礦井救生艙用空調系統的研究

陳付齊，陳劍波，周亮亮，豐敏，余然

（上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093）

礦井救生艙用空調系統的研究

陳付齊*，陳劍波，周亮亮，豐敏，余然

（上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093）

空氣調節是礦井救生艙的一項關鍵技術。本文設計了一種救生艙用空調系統，該系統采用開式二氧化碳制冷作為空調方式，以貯存在鋼瓶中的高壓液態二氧化碳為能量來源和制冷劑，以液體氣化吸熱、高壓氣體膨脹制冷為原理，實現對救生艙內空氣溫濕度的調節。根據設計條件，計算得到礦井救生艙空調系統冷負荷為2,000 W，制冷劑二氧化碳流量為35.82 kg/h；在焓差實驗室中對空調系統在標準工況、其它工況、變工況下進行性能測試實驗，得到實驗數據與理論計算進行比較。理論計算和實驗數據對比表明，礦井救生艙空調凈化一體機滿足設計要求，運行穩定，可為礦井救生艙用空調系統的研發提供參考依據。

礦井；救生艙；制冷量

0 引言

隨著經濟的持續快速發展，我國已經成為世界第二大經濟體，與之相伴的是每年巨大的能源需求量和消費量。其中煤炭占能源消費總量的比重達到70.1%，與之相伴隨的是，我國煤礦事故[1]頻發，平均每年造成6,000多人死亡，超過全國事故死亡人數的三分之一。世界其他主要產煤國建立了相對完善的標準，來規范礦井救生艙的生產與使用；同時一些具有較強科研實力的公司[2-4]也投入大量資金來進行相關產品的研發，其產品大都采用分體式空調來實現救生艙內空氣溫濕度的調節。國內礦井救生艙的研發及應用相對國外較晚，目前處于模仿制造階段，缺少創新，缺少試驗和研究成果，缺少實踐檢驗，同時相關行業標準也遲遲未能正式出臺。目前對礦井救生艙空調系統研究還處于定性研究階段，僅對不同的救生船空調系統進行理論分析，未對具體的某一種礦井救生艙系統進行深入的實驗研究，缺乏實驗數據。

本文以設計研究一種適用于礦井救生艙的空調設備為主要目標，在不同工況下對設計的空調系統進行風量和制冷量實驗，根據實驗數據確定礦井救生艙空調系統的設計方案[5-7]，為礦井救生艙空調系統的研究提供設計依據。

1 救生艙空調系統理論分析及計算

1.1 救生艙空調系統原理

救生艙空調系統采用開式二氧化碳制冷[8]，由于二氧化碳的臨界溫度為 31 ℃，臨界壓力為7.372 MPa。根據礦井救生艙空調技術要求[9-10]，救生艙的溫度調節系統應該使艙內空氣的體感溫度不高于 35 ℃；但是礦井內的環境溫度可能長時間處于 50 ℃以上，礦井救生艙空調在運行時環境溫度常在二氧化碳的臨界溫度（31 ℃）以上，以及礦井內安全要求，發生事故時無電力提供，所以本文采用開式二氧化碳跨臨界制冷循環，如圖1[11-12]。

圖1 開式二氧化碳制冷

圖1(a)為開式二氧化碳制冷原理圖，由儲存在鋼瓶或者其它容器中的高壓二氧化碳代替壓縮機和冷凝器，高壓低溫的二氧化碳制冷劑經過節流后變成氣液混合狀態，在蒸發器中吸收熱量后變成高溫低壓的過熱蒸汽，然后進入氣動風機推動風機做功，壓力降低后排到外環境中。如圖1(b)中，開式二氧化碳制冷過程在 lgp-h圖中表示為流程a′→b′→c′→d′→e′，其中 a′→b′為節流過程，b′→d為蒸發吸熱過程，d′→e′為降壓做功過程。

1.2 礦井救生艙空調計算

根據使用要求和《煤礦可移動式硬體救生艙通用技術條件》的規定，本課題所設計的礦井救生艙空調系統需要達到的標準如表1所示。

表1 救生艙空調設計要求

1）空調負荷計算

救生艙空調的全熱冷負荷Q由3部分組成[13-15]，即艙內人員散熱產生的冷負荷Q1，空氣凈化設備（藥劑）散熱產生的冷負荷Q2，以及救生艙與外界環境通過艙體維護結構換熱而產生的冷負荷 Q3,則救生艙空調的冷負荷為：

