礦用井下降溫系統

趙艷青

摘 要：礦用井下降溫系統基本類型主要分為地面集中制冷系統、井下集中制冷系統及井下分散式制冷系統等多種形式。主要是由防爆制冷機組、冷卻水循環系統、冷凍水循環系統、閉式冷卻塔、空冷器、補水系統、軟化水系統等部分組成。

關鍵詞：防爆制冷機組；冷卻水循環系統；冷凍水循環系統；閉式冷卻塔；空冷器

0 引言

隨著礦井的逐漸深入地下，受地熱的影響也越來越嚴重。許多500m以下礦井最高溫度達到40℃，嚴重影響工人的健康與工作效率。高溫對工人行動與行為的不利影響不但降低了工效，還增加了人為失誤，同時事故的發生概率也大大增加。因此，實施降溫工程不僅是必要的，而且是迫切的。

1 制冷降溫系統方案確定

制冷降溫系統采用局部式降溫系統，將制冷機組安裝在聯絡巷中，為兩個掘進工作面降溫。冷凝熱采用回風巷的回風排放，閉式冷卻塔設置在回風巷中，用冷卻水管將冷凝熱輸送到閉式換熱器中放熱。制冷機組產生的冷凍水用輸冷管道將輸送到安裝在兩個掘進工作面的空冷器中，由局扇排出的空氣先經空冷器降溫后，再送到掘進工作面，實現兩個掘進工作面降溫。

2 系統設計計算

2.1 工作介質

選擇R134a為制冷降溫系統的工作介質，該制冷劑主要優點是冷凝溫度高且環保，適應環境溫度高、排熱困難的條件下。

2.2 制冷壓縮機選擇

制冷壓縮機制冷量Q0=500kW，電機P=185kW

2.3 冷卻水量計算

2.3.1 基本結構和參數確定：

冷卻水進水溫度取為40℃，溫差取5℃，出水溫度為45℃。

2.3.2 冷凝器的熱負荷：

QK= Q0+P= 685kW

實際確定冷凝器的熱負荷為700kW。

2.3.3 冷卻水流量：

式中cpw——冷凍水的定壓比熱，cpw =4.186kJ/kg.K

2.4 冷凍水量計算

2.4.1 基本結構和參數確定

冷凍水（載冷劑）進水溫度為9℃，溫差取7℃，出水溫度為16℃。

2.4.2 冷凍水（載冷劑）流量：

式中 cpl——冷凍水的定壓比熱，cpl =4.186kJ/kg.K

2.5 冷卻水循環系統的設計計算

2.5.1 冷卻水流程確定

從冷凝器中吸收冷凝熱后的冷卻水，用水泵通過閉式冷卻水管送到閉式換熱器中，在噴淋水和風流的共同作用下，管中冷卻水放熱降溫，冷凝熱被風流帶到大氣中，冷卻后的冷卻水流回到冷凝器中再吸熱，形成冷卻水循環。其流程如下：制冷機組冷凝器→冷卻水循環泵→冷卻水管→閉式換熱器→冷卻水管→制冷機組冷凝器。

2.5.2 冷卻水管規格確定

根據冷卻水流量和管內流體的壓力，確定選擇冷卻水管規格：

式中 Qw——冷卻水必須水流量，Qw =1.2Vw =145m3/h

w′——冷卻水經濟流速，w′=2.2m/s

選擇規格為159×4.5mm無縫鋼管做冷卻水管。

2.5.3 冷卻水循環泵選擇

水泵必須的流量：Qw =1.2Vw =145m3/h

水泵必須的揚程：H=1.2（hw+ hn + hr）

式中：hw——冷卻水管路及附件的阻力

hn——冷凝器的阻力

hk——閉式換熱器或冷卻塔的阻力

2.5.4 閉式換熱器選擇計算

根據所需冷凝熱排放量700 kW、冷卻水的參數及用戶可能提供的回風量3500 m3/min，每個降溫工作面選擇2臺FBN-330T型閉式冷卻塔。

2.6 冷凍水循環系統設計

2.6.1 冷凍水流程確定

冷凍水輸送系統由輸冷管道、循環水泵、定壓補水裝置組成。制冷機組蒸發器出來的9℃冷凍水經輸冷管送至末端空冷器，與采煤工作面的熱空氣進行熱交換后，將使水溫上升至16℃左右，再由冷凍水循環泵使其返回制冷機組蒸發器進行降溫，形成冷凍水循環。

2.6.2 冷凍水管規格確定

冷凍水流量：Ql =1.2Vl =1.2×61.43=73.7m3/h，冷凍水經濟流速取w′=2.5m/s。

根據冷卻水流量和管內流體的壓力，確定選擇冷凍水管規格：

選擇規格為133×5mm無縫鋼管做冷凍水主管路。

2.6.3 冷凍水管的補償方式確定

由于井下輸冷管道內輸送的為低溫冷凍水，在管道運行時，存在熱脹冷縮現象，故設計時需考慮管道補償問題，建議采用套管補償器。

2.6.4 冷凍水循環泵選擇

水泵必須的流量：Ql =1.2Vl =1.2×61.43=73.7m3/h

水泵必備揚程：hw=1.2（hwl +hz +hk）

式中：hwl——冷凍水管路及附件的阻力

hz——蒸發器的阻力

hk——空冷器的阻力

2.7 井下降溫系統末端設備

主要由空冷器、過濾器、儀表、閥門等組成。

2.8 系統補水及軟化水系統

（1）系統補水采用定壓補水方式進行補水。

（2）水處理系統的處理水量應大于冷卻水循環和冷凍水循環回路中所損失的水量，處理的水質必須是符合《載冷劑水質要求表》的要求。

3 控制系統

本制冷降溫系統的控制采用了德國西門子PLC智能控制裝置，它集先進的進口可編程控制和防爆技術于一體，對制冷機機組的電機、控制閥、傳感器等實施自動控制。

4 結論

礦用井下降溫系統改善了礦井作業的環境，礦井需要降溫作業面的溫度降到26℃以下，有效地保證了礦井工人的身心健康，降低安全事故的發生率，提高生勞動生產效率。礦用井下降溫系統不僅有效地治理了礦井熱害，還為礦井及降溫系統生產企業帶來顯著的經濟效益。

參考文獻

[1]盛偉，鄭海坤，王強，等.蓄冷型礦用可移動救生艙降溫系統性能實驗[J].制冷學報，2013，（1）：94-96.

[2]薛千成，胡彥祥，劉桂平.煤礦井下降溫系統的設計及應用[J].煤礦機電，2013，（3）：75-78.

（作者單位：阜新金昊空壓機有限公司）