煤礦井下冷暖兩用純水直飲機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用

張華洪

摘要：水是生命之源，是健康之本。然而，于礦井生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，在工作面工作的礦工都是自帶水，有工作條件好一點的單位會考慮給員工配桶裝水，或是配置一臺礦用防爆直飲機(jī)。桶裝水由于需要買水、等水、扛水，以及在流通過程中又容易被二次污染。而礦用防爆直飲機(jī)，也只能提供與環(huán)境溫度相適用的常溫水，這上局限性需要新的產(chǎn)品進(jìn)行解決。礦用冷暖兩用純水直飲機(jī)（以下簡稱：直飲機(jī)）是一款為改善井下工作人員作業(yè)條件而發(fā)明的飲水設(shè)備，該設(shè)備可為井下各個作業(yè)人員提供理想溫度的健康飲水。

關(guān)鍵詞：礦用飲水機(jī);冷暖兩用;反滲透過濾;壓縮制熱

Abstract： Water is the source of life and the foundation of health. However， due to the particularity of the mine's production environment， miners working on the working surface all bring their own water. Units with better working conditions will consider distributing barrels of water to employees or configuring an explosion-proof direct drinking machine for mines. Bottled water needs to buy water， wait for water， carry water， and be easily contaminated during the circulation process. The explosion-proof direct drinking machine for mine can only provide normal temperature water suitable for the ambient temperature. This limitation needs new products to solve. Mine cold and warm dual-use pure water direct drinking machine （hereinafter referred to as： direct drinking machine） is a drinking water device invented to improve the working conditions of underground workers. This device can provide healthy drinking water with ideal temperature for all underground workers.

Key words： mine water dispenser;cold and warm dual-use;reverse osmosis filtration;compression heating

1? 研究方法及步驟

1.1 本研究要達(dá)到的預(yù)期目標(biāo)

①直飲機(jī)利用礦井水的自然壓力（或直接加壓）通過預(yù)處理、雙級反滲透，生產(chǎn)出常溫直飲水。

②將熱泵原理應(yīng)用到系統(tǒng)中使直飲水加熱或冷卻，滿足飲用者的需求。

③系統(tǒng)采用PLC全自動化控制，可實現(xiàn)無人操作、液晶顯示，實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。

1.2 研究的主要內(nèi)容和重點

研發(fā)礦用冷暖兩用純水直飲機(jī)主要解決以下幾方面的問題：

①改變傳統(tǒng)飲水機(jī)使用電加熱的問題，以確保在井下使用更安全。

②設(shè)備可同時提供冷、暖、常溫三種不同溫度的直飲水，可以適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境，并實現(xiàn)設(shè)備全自動化運行。

③解決系統(tǒng)之間的能量交換。

1.3 工作原理

①制水：利用雙級反滲透原理。利用礦井水的自然壓力，通過適當(dāng)減壓后將礦井水進(jìn)行初過濾，利用反滲透膜將水進(jìn)行第一級過濾，產(chǎn)出初級純水，利用反滲透膜將初級純水進(jìn)行第二級過濾，使其成為電導(dǎo)率約為3us/cm的常溫直飲水，并通過壓力桶存儲。

②利用壓縮機(jī)制冷原理，在蒸發(fā)器上套上水套，水套內(nèi)灌滿水，將壓力桶的出水管路通過水套，水流經(jīng)水套內(nèi)的管路，壓縮機(jī)通過做功，利用蒸發(fā)器的吸熱功能將水套內(nèi)水溫降到接近零攝氏度后，流經(jīng)飲水管的飲用水，也釋放熱量，溫度得到降低提供人員引用。

③利用壓縮機(jī)的制熱原理，利用四通閥，將制冷時的蒸發(fā)器變成冷凝器，同樣通過壓縮機(jī)做功，冷凝器釋放熱量，水套內(nèi)的水溫度增加，同樣流經(jīng)飲水管的飲用水水溫也得到提高，供人員引用。

2? 研究進(jìn)程和研究工作的實施

2.1 初始參數(shù)設(shè)定

①設(shè)備體積：長3000mm×寬1200mm×高1350mm;

②設(shè)備制水能力：2200kg/天;

③設(shè)備儲水量：40kg/桶;

④工作電壓：660V，1140V可選;

⑤制水水質(zhì)：電導(dǎo)率≤5us/cm;

⑥制冷出水溫度：0℃;

⑦加熱出水溫度：70℃;

⑧功率：5.5kW;

⑨廢水排放量：≤200kg/h。

2.2 相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計

直飲機(jī)主要是將礦井原水通過二級過濾及反滲透工藝制成可以直接飲用的純凈水，然后再根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境要求，通過制冷壓縮機(jī)的冷熱交換功能，制出符合使用要求的冷（熱）水。

2.2.1 制水系統(tǒng)