救生艙內人員冷負荷：

式中：

Q1τ——人員顯熱散熱形成的計算時刻冷負荷，W；

Q1q——人員潛熱冷負荷，W；

τ-T——從人員進入救生艙算起到計算時刻的時間，h；

Xτ-T——τ-T時間人體顯熱散熱量的冷負荷系數；

n——救生艙內人員數量，人；

φ——群集系數；

q1q——成年男子潛熱散熱量，W；

q1x——成年男子顯熱散熱量，W。

根據表1計算得出Q1為1,269 W；Q2根據相關規范計算可得Q2為259 W；Q3為300 W，則可得Q為2,000 W。

2）送風量計算和送風參數的確定

全熱平衡：

濕平衡：

式中：

MS——救生艙空調的送風量，kg/s；

QC——救生艙內的全熱負荷，QC=Q=2,000 W；

h·R、hs——艙內空氣和由救生艙空調送出的空氣的比·焓，kJ/kg；

MW——救生艙空調的濕負荷，kg/s；

dR、ds——分別為艙內空氣和由救生艙空調送出的空·氣的含濕量，g/kg。

設定艙內空氣的溫度tR為30 ℃，相對濕度φR為 70%，則含濕量 dR為 18.73 g/kg，比焓 hR為78.02 kJ/kg；取送風溫差為 7 ℃，則可以得到送風狀態點的參數如下：送風溫度 ts為 23 ℃，含濕量ds為15.72g/kg，比焓hR為60.09kJ/kg。

根據焓差計算送風量為：

根據濕差計算送風量為：

空調送風量取上述兩者的較大值，即送風量至少為 454 m3/h。

3）制冷劑流量計算

鋼瓶中的二氧化碳經過節流閥后壓力和溫度下降，一部分變成液體和氣體混合成為濕蒸氣，二氧化碳濕蒸氣進入蒸發器中吸收艙內空氣的熱量后發生氣化，變成過熱氣體，此時二氧化碳制冷劑氣體壓力仍然較高，經減壓閥二次減壓后變成低溫低壓的氣體，然后再次經過蒸發器吸收熱量溫度升高，最后進入氣動風機。如圖2和3所示，其流程為a→b→c→d→e→f→g。其中：a點為高壓儲氣瓶內的二氧化碳制冷劑節流之前的狀態點；b點為二氧化碳制冷劑節流后，進入蒸發器的狀態點；c點為蒸發器內二氧化碳飽和氣體狀態點；d點為二氧化碳制冷劑從蒸發器出來，進入減壓閥前的過熱狀態點；e點為二氧化碳制冷劑從減壓閥出來后，再次進入蒸發器前的狀態點；f點為二氧化碳制冷劑從蒸發器出來后，進入氣動馬達的狀態點；g點為二氧化碳制冷劑從氣動馬達出來的狀態點。

圖2 二氧化碳節流制冷實際流程圖礦井救生艙空調系統lgp-h圖和T-S圖

圖3 二氧化碳節流制冷實際流程圖

設定蒸發溫度為-5 ℃，濕蒸氣干度為 0.4，過熱度為20 ℃；減壓后的壓力為1.000 Mpa；二次進入蒸發器前溫度為15 ℃，排氣溫度為25 ℃，可得到表2。

表2 制冷劑在制冷過程中各個狀態點的物性參數

二氧化碳制冷劑的理論流量為：

2 實驗研究

2.1 實驗方案

為了測試救生艙空調凈化一體機空調系統在不同工況下的性能，該實驗選擇在空調焓差室內進行。焓差室的室內側模擬乘員艙內環境，空調凈化一體機與焓差室內風量、制冷量測量裝置相連，可以測得空調凈化一體機的風量、制冷量等參數；室外側模擬設備艙的環境,可以維持高壓二氧化碳鋼瓶內的制冷劑溫度和壓力保持穩定；使用完的制冷劑在排出焓差室前與氣體流量計相連，可以掌握制冷劑的消耗量。鑒于發生礦難時可能出現的多種情況，本實驗分為3種工況進行：標準工況下穩定運行實驗，非標準工況下穩定運行實驗，以及變工況下運行實驗。標準工況為，乘員艙空氣溫度30 ℃，空氣相對濕度 70%，設備艙空氣溫度 25 ℃；非標準工況時，改變乘員艙的空氣溫度為28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃及38 ℃，其它控制參數不變；變工況時，先將乘員艙空氣溫度維持在 30 ℃，待機運行穩定后迅速改變乘員艙溫度至 38 ℃，其它控制參數不變。

3 實驗數據分析

3.1 標準工況下穩定運行實驗

由圖4可知空調系統平均制冷量為2,029 W，制冷量最高為2,137 W，最低為1,935 W，變化幅度約為±5%；系統平均風量為 467 m3/h，風量值變化比較穩定，滿足設計要求。制冷劑二氧化碳的質量流量為 39.13 kg/h，與理論計算的制冷劑消耗量35.82 kg/h相比高約9.24%。這是由于實驗時采用普通鋼瓶儲存的二氧化碳壓力最高為7 MPa，不是設計要求的8 MPa以上的高壓二氧化碳。

圖4 標準工況下空調系統穩定運行的制冷量和風量

計算制冷量為節流制冷量與減壓制冷量之和，由制冷劑節流前后的焓差、減壓前后的焓差、以及測得的制冷劑流量計算得到，為一定制冷劑流量下的理論制冷量。由圖5可知，節流制冷量、減壓制冷量、計算制冷量的平均值分別為 2,079 W、190 W 和 2,269 W，實際測試得到的平均制冷量為2,029 W，即系統平均漏熱量為239 W，制冷劑實際制冷量利用率為89.43%。

