体引射法和真空法。 1 机械刮削法 这种方法制取冰浆过程很简单，主要设备为蒸发器这也是冰浆产生的 地方。乙二醇溶液 6 ％一1 0 ％ 在蒸发器管内流动，管外流动的是制冷剂。乙二 醇不断地与低温制冷剂交换热量，当自身温度降低到相变点以下时，水从溶液 中析出凝结成微小颗粒并附着于管壁上，该颗粒直径一般约为1 0 0 1 ．1 m 左右，制 冷剂在壳侧蒸发吸收乙二醇溶液的热量。然后通过机械装置如刮刀等将冰刮下 送出蒸发器。冰浆的浓度一般控制在3 5 ％左右。 2 过冷法 过冷水法利用水的过冷结晶原理。当高于o ℃的水经过过冷器换热后，温度 降低，成为低于0 ℃的过冷水。控制过冷器中水的温度和流态，并在过冷解除装 置中破坏水的过冷状态，就可以连续地产生冰水混合物。在蓄冰池内分离冰水 混合物就可以得到冰浆。 3 直接喷射法 直接喷射法是利用两种互不相溶流体直接接触换热来产生冰晶的。制冷装 置先将不溶于水且比水重的流体冷却到水的冰点以下，然后将流体送入喷射器， 并利用流体的高压从蓄冷槽回路中抽水。哺’高压流体经喷射器喷嘴喷出后，压力 武汉理工大学硕士学位论文 减小，速度增大，根据理想气体方程可知流体温度瞬间降低，冰晶凝结析出。 当冰水混合物进入蓄冷槽时，冰晶漂浮于上面，而较重的流体位于槽的底部。 4 液一液雾化法 液一液雾化法也是利用两种不相溶液体直接接触换热产生冰晶，制冰过程 在完全流动中完成，这样可以避免了静态中的冰层越来越厚热阻也随之增大的 问题。在实际运行中，油和水这2 种介质并非完全不相溶 油中能溶解4 ％的水 分 ，水通过喷头在油中雾化，最终制得较大尺寸的颗粒冰。 5 气体引射法 气体引射法利用液体在气流中雾化冻结，避免了液一液雾化中油和水的相 溶的现象，使得制冷循环能力保持不变，同时可以减小颗粒粒径，增大对流换 热面积。系统的循环介质是空气。首先将已经低温冷却的空气引入引射管，然 后利用负压吸入给水箱的水并使其其雾化，这样水滴在冷气流中迅速结成颗粒 冰，和水对流换热的空气温度升高，压力降低，再进入蒸发器进行下一循环的 低温冷却。 6 真空制冰法 由水的相图可知，水的饱和温度随压力的增大而增大。在一个标准大气压 下，水的沸点为1 0 0 。C ；如果压力降到6 1 1 P a ，水的沸点降低为O 。C ，此时固液 气三相共存。盯1 真空法就是利用水的三相原理。将真空室的压力维持在固液气 三相共存的较小压力，喷入常温常压的水，部分水会蒸发成水蒸气，由于液体 蒸发吸收热量，带走大量未蒸发液体的潜热，剩余的水温度下降，当液体温度 降至该压力状态下结冰点时，就会有大量的冰晶析出。每蒸发l k g 的水大概会产 生7 ．4 k g 的冰。 如果利用上述真空制冰法制冰存在一些问题，那就是真空室内压力必须维 持在低于水的三相点压力 6 1 1 P a 的状态下，才会有大量的水蒸发，促使其余 的水冷却结冰，这就要求提高真空室的真空度，相应的加大了真空泵的负荷以 及对真空罐承压能力的要求。碍1 目前常用的技术是在液体中加入中介物质来降 低真空室的真空度。中介物质必须很好地溶于水，在水中的溶解潜热较大；在 相同真空压力下，沸点低于水。这样就可以保证在一定压力下，该压力可以高 于6 1 1 P a ，低沸点的中介物质优先蒸发。由于低沸点的中介物质溶解潜热较大， 蒸发会带走大量热量，水溶液温度降低直至结冰点就会产生大量冰晶。实际上 中介物质的加入提高了蒸发压力，这样就降低了真空制冰装置对于真空室的要 求。 武汉理工大学硕士学位论文 2 ．3 常见制冰设备 2 ．3 ．1 硬冰制取设备 1 片冰机 片冰机与传统冷水机组的不同之处是将蒸发器改换成既可以制冷水又可以 制冰的蒸发板。 