礦用氣動(dòng)制冷制熱裝置

汪林清

摘要：本文闡述了一種能在在易燃、易爆場(chǎng)所（煤礦、石化、化工等）使用的全新的制冷技術(shù)，該技術(shù)以渦流管理論為基礎(chǔ)，將壓縮空氣分流出制冷氣體，可用于煤礦巷道的局部制冷，且不產(chǎn)生電火花，無(wú)安全隱患，本質(zhì)安全。

關(guān)鍵詞：易燃、易爆場(chǎng)所;制冷;渦流管;壓縮空氣;煤礦;本質(zhì)安全

1.技術(shù)背景

傳統(tǒng)的制冷裝置都是以制冷劑為介質(zhì)，通電后壓縮機(jī)作用于制冷介質(zhì)，利用制冷介質(zhì)的相變吸熱而產(chǎn)生制冷效果，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，安裝麻煩，在易燃、易爆場(chǎng)所使用存在安全隱患。

在易燃、易爆場(chǎng)所（煤礦、石化、化工等）使用電器產(chǎn)品歷來(lái)有非常嚴(yán)格的要求，即使使用高成本的防爆電器產(chǎn)品仍然存在安全隱患，經(jīng)常會(huì)因各種問(wèn)題引發(fā)事故;在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，部分車(chē)間、硐室、局部通風(fēng)不暢區(qū)段的制冷制熱問(wèn)題一直難以解決。采用目前常見(jiàn)的集中制冷、局部制冷、穿著制冷服等降溫方法一般都成本較高、使用受條件限制等。

2.技術(shù)原理

利用流體力學(xué)的基本原理（伯努利方程、雷諾數(shù)）及渦流管的制冷制熱工作原理對(duì)壓縮空氣的壓力、流量、溫度等參數(shù)進(jìn)行控制，通過(guò)縫隙噴出后形成持續(xù)、自然、層流、穩(wěn)定的冷（熱）風(fēng)，可用于改善局部通風(fēng)、調(diào)節(jié)局部（井下硐室、工作間、通風(fēng)不暢區(qū)段等）溫度。通過(guò)該裝置的控制使噴出的風(fēng)可選擇為自然涼風(fēng)、制冷風(fēng)和制熱風(fēng)。

3.結(jié)構(gòu)（工作）原理

如圖一所示，使用供風(fēng)氣管1將壓風(fēng)管路中的壓風(fēng)引入該裝置，截止閥2控制壓風(fēng)的進(jìn)入;打開(kāi)截止閥2，壓風(fēng)通過(guò)供風(fēng)氣管1穿過(guò)控制模塊外殼3流入控制模塊，控制模塊由空氣處理單元4、密封層6、導(dǎo)氣漏斗7組成;空氣處理單元4（圖二所示）主要由氣動(dòng)三聯(lián)件41、三通42、球閥43、渦流管46、換向閥45、單向閥44組成，?該空氣處理單元4的作用是對(duì)從壓風(fēng)管路中引入的壓風(fēng)的壓力、成分、溫度等參數(shù)進(jìn)行控制，分離凈化后的壓風(fēng)通過(guò)密封層6進(jìn)入空氣放大器8，密封層6將空氣放大器8和控制模塊外殼3密封隔開(kāi)，使經(jīng)過(guò)密封層的壓風(fēng)通過(guò)導(dǎo)氣漏斗7能均勻的流入空氣放大器而不至于向外部漏氣;控制模塊4與空氣放大器8密封連接，導(dǎo)氣漏斗7與空氣放大器環(huán)形導(dǎo)氣通道相對(duì)平滑接壤。

圖一

1供風(fēng)氣管;2截止閥;3控制模塊外殼;4空氣處理單元;5氣液換熱器;6密封層;7導(dǎo)氣漏斗;8空氣放大器;81沿環(huán)縫隙;9環(huán)形導(dǎo)氣通道;10消音器;11井下水管;12供氣管;13排氣管

圖二

41氣動(dòng)三聯(lián)件?42三通??43、47截止閥??44單向閥??45換向閥??46渦流管?12供氣管?13排氣管

如圖三所示，空氣放大器8是根據(jù)伯努利方程進(jìn)行設(shè)計(jì)，空氣放大器為軸對(duì)稱(chēng)環(huán)形結(jié)構(gòu)，其剖面結(jié)構(gòu)如圖二所示，沿環(huán)形內(nèi)緣開(kāi)一環(huán)形小縫隙空氣出口，該沿環(huán)縫隙81的大小根據(jù)雷諾數(shù)進(jìn)行確定其開(kāi)度取值范圍，壓風(fēng)被導(dǎo)入環(huán)形放大器8后，在環(huán)形導(dǎo)氣氣道中流動(dòng)，通過(guò)雷諾數(shù)確定的沿環(huán)縫隙81進(jìn)行空氣放大并保持為層流;根據(jù)伯努利方程，空氣經(jīng)過(guò)沿環(huán)縫隙81噴出后其壓力下降，速度會(huì)明顯增大;噴出的空氣周?chē)鷼鈮合陆担瑢?dǎo)致外界空氣從空氣放大器8圓環(huán)內(nèi)部及外部向噴出氣體聚攏并加速，從而導(dǎo)致噴出氣體流量明顯增大，理論上可以增大15倍以上。

圖三

渦流管工作原理：如圖四所示，壓縮空氣進(jìn)入渦流管以后以很高的速度沿切線方向進(jìn)入渦流室462，形成自由渦流，經(jīng)過(guò)動(dòng)能的交換并分離成溫度不相同的兩部分，中心部分的氣流動(dòng)能降低經(jīng)孔板463流出，即冷氣流461;邊緣部分的氣流動(dòng)能增大成為熱氣流465從另一端經(jīng)控制閥464流出。根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)高壓氣體的溫度為室溫時(shí)冷氣流的溫度可達(dá)（-50～-10）℃，熱氣流的溫度可達(dá)（100～130）℃。控制閥464是用來(lái)改變熱端管子中氣體的壓力，因而可調(diào)節(jié)兩部分氣流的流量比，從而調(diào)節(jié)溫度變化。

圖四

461冷風(fēng)流??462渦流室??463孔板??464控制閥??465熱風(fēng)流

4.結(jié)語(yǔ)

本裝置以壓縮空氣為動(dòng)力源，本質(zhì)安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、安裝方面、適用于多種工況條件，通過(guò)空氣放大器放大氣流提高效能，解決井下局部通風(fēng)不暢路段、硐室、工作間的制冷、制熱及通風(fēng)問(wèn)題，改善煤礦職工工作環(huán)境，使職工能夠更加專(zhuān)注于本職工作，盡可能消除職工的不安全心理及不規(guī)范行為，及時(shí)消除安全隱患，確保安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張國(guó)剛.編著“微型制冷器”.國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

[2]張一兵.渦流管的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].西安交通大學(xué)，1993.

[3]姜曙.常溫下渦流管能量分離性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2004.