制水系統(tǒng)為該提供合格的可直飲水，主要由外殼、水箱、自力式減壓閥、各級過濾系統(tǒng)、管路、閥門、壓力表等部件組成。

①整機(jī)外殼為不銹鋼加工而成，堅固耐用，能夠滿足各種惡劣的井下環(huán)境。

②水箱為該設(shè)備的儲水設(shè)備，為制備冷、熱水提供儲備用水。

③不銹鋼自力式減壓閥是根據(jù)進(jìn)水壓力，通過自身彈簧的張力，達(dá)到控制出水水壓。該減壓閥的特點是，出水壓力不受進(jìn)水壓力的影響，保證出水口壓力始終穩(wěn)定。

④過濾系統(tǒng)，首先水箱內(nèi)的水依次經(jīng)過石英砂過濾器、活性炭過濾器、PP棉過濾器等，除去水中混入的顆粒狀雜質(zhì)及異味，然后再經(jīng)過兩級反滲透系統(tǒng)，將水中的鈣、鎂離子，有機(jī)物等徹底清除，制備出可以直接飲用的常溫水。

2.2.2 溫度交換系統(tǒng)

溫度交換系統(tǒng)提供冷熱交換的能量源，主要由制冷壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、轉(zhuǎn)換四通閥、管路等部件組成。

①壓縮機(jī)將溫度交換系統(tǒng)中的制冷劑R134a壓縮成為高溫高壓的液體。

②冷凝器是將高壓高溫液體制冷劑，通過散熱片與空氣冷熱交換后，冷卻成35～45℃中溫中壓液體。

③膨脹閥是將液體制冷劑在進(jìn)入蒸發(fā)器前節(jié)流，通過膨脹閥的液體制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，實現(xiàn)液-氣形式轉(zhuǎn)換。

④蒸發(fā)器作用是使制冷劑在其內(nèi)部進(jìn)一步氣化，吸收熱量，與蒸發(fā)器外側(cè)的水套進(jìn)行能量交換，實現(xiàn)制冷水的功能。

⑤轉(zhuǎn)換四通閥是控制溫度交換系統(tǒng)冷熱功能轉(zhuǎn)換的操作閥，通過它的操作實現(xiàn)制冷與制熱的逆轉(zhuǎn)，即由制冷狀態(tài)改成制熱狀態(tài)。

⑥管路采用耐高溫，耐低溫、耐高壓的鋼絲芯橡膠軟管。可以解決冷熱交替時管路的伸縮以及管路保溫。

2.2.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)用于實現(xiàn)直飲機(jī)系統(tǒng)的自動化控制，主要由PLC控制模塊、真空交流接觸器、液晶顯示器等部分組成的礦用隔爆兼本安型四回路可編程電磁起動器外加附屬的溫度傳感器、壓力變送器及符合煤礦安全規(guī)程使用的線纜構(gòu)成。

①PLC控制模塊是控制系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)直飲機(jī)運行的自動化控制。

②溫度傳感器是控制系統(tǒng)溫度的感知部件，用于感知溫度交換系統(tǒng)中的溫度，并將所感受到的系統(tǒng)溫度轉(zhuǎn)換成電信號。

③壓力變送器是控制系統(tǒng)的感知部件，用于感知溫度交換系統(tǒng)中的壓力，并將所感受到的系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換成信號。

④儀表主要包括高壓壓力表和低壓壓力表，用于溫度交換系統(tǒng)內(nèi)高、低壓側(cè)壓力值的直接觀測和讀取。

⑤真空交流接觸器是系統(tǒng)啟動的控制開關(guān)，用于啟動和停止溫度交換系統(tǒng)中的壓縮機(jī)。

⑥液晶顯示器主要用于顯示直飲機(jī)的運行工況，使設(shè)備運行參數(shù)更直觀。

2.2.4 動力系統(tǒng)

由礦用隔爆型三相異步電動機(jī)及皮帶輪和皮帶構(gòu)成，與壓縮機(jī)通過皮帶相連，給壓縮機(jī)工作提供動力。

礦用冷暖兩用純水直飲機(jī)主要解決了傳統(tǒng)飲水機(jī)使用電加熱的問題，在井下使用更安全，同時設(shè)備提供冷、暖、常溫三種不同溫度的直飲水，可以適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境，并實現(xiàn)設(shè)備全自動化運行。

2.3 工藝原理

下面，結(jié)合工藝流程圖（圖1）對工藝進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.3.1 制水工藝

