熱泵用于可移動式救生艙環境模擬室的實驗研究

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

熱泵用于可移動式救生艙環境模擬室的實驗研究

衛文慧

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

礦井可移動式救生艙是為在礦井災難發生現場不能及時撤離的礦工提供臨時性避難場所的系統。在可移動式救生艙的研制和實驗中，保證實驗的準確性是把好救生艙質量關的關鍵。本文設計了一套用于救生艙環境模擬實驗的系統，采用熱泵作為加熱系統，其控制溫度較精確，升溫及降溫速率可控。實驗研究表明，在該系統中，模擬艙上下部最大溫差小于1℃，平均溫度與目標溫度的最大溫差小于0.5℃。

熱泵；可移動式；救生艙環境模擬室；實驗

1 引言

我國煤礦的90%是井下開采，地下作業是它的基本特點，較之地面作業它有許多不安全的自然因素：水、火、瓦斯、礦塵、冒頂等時時刻刻都在威脅著礦工的生命安全。

井下救生艙也叫“井下避難所”，這種避險裝置的特點是在提供緊急避險空間的時候，可通過牽引、吊裝等方式實現移動，以適應采掘工作的要求。其功能為：在井下發生突出、火災、瓦斯煤塵爆炸、水害等災變事故后，在逃生路徑被阻和逃生不能的情況下，為無法及時撤退的人員提供一個安全的密閉空間。

根據世界各國對礦井事故的調查，在火災、爆炸等事故發生現場瞬間受到傷害死亡的礦工只占事故傷亡人數的一部分，有相當一部分礦工都是因為在礦井透水或火災、爆炸后不能及時升井或逃離高溫、有毒有害氣體現場，導致溺水、窒息或中毒死亡的。因此，各國都在大力建設礦井避難硐室和研制礦用救生艙，以便為礦井發生事故后無法及時撤離的礦工提供一個安全的密閉空間。

2010年以來，我國的煤礦可移動式救生艙的研究和加工進入了一個高峰期，所有救生艙在投入生產并正式進入市場之前，都要經過嚴格的環境模擬實驗，根據《煤礦可移動式硬體救生艙通用技術條件（報批稿）》和《礦用可移動式救生艙產品安全標志管理研討會紀要》的規定，救生艙的綜合防護實驗是在一個溫度可控的恒溫室中進行的，整個環境溫度控制時間不得低于106小時。該恒溫室的溫度分別控制在初期的55攝氏度和后期的30攝氏度，55攝氏度的溫度持續時間因各個廠家的設計不同而不同，在整個實驗的剩余階段，恒溫室內的溫度必須保持在30攝氏度。

目前，大多數廠家在維持恒溫的過程中都采用了加熱管加熱、風機送風的方式，這種方式簡單、易操作，但溫度不易控制，且實驗過程中耗電量巨大。

2 熱泵技術簡介

熱泵已經是一種非常成熟的技術，生產成本可以嚴格控制，廣泛應用于家庭及辦公環境，其工作原理是由壓縮機排出的高壓制冷劑蒸汽，經換向閥后流入室內蒸發器（作冷凝器用），制冷劑蒸汽冷凝時放出的潛熱，將室內空氣加熱，達到室內取暖目的，冷凝后的液態制冷劑，從反向流過節流裝置進入冷凝器（作蒸發器用），吸收外界熱量而蒸發，蒸發后的蒸汽經過換向閥后被壓縮機吸入，完成制熱循環。這樣，將外界空氣（或循環水）中的熱量“泵”入溫度較高的室內，故稱為“熱泵”。

在熱泵循環中，從低溫熱源（室外空氣）中取得Q0的熱量，消耗了機械功AL，而向高溫熱源（室內加熱系統）供應了Q1的熱量，這些熱量之間的關系是符合熱力學第一定律的，即Q1=Q0+AL。

如果不用熱泵裝置，而用機械功所轉變成的熱量（或用電能直接加熱高溫熱源，則所得的熱量為AL，而用熱泵裝置后，高溫熱源（加熱系統）多獲得了熱量：Q1-AL=Q0，因此，其節能效果顯而易見。將熱泵技術應用于救生艙環境模擬艙的加熱過程中，將有效降低耗電量，并達到較準確的溫度控制精度，能夠較好地實現環境模擬室內的溫度均勻分布。

3 實驗裝置介紹

熱泵加熱系統試驗裝置如圖1所示，系統主要由環境模擬室、渦旋壓縮機、翅片管式冷凝器、翅片管式蒸發器和電控箱組成，工質為R134a制冷劑。環境模擬室體積為18m×3m×3.5m。墻體是由內嵌100mm厚的巖棉彩鋼板搭建而成，在冷凝器的前端安裝有功率為1kW的軸流風機2臺，總風量為17000m3/h。室外蒸發器為頂出風結構，蒸發器側風機風量為8000 m3/h，功率為0.4kW。

數據采集系統采用日本橫河YOKOGAWA的MX100，MX100是一款基于PC的數據采集系統，外部連接30通道輸入模塊，具有高速、高耐壓的測量性能。

3.1 溫度測量

熱泵系統中采用4個三線制PT100的溫度計用于測量壓縮機吸排氣管壁的溫度。這些溫度計經過準確標定，測量范圍為（-50～600）℃，精度為A級：±（0.12+0.002 |t|）℃。

