防治矿井热害的人工制冷方案分析1任森

　　防治矿井热害的人工制冷方案分析1任森（内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010）的影响，并以此衡量矿井热害的严重程度；应用热力学、传热学的理论和方法分析了理想制冷机制冷参数等各项经济指标；结合实际制冷装置循环的特点对其经济性进行定性分析，通过各种制冷装置的对比，提出应优先采用空气压缩制冷循环，为矿井热害治理方案选择提供依据。
　　矿井生产存在效率与环境的矛盾。随着开采的持续、浅部资源的枯竭，矿井的开采深度逐年增加。
　　同时，由于采掘作业机械化程度的提高、矿井通风网络复杂、阻力大，致使通风的困难程度不断增加，直接导致矿井高温热害，恶化采掘作业环境。恶化的环境必将降低劳动生产效率，危及矿工的身体健康。据国内外最新调查研究成果1：作业地点气温每超过标准1°C，劳动效率将降低6% ~8%.矿井热害最终将成为制约矿物开采深度的决定性因素。因此矿井降温意义重大。矿井降温方法较多，常用的增大风量、改变通风方式等在我国很多矿井受到条件限制，其降温效果和程度有限。目前公认的、行之有效的是矿井空调降温方法。
　　1矿井主要热源及辐射换热能引起矿井气温升高的环境因素统称为矿井热源0，主要包括：井巷围岩传热、机电设备放热、煤炭与矸石放热、矿物及其他有机物放热、人员放热等。这些热源与风流之间的换热方式主要为对流换热。
　　此外，各热源与人体之间的辐射换热也不可忽略。
　　物体以电磁波方式向外传递能量的过程称为辐射，被传递的能量称为辐射能，辐射能的传递不必借助中间介质。任何物体只要其绝对温度不为零，则都在作热辐射，温度越高，其辐射能力也越大。物体间相互辐射和吸收的总效果称为辐射换热。辐射能量的强弱用辐射力来衡量，辐射力可以通过下面的公式进行计算E 2理想制冷循环的吸热量及其耗功2.1制冷装置的吸热量对井下风流进行空气调节的方式有2种：种是将降温去湿后的风流直接送入井下巷道，使其与井下原来的空气混合，并保证混合后的温度控制在定范围之内；另种是在局部范围内进行，也就是对有限长度内的巷道进行空气调节0.显然，前一种方法设备投资大、耗功大，不经济。而且随着巷道长度的变化，为了使温度始终控制在一定的范围内，制冷量和设备的功率都要发生相应的改变。因此，本文中只针对后一种方式进行讨论。
　　局部人工制冷方式的吸热量由2部分组成将井下风流温度降低到控制值而在单位时间内吸收的热量为= c'v（r-r0）；维持风流低温所要吸收的热量，应为井下各热源在单位时间内的放热量之和，即Q'，=iQi.制冷装置在单位时间内的吸热量应为上述2部分热量之和为Q c（A为巷道截面积，m2；c为巷道内风速，m/s）为空气的定容容积比热；T为通过人工制冷所要达到的温度，对采掘工作面为26°C；T为风流实际温度，即吸收井下热源放热量后的温度。
　　2.2理想制冷循环的耗功终温。
　　将之前求出的制冷装置在单位时间内的吸热量代入上式，即可求得理想制冷装置的功率。此外，根据上式还可以求出风流温度每升高或降低1C所要增加的耗功量。
　　3实际制冷循环根据装置组成、循环过程以及制冷工质的不同，工程上比较常用的制冷装置可分为蒸汽压缩制冷装置、空气压缩制冷装置、蒸汽喷射式和吸收式制冷装置等。
　　3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷是采用低沸点物质作为制冷剂，利用湿蒸汽在低温下吸收汽化潜热来制冷。由于工质在冷藏库中吸热时是靠工质汽化吸热，而般工质的汽化潜热都比较大，因此以湿饱和蒸汽为工质可以得到相当大的制冷量。而且利用湿蒸汽在定压下吸热和放热温度不变这一优点，可以很方便地实现定温过程，使制冷系数接近逆卡诺循环H.工程上应用时，出于对实际问题的考虑，制冷装置的组成及其循环过程其实并非如此。实际蒸汽压缩制冷装置的组成及循环过程如所示。
　　实际蒸汽压缩制冷装置的示意图和Ti图Fig.实际蒸汽压缩制冷循环与理想循环的不同之处如下。
　　利用节流阀代替膨胀机，使设备大为简化，而且通过节流阀开度的变化可以实现制冷温度的连续调节；但是采用节流阀后却使原来可以回收的膨胀功损失了，制冷能力也减小了，因而会导致制冷系数下降。