圖5 標準工況下穩定運行時的計算冷量

3.2 非標準工況下穩定運行實驗

由圖6和圖7可知，當乘員艙內空氣溫度依次為 28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃和 38 ℃，系統的平均制冷量和平均送風量分別依次為 2,277 W、1,974 W、1,940 W、1,876 W、1,842 W和469 m3/h、457 m3/h、455 m3/h、452 m3/h和451 m3/h。乘員艙空氣溫度和系統平均制冷量變化趨勢相反。溫度越高，液態二氧化制冷劑易氣化，導致節流效果變差和制冷劑干度升高，制冷量下降；同時環境溫度升高，換熱溫差變大，未作保溫處理的不銹鋼機殼漏熱量也增大。同時隨著乘員艙溫度的升高，空調系統風量略有下降，但基本保持穩定，滿足要求。

圖6 不同乘員艙溫度下空調系統制冷量的變化

圖7 不同乘員艙溫度下空調系統風量的變化

由圖8可知，實驗數據表明，當制冷劑流量為 39.13 kg/h時，空調系統計算制冷量隨著乘員艙溫度的變化比較穩定，最大值為 2,301 W，最小值為 2,257 W，而實際測試得到的制冷量則變化較大，說明隨著乘員艙溫度的升高，空調殼體和制冷劑管道與空氣換熱溫差增大，空調系統漏熱量也逐漸增大。

圖8 不同乘員艙溫度下空調系統測試制冷量與計算制冷量的變化

3.3 變工況時運行實驗

系統在標準工況穩定運行時，突然改變焓差室乘員艙一側的溫度設定，即將乘員艙空氣的干球溫度由30 ℃迅速提升至38 ℃，直至系統再次進入穩定運行狀態，記錄這一過程空調系統的運行參數，以研究其在變工況運行時的自動適應特性。

由圖9可知，大約30 min后，空調系統的制冷量和風量重新穩定，制冷量由初始時刻的 2,111 W下降至 1,833 W；風量變化比較穩定，由初始時刻468 m3/h下降至450 m3/h，下降約3.72%。該變化規律與上述不同工況下運行時，空調系統制冷量、風量變化規律相一致。

4 結論

本文選擇二氧化碳作為制冷劑，采用開式二氧化碳制冷，針對救生艙空調系統進行設計以及實驗研究。根據設定條件計算出負荷為2,000 W，送風量為454 m3/h，制冷劑流量為35.82 kg/h。并通過焓差實驗室在3種工況下進行實驗，并得到如下結果。

1）在標準工況下實驗測得平均制冷量為2,029 W，計算制冷量為2,269 W，即系統平均漏熱量為239 W，則實際制冷量利用率89.43%。實驗測得實際送風量為 467 m3/h, 計算風量為 454 m3/h，與理論相比約相差2.97%，滿足實際要求。

2）在非標準工況下，即改變艙內空氣溫度依次為 28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃和 38 ℃時，制冷量和送風量分別為 2,277 W、1,974 W、1,940 W、1,876 W、1,842 W和469 m3/h、457 m3/h、455 m3/h、452 m3/h和 451 m3/h。制冷量和送風量基本上在2,000 W和454 m3/h附近，這是因為隨著乘員艙溫度的升高，空調殼體和制冷劑管道與空氣換熱溫差增大，空調系統漏熱量也逐漸增大。但是在發生礦難的緊急情況下是可以保證人員的所需冷量的。

3）在變工況下，空調系統的制冷量在初始時刻的2,111 W下降穩定至1,833 W；風量變化比較穩定，由初始時刻468 m3/h下降至450 m3/h，這說明即使在礦難時發生室外溫度突然上升的情況下依然可以為人員提供所需的冷量。

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Study on Air Conditioning System of Mine Rescue Capsule

CHEN Fuqi*, CHEN Jianbo, ZHOU Liangliang, FENG Min, YU Ran
(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Air-conditioning is a key technology of the mine removable rescue capsule. An air conditioner system was designed in the present study, and the system uses an open carbon dioxide refrigeration cycle as air conditioning to adjust the temperature and humidity of the air according to the theory of absorbing heat when the liquid vaporizes and high-pressure gas expands. Under the design conditions, the calculated cooling load of the air conditioning system is 2,000 W, and the flow rate of the refrigerant is 35.82 kg/h. The performance of the air-conditioning system was tested in the enthalpy lab at standard conditions, other conditions and variable conditions, and the theoretical calculations were compared with the experimental data. The comparison between the theoretical results and experimental data shows that, the air conditioner can satisfy the demand and operate stably, and the research results will provide a reference for the research and development of Mine rescue capsule.

Mine; Rescue capsule; Refrigerating capacity

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.203

*陳付齊，男（1991-），碩士。研究方向：礦井救生艙用空調系統的通風設計及安全防護設備。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學環境與建筑學院，郵編：200093。聯系電話：13162335509。E-mail：1162063187@qq.com。