机械制冷降温系统在煤矿井下的应用.doc

机械制冷降温系统在煤矿井下的应用机械制冷降温系统在煤矿井下的应用孙志林,李耀武,林瑞波,张振林(煤炭科学研究总院检测分院,北京100013)
摘要:在阐述机械制冷降温在国内外矿井巷道中的应用现状基础上,重点介绍了煤矿井下用机械制冷降温系统中压缩机、空冷器、制冷剂、润滑油等特殊部件及工质在煤矿巷道中的应用和特殊要求。最后指出机械制冷降温系统在煤矿井下应用领域应重点研究的内容。关键词:机械制冷;降温;巷道中图分类号:TD727文献标识码:B文章编号:1003-496X(2009)01-0026-04
随着矿井开采深度的增加,岩石温度升高,开采与掘进工作面的环境热害日益严重,不少工作面的气温超过28℃,个别高达34℃。目前国内外的研究成果显示,在井下作业地点气温超过28℃时,便会对人体健康产生明显影响,使作业人员体温升高、水盐代谢出现紊乱,循环系统、消化系统、泌尿系统、神经系统等均会因高温高湿大量失水,改变正常功能,甚至致病。原苏联的研究成果显示:井下气温每超过标准(26℃)1℃,劳动生产率便下降6%~8%〔1〕。
《煤矿安全规程》第102条规定:采掘工作面空气温度超过30℃,机电硐室空气温度超过34℃,必须停止作业〔2〕。在高温环境下作业,不但矿工劳动生产率下降,身体健康将受到损害,同时也严重威胁井下安全生产。目前国内外的矿井降温,主要有2个方面的措施:一是非人工制冷措施(采矿技术),通过通风降温或改革采煤工艺以及煤壁注水预冷煤层等;二是人工制冷降温措施,即采用人工机械制冷进行降温。非人工制冷措施虽然经济实用,但受到诸多因素的制约,其效果有限,一般只能降低2℃左右,远远满足不了采掘工作面的降温需求。根据目前应用实践,矿井降温最有效的方法还是人工制冷降温〔3〕。1机械制冷降温在煤矿巷道中的应用现状防治矿井热害机的械制冷降温技术虽然已有80余a的历史,但迅速发展和较广泛地应用仅是近30a的事。在各国科技工作者的共同努力下,用于防治矿井热害的技术已经取得了巨大成就,在矿井开采过程中起着重要作用。1977年,原苏联研制成移动式矿用制冷机,在煤矿和金属矿的独头掘进巷道中应用。1985年11月,南非在世界上首次用冰做载冷剂冷却空冷器的冷却水,该系统的制冷能力达628kW。1989年,南非一金矿建成压缩空气制冷空调系统,将空气在地面压缩为液态,通过管道输送到井下,先膨胀成气态后,再进入空气制冷机,排出的低温空气冷却工作面的风流。同年,波兰研制出涡流管式空气制冷装置,在煤矿掘进工作面试用,取得了一定的降温效果〔4〕。
近几年德国在矿井降温方面研究取得了很好的成果,一些新产品通过代理和技术转让已服务于中国煤矿。例如WAT公司在峰峰集团梧桐庄矿、淮南矿业集团潘三矿DV400、DV290大气降温机,西马格公司在国投新集刘庄矿矿井降温系统,HERCO公司通过技术转让的方式与北京长顺安达合作在阜新清河门矿的ZJL-450降温机,降温效果良好。早在20世纪70年代,我国就开始矿用制冷设备的研制工作,但进展相对缓慢。80年代后,随着矿井开采深度的加深,矿井热害已经严重影响到了煤矿的正常生产。1993年7月,平顶山矿务局科研所和原中国航空工业总公司第609研究所联合研制成KKL101矿用无氟空气制冷机,并且在平煤五矿己三轨道下山掘进工作面实施局部制冷降温,可使掘进工作面的气温降低5~8℃。1996后又与相关单位合作,用LSLGF-300、1000、500螺杆式水冷机组对工作面降温,效果明显〔5-6〕。
近两年,随着对矿用机械制冷设备需求量的增加,国内一些厂家也开始对矿用制冷设备的研制,唐山开成与烟台冰轮合作开发的ZJL-500矿用大气降温装置已经通过安标国家中心的矿用产品安全标志认证。2机械制冷系统在煤矿巷道中的应用2.1制冷方式在煤矿井下制冷降温中,常见制冷方式有蒸汽压缩式和空气压缩式,蒸汽压缩式制冷是利用液体气化时的吸热效应而实现制冷的。在一定压力下液体气化时,需要吸收热量,该热量称为液体的气化潜热。液体所吸收的热量来自被冷却对象,使被冷却对象温度降低,或者使它维持低于环境温度的某一温度。在液体气化制冷中,可分为机械压缩式、吸收式、喷射式、吸附式制冷,而在煤矿井下制冷系统应用中,以机械压缩式制冷为主。机械压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成,用管道将其连成一个封闭的系统。工质在蒸发器内与巷道空气发生热量交换,吸收被冷却对象的热量并气化,产生的低压蒸汽被压缩机吸人,压缩机消耗能量(通常是电能),将低压蒸汽压缩到需要的高压后排出。压缩机排出的高温高压气态工质在冷凝器内被常温冷却介质(水或空气)冷却,凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流,变成低压、低温湿蒸汽,进入蒸发器,其中的低压液体在蒸发器中再次气化制冷。空气压缩式制冷为理想气体的逆向循环系统