制冰过程首先通过水泵吸水，将水均匀喷洒在蒸发板表面，水与蒸发板外 的低温制冷剂换热温度降低，在板上凝结成冰。当冰层的厚度达到一定值时， 大概为3 m m 左右，脱冰过程开始。脱冰过程分两类，机械方式和热气方式。机 械方式就是利用冰刀或刮刀旋转将蒸发板上的冰刮下；热气方式就是向蒸发板 通入部分高温制冷剂气体，冰层遇热融化从板上脱落。 2 颗粒制冰机 制冰过程首先通过水泵将水压入供水盘，再由喷水孔均匀喷入每个制冰腔 里，而制冰腔由于制冷剂在蒸发盘管里循环流动被冷却，水在腔室内表面冻结 并形成片状薄冰。脱冰过程为蒸发管内引入部分高温制冷剂气体，薄冰遇热， 与制冰腔上表面接触部分融化，依靠自身重力脱落，最终进入储冰室。 3 流化冰制冰机 制冰工艺为流化冰冰晶器分为内腔和外腔两部分。盐溶液在内腔流动， 从一端进入，另一端流出，液态制冷剂在内外腔之问流动。盐溶液和液态制冷 剂进行热交换冷却降温至临界点下，液态制冷剂吸热而蒸发汽化。在内腔的内 表面附近形成过冷区，从而使溶液中的水从溶液中析出，形成微小的球状冰晶。 通过搅拌器搅拌，冰晶和盐溶液混合均匀，成为流化冰。溶液不断进入流出， 在流动过程中变为流化冰，因此可以实现连续动态制冰。‘9 1 2 ．3 ．2 冰浆制取设备 1 机械刮削法制冰机 机械刮削法冰浆制取设备一般采用壳管式热交换器。制冷剂在管外侧吸热 汽化，管内侧水通过换热温度降低结冰，凝结在壁面上。管内的旋转刮片高速 旋转刮削，使得壁面上的冰晶脱落。旋转刮片的作用不但可以脱冰，还可以防 止冰层持续变厚增大传热热阻。为了防止管内冰堵塞，可添加冰调节剂降低溶 液的冰温度和粘度，还可以通过搅动装置增加水的紊流度，增大传热速率并生 8 武汉理工大学硕士学位论文 成均匀的冰晶。 2 过冷法制冰机 过冷法冰浆制取设备主要包括三个部分过冷却器，过冷消除装置和冰水 分离装置。过冷却器实质上是一个套管式换热器，溶液从套管内管的一端流入， 沿着轴向方向流动，从另一端流出，冷媒在套管层内和溶液相向对流换热，使 得水温度降低达到过冷状态。过冷水再通过过冷消除装置，如冲击和碰撞，引 起水温升高破坏过冷状态，或者使用局部低温方法破坏过冷状态使得低温冷水 变为冰水混合物。n 0 1 冰水混合物送入冰水分离器就可以得到冰浆。 3 直接喷射法制冰机 不溶于水的制冷剂经过制冷机组被冷却至水的冻结点温度以下，通过将蒸 发器与制冷罐合并，直接将制冷剂喷射进入制冰罐，与载冷剂 一般是5 ％～2 5 ％ 的乙二醇一水溶液 进行接触换热。应用喷射器系统的这一特性产生的足够扰动 及冷却效果，将普通的水变成冰晶。这一冰水混合物被送至蓄冷槽时，其中较 轻的冰晶将漂浮在槽的上部，而较重的流体位于槽的底部以利于再循环。国内 的研究主要集中在H C F C l 2 3 ／水的直接接触式制冰系统。m 1 4 真空制冰机 真空制冰最具代表性的是以色列的I D E 公司，其开发生产的V I M 系列真空 制冰机因拥有世界上最大的C O P 系数，使用寿命长 使用寿命可达3 0 年 ，运 行工况可靠而被南非许多矿井所使用。 图2 - 1 真空制冰机工作原理图 该制冰机的制冰过程主要在蒸发器 e v a p o r a t o r 内进行，如图2 - 1 所示。 首先，利用冷水机组制冷，将常温常压下的水冷却至5 ℃左右，然后将冷水泵入 蒸发器内，此时，蒸发器处于真空状态，蒸发压力低于水的三相点6 1 1 P a 压力。 武汉理工大学硕士学位论文 根据前文介绍真空制冰方式我们可知，低于该压力下部分水会蒸发并带走大量 热量，使得剩余的未蒸发的液体温度降低直至该压力下冰点，析出大量冰晶。 理论上，每蒸发l k g 的水，大约可以产生7 ．5 k g 的冰晶。 蒸发器内是冰晶和盐水溶液