煤礦井下供水管路的水通過自力式壓力調(diào)節(jié)閥，水壓穩(wěn)定在符合過濾器過濾的壓力，經(jīng)過石英砂過濾器、PP棉過濾器、活性炭過濾器進(jìn)入一級反滲透過濾裝置，經(jīng)一級反滲透過濾后，進(jìn)入二級反滲透過濾裝置進(jìn)行過濾，產(chǎn)出純凈水儲存在密閉的壓力桶內(nèi)，可通過系統(tǒng)外置的出水閥直接飲用。或通過內(nèi)置于蒸發(fā)器的套管與溫度交換系統(tǒng)發(fā)生能量傳遞，供給冷、暖水閥門，提供給人員飲用。

2.3.2 制冷水工藝

溫度交換系統(tǒng)中的制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓的液態(tài)制冷劑，通過管路送到冷凝器，冷凝器對液態(tài)制冷劑散熱，成為中溫高壓的液態(tài)制冷劑，液態(tài)制冷劑經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，由于空間增大，壓力減小，液態(tài)的制冷劑汽化，（從液態(tài)到氣態(tài)是吸熱過程），吸收蒸發(fā)器周邊大量的熱量，布置在蒸發(fā)器外側(cè)水套中的直飲水的熱量被蒸發(fā)器吸收，使直飲水溫度降低成為冷水，可供給人員飲用。蒸發(fā)器內(nèi)氣態(tài)的制冷劑由于壓縮機(jī)吸氣作用，通過管路回到壓縮機(jī)并被再次壓縮進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)。

2.3.3 制熱水工藝

在溫度交換系統(tǒng)中有一個轉(zhuǎn)換四通閥，通過四通閥的轉(zhuǎn)換，使制冷劑在冷凝器與蒸發(fā)器的流動方向與制冷時相反，實現(xiàn)了制冷時的冷凝器和蒸發(fā)器功能的互換，制冷時的蒸發(fā)器此時變成了冷凝器，通過的制冷劑是高溫高壓的液態(tài)，外側(cè)水套中的直飲水實現(xiàn)溫度交換，吸收熱量，實現(xiàn)對直飲水加熱。

2.3.4 控制系統(tǒng)

①啟動直飲機(jī)系統(tǒng)，四通閥不動作，壓縮機(jī)開始制冷狀態(tài)工作，水溫降到10℃，壓縮機(jī)停止工作，水溫≥16℃時，壓縮機(jī)重新開始制冷工作。

②啟動直飲機(jī)系統(tǒng)，控制四通閥通電并動作，壓縮機(jī)開始制熱狀態(tài)工作，當(dāng)水溫升高到65℃，壓縮機(jī)停止工作，水溫≤45℃時，壓縮機(jī)重新開始制暖工作。

3? 設(shè)備的優(yōu)點

加工制作的多功能噴粉流水線具有以下優(yōu)點：

①安全可靠，有效解決使用傳統(tǒng)阻絲加溫加熱方式帶來的諸多不安全因素，消除了漏電，爆管，過燒等危險源，增加了煤礦井下的安全系數(shù)。

②冷暖兩用，冬天天冷提供熱水，夏天天熱提供冷水。

③制水量大，可滿足工作地點30人全天的飲水要求。

④工作方式可靈活轉(zhuǎn)變，制冷過程結(jié)束可立即轉(zhuǎn)換到制熱模式。系統(tǒng)的互換性能好，無需等待。

⑤使用礦井井下工作電壓，可方便的布置到任何有電有水的工作地點。

⑥通過四聯(lián)組合可編程啟動器的控制，使設(shè)備具有操作簡單，設(shè)備運行信息可直觀的顯示在顯示屏上，運行參數(shù)清晰可查。

⑦可以使用工作地點各種供水水質(zhì)制作出符合國家標(biāo)準(zhǔn)的直飲水。

4? 應(yīng)用推廣前景

礦用冷暖兩用純水直飲機(jī)不同于傳統(tǒng)礦用電加熱飲水機(jī)，解決了傳統(tǒng)電加熱不安全的問題，提高了井下飲水機(jī)的安全性能。礦用冷暖兩用純水直飲機(jī)可以根據(jù)井下工作面的不同生產(chǎn)環(huán)境需要，具備制出冷、常溫水和暖、常溫水兩種工作狀態(tài)，產(chǎn)品能夠長期自動工作于煤礦井下有瓦斯和煤塵爆炸性混合物環(huán)境中，根據(jù)需要放置于井下峒室、采掘工作面等場所，具有極高的安全性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李隆真，賀雪梅，梁金生.QFD與TRIZ原理在飲水機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用[J].價值工程，2015，34（08）：51-52.

[2]朱恩澤，齊勝男，田方琦，陳志強(qiáng).一種基于單片機(jī)的智能飲水機(jī)設(shè)計[J].中國科技信息，2020（02）：45-46.

[3]肖稀，向玉華，胡高峰，李章勇，黃夢瑩.基于價值工程飲水系統(tǒng)的分析與評價——以三峽大學(xué)學(xué)生宿舍為例[J].價值工程，2012，31（05）：300-301.