圖1 實驗系統圖

3.2 風速測量

模擬艙內循環風機風速的測量采用德國testo405-V1熱線風速儀，量程為（0～10） m/s和（0～99990）m3/h，精度為±（0.1 m/s+5%測量值）（0～2 m/s），±（0.3 m/s+5%測量值）（其余量程）。

3.3 功率測量

圖3 高溫階段環境模擬室內溫度的變化

圖4 環境模擬室內溫度的下降情況

圖5 正常實驗階段環境模擬室內溫度分布

壓縮機運行過程中的功率采用東莞華儀儀表科技有限公司生產的三相三線數字鉗形功率表進行測量，型號為MS2203，主要技術參數如下：視在功率（kVA）：4/10/40/100/600 kW±3.0%；功率因素：0.3～1（容性或感性）±0.02%。

4 實驗結果

4.1 實驗方法

實驗中室內溫度的控制通過壓縮機的啟停進行控制，當模擬室內實際溫度大于要求的目標溫度時，壓縮機停止運行；當模擬室內實際溫度小于要求的目標溫度時，壓縮機開始運行。壓縮機啟停的溫度回差值為±1攝氏度。

4.2 結果分析

1）環境模擬室內溫度的上升速度

在綜合防護實驗中，當溫度升高至55攝氏度后，才能進入正式的實驗階段，因此，環境模擬室的升溫速度將大大影響到實驗的準備時間。如圖2所示為系統開啟后，環境模擬室內溫度上升曲線。從圖中可以看出，在開始階段，環境模擬室內的溫度與當時的環境溫度相同，為26℃，隨著加熱過程的進行，環境模擬室內溫度迅速上升，加熱進行0.5小時后，溫度達到目標溫度55℃，并在此溫度附近浮動，上下浮動在±1℃范圍內。

2）環境模擬室內溫度在高溫段的穩定性

當環境模擬室內溫度達到55℃后，即進入正式的實驗階段，在該過程中，如果模擬室內溫度與目標溫度相差過大，將會影響實驗的準確性和權威性，因此，模擬室內溫度的穩定性是一個重要的考核指標。如圖3所示，實驗中救生艙的設計高溫加熱時間為4小時，當加熱0.5小時后溫度達到55℃，在之后的4小時內，環境模擬室內的溫度保持在55℃左右，上下偏差不超過±1℃，模擬室內溫度穩定性良好，滿足加熱要求。在該過程中，外界環境溫度維持在26℃左右。

3）環境模擬室內溫度的下降速度

做完高溫階段實驗后，環境模擬室內溫度應迅速降低至30℃，并要求保持在該溫度。在實驗中，經過4小時的加溫后，自動調整熱泵加熱的目標溫度為30℃，并開啟進風閥和排風閥，使溫度迅速降低。如圖4所示是環境模擬室內溫度從55℃降低至30℃的過程，從圖中可以看出，經過0.25小時，即15分鐘后，環境模擬室內溫度降低至30℃，此時關閉風閥，并由熱泵機組通過啟停壓縮機自動控制溫度。

4）環境模擬室上下溫度分布的均勻性和精確性

圖5是每隔1h所記錄的模擬艙上下溫度分布。實驗中救生艙的設計低溫加熱時間為116小時，從圖中可以看出，上下最大溫差小于1℃，說明模擬艙內溫度分布比較均勻。上下部溫度與目標溫度相比，最大溫差在0.5℃以內，說明加熱過程中溫控的精確性較高。

結語

本文利用現有熱泵技術，為煤礦可移動式救生艙搭建了一套環境模擬系統。并根據《煤礦可移動式硬體救生艙通用技術條件（報批稿）》及實驗救生艙的設計要求，進行了加熱、降溫及維持穩定溫度的實驗，得到了以下幾點結論：

（1）在熱泵加熱系統中，環境模擬艙溫度上升迅速，半小時之內即可達到高溫要求；

（2）在溫度維持階段，熱泵系統控溫較精確，模擬艙內平均溫度與目標溫度相差小于0.5℃；

（3）通過熱泵系統的加熱和導流作用，模擬艙外溫度分布較均勻，上下部溫度較接近，最大溫差不超過1℃，有效地實現了對可移動式救生艙的均勻加熱，提高救生艙綜合防護試驗的準確性和效率。

[1]郭金童，汪波.基于BPR的煤礦災害救治系統研究[J].管理評論，2006，10（18）：54-58.

[2]孫繼平.煤礦安全生產理念研究[J].煤炭學報，2011，36（02），313-316.

[3]Department of Labor.Federal Register，Mine Safety and Health Administration，2008，Refuge Alternatives for Underground Coal Mines；Final Rule.251.

[4]孫繼平.煤礦井下緊急避險關鍵技術[J].煤炭學報，2011，36（11）：1890-1894.

[5]鄭賢德.制冷原理與裝置[M]，北京：機械工業出版社，2003.

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