　　采用干法制冷，制冷能力提高，耗功也变大，制冷系数略有下降。
　　米用过冷措施，制冷能力提高，耗功不变，制冷系数变大。
　　3.2空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环是用空气作制冷剂，以消耗机械功为代价进行制冷的装置。其主要特点是以2个定压过程来代替逆卡诺循环中的2个定温过程0.其理想循环过程的装置示意图和图、Ts图如，根据制冷系数的定义，经推导得出空气压缩制冷循环的制冷系数为而在相同的冷却水温度T3和冷库温度K间进行的逆卡诺循环的制冷系数为。显然空气压缩制冷循环的制冷系数小于相同温度范围内的逆卡诺循环制冷系数。
　　空气压缩制冷循环的另一个特点是以空气作为工质，其优点是空气不仅对人体无毒害，不污染环境，而且来源广泛，价格低廉。但是，由于单位质量空气的制冷能力较小，因此实际应用中常运用回热循环和采用叶轮式压气机及膨胀机代替活塞式压气机和膨胀机，以增大工质流量。
　　3.3蒸汽喷射制冷循环蒸汽喷射制冷装置采用喷射器代替压缩制冷的压气机，所以这种制冷装置的设备简单且不需要外界提供机械功，但喷射制冷装置的不可逆损失很大，热量利用系数较低63.但由于装置本身简单，紧凑，并可利用低参数的蒸汽作工作蒸汽，故在空调工程中仍然有其利用的价值。蒸汽喷射制冷装置的示意图及其理想循环的Ts图如所示。
　　冷凝器3.4蒸汽吸收式制冷循环蒸汽喷射制冷装置的示意图及其理想循环的Ti图Fig.蒸汽吸收制冷装置的示意图空气压缩制冷装置示意图空气压缩制冷理想循环的图和7s图吸收式制冷装置是另一种依靠高温热源向环境传递一定的热量作为代价而实现制冷的装置。它采用吸收器、蒸汽发生器和泵来取代蒸汽压缩式制冷装置的压气机73.由于水对氨有很强的吸收作用，故该装置常采用氨作为制冷工质而用水作吸收剂。是氨-水吸收式制冷装置的示意图。
　　这种吸收式制冷装置的不可逆损失较大，其热量利用系数较小。但吸收式制冷装置的构造简单，造价低廉，特别是它消耗的功率很小，还可利用温度不太高的生产过程的余热来加热蒸汽发生器，故在工厂企业中应用这种制冷装置可节约电力的消耗，并充分利用余热。
　　各制冷装置的经济性分析和比较见表1.蒸汽压缩制冷循环和空气压缩制冷循环设备投资以及维护费用相当，但空气压缩制冷循环所用工质廉价且无害；蒸汽喷射制冷循环和蒸汽吸收制冷循环同样是设备投资以及维护费用相当，但蒸汽喷射制冷循环所用工质廉价且无害；从制冷效果来看蒸汽压缩制冷循环制冷效果最好，但如果单从井下空气调节所需要的温度范围来讲，以上各种循环装置均能满足要求。因此，应优先考虑采用投资及维护费用低、工质无害且廉价的空气压缩制冷循环。
　　表1各制冷装置的经济性分析和比较装置设备投资工质价格（常用）能耗维护费用制冷效果蒸汽压缩制冷循环压气机、节流阀、冷凝器、蒸发器、气液分离器氨、氟利昂价格较贵且有害压气机消耗的机械能制冷能力强空气压缩制冷循环压气机、膨胀机、冷凝器、蒸发器空气无害且廉价压气机消耗的机械能装置包含的设备越制冷能力较弱蒸汽喷射制冷循环喷射器、冷凝器、节流阀、蒸发器、泵、锅炉水蒸汽无害且廉价水泵耗功以及锅炉中吸收的热能多，价格越昂贵，越容易损坏，则维护费用相应越高制冷能力弱蒸汽吸收制冷循环冷凝器、蒸汽发生器、泵、吸收器、调节阀、蒸发器、节流阀氨水溶液（吸收剂）；氨、溴化锂、水（制冷剂）价格较贵且有害蒸汽发生器吸收的热能以及水泵耗功制冷能力弱4结论井下热源的散热量可以进行估算，对散热量大的热源除了利用人工制冷措施进行空气调节之外，还应单独采取其他针对性措施，如保温绝热材料、降低对流换热系数（从其诸多影响因素入手），通过导热将热量导向其他方向等。
　　即使辐射和吸收的热量相等，热辐射产生的影响仍不能忽略，因为高温环境下周围物体对人体的辐射热远高于低温环境下的辐射热。（好比冬夏室内温度相同，但人体的感觉却不同，就是因为冬夏墙壁对人体的辐射不同。）尽量采取局部人工制冷措施，以节省投资成本。此时制冷装置的吸热量由2部分组成：将原始风流温度降低到控制值所吸收的热量以及维持低温所需吸收的井下各热源的放热量。
　　各种实际制冷装置虽然各有利弊，但从经济角度和制冷效果2方面分析应优先采用空气压缩制冷装置。