[科普中國(guó)]-礦井制冷

簡(jiǎn)介

礦井制冷的制冷降溫系統(tǒng)主要由制冷機(jī)、空氣冷卻器和冷卻水塔組成。在制冷機(jī)內(nèi)，通過(guò)制冷劑的蒸發(fā)吸熱和壓縮放熱過(guò)程，在一端制冷，另一端散熱。冷媒在制冷機(jī)的冷端冷卻后，經(jīng)管道送人空氣冷卻器，用于冷卻空氣。

礦山多采用蒸發(fā)壓縮式制冷機(jī)。常用的制冷劑有氨和氟利昂。氨有臭味和毒性，不能在井下使用;氟利昂(商品名，化學(xué)名為鹵代烴，是應(yīng)用最廣的制冷劑，常用的有氟利昂12(R12)、氟利昂22(R22)、氟利昂11(R一1)等。

布置方式礦井制冷降溫系統(tǒng)的布置方式有三種:

(1)制冷機(jī)和冷卻水塔設(shè)在地面，對(duì)礦井總進(jìn)風(fēng)進(jìn)行冷卻，這是一種早期的降溫方法，降溫效果不佳，只在夏季輔助制冷。

(2)制冷機(jī)和冷卻水塔設(shè)在地面，冷媒通過(guò)隔熱管道送到井下，空氣冷卻器設(shè)在各作業(yè)面的進(jìn)風(fēng)口處，只對(duì)作業(yè)面進(jìn)風(fēng)流降溫。這種方法對(duì)作業(yè)面降溫效果好，但輸送冷媒冷損較大，適用于不太深的礦井。

(3)全部制冷降溫系統(tǒng)均設(shè)在井下，中央制冷機(jī)站設(shè)在回風(fēng)井附近，冷卻水塔設(shè)在礦井回風(fēng)流中，空氣冷卻器設(shè)在作業(yè)面的入風(fēng)流處。這種方法應(yīng)用廣泛，對(duì)作業(yè)面降溫效果好、冷損小、費(fèi)用低，但管理困難，銅室開(kāi)鑿工程量大。此外，還可采用小型制冷降溫裝置，將其設(shè)在作業(yè)面附近，對(duì)進(jìn)風(fēng)流進(jìn)行降溫。這種制冷裝置多用于分散、距離遠(yuǎn)的作業(yè)面。2

礦井制冷降溫的研究意義為了保障煤礦生產(chǎn)的安全，改善井下工作人員的工作環(huán)境，有關(guān)礦井制冷降溫的技術(shù)得以不斷發(fā)展。由最開(kāi)始的改善通風(fēng)及減少熱源放熱這些非人工制冷降溫技術(shù)發(fā)展到后來(lái)的空調(diào)制冷降溫技術(shù)，但是非人工制冷降溫技術(shù)并不能從根本上解決熱害問(wèn)題，因此，針對(duì)目前我國(guó)礦井熱害情況，礦井制冷空調(diào)技術(shù)成為礦井降溫主要手段。

礦井制冷的種類(lèi)及原理目前礦井降溫技術(shù)主要包括非人工制冷降溫技術(shù)及空調(diào)制冷降溫技術(shù)。
1、非人工制冷

非人工制冷的降溫方法包括：改善通風(fēng)及減少各種熱源放熱。

2、礦井空調(diào)制冷

根據(jù)載冷劑的不同將目前礦井空調(diào)制冷技術(shù)分為蒸汽壓縮式、空氣壓縮式、人工制冷水以及人工制冰空調(diào)降溫技術(shù)。

（1）蒸汽壓縮制冷。利用低沸點(diǎn)的制冷劑在氣化過(guò)程的吸熱現(xiàn)象及液化過(guò)程的放熱現(xiàn)象，借助壓縮的抽吸增壓、冷凝器的冷凝放熱、節(jié)流閥的節(jié)流作用、蒸發(fā)器的吸熱氣化，且不停的循環(huán)上述過(guò)
程，使被冷對(duì)象溫度下降。

（2）空氣壓縮制冷。空氣用作為制冷裝置的工質(zhì)時(shí)，其吸熱及放熱過(guò)程為定壓過(guò)程。外界消耗機(jī)械功驅(qū)動(dòng)
壓氣機(jī)工作，來(lái)自冷藏庫(kù)內(nèi)換熱器的空氣被吸入壓氣機(jī)進(jìn)行絕熱壓縮。從壓氣機(jī)出來(lái)的空氣進(jìn)入冷卻器，在其中進(jìn)行定壓冷卻，其溫度降低到冷卻介質(zhì)的溫度。然后，空氣進(jìn)入膨脹機(jī)，在其中進(jìn)行絕熱膨脹而降壓、降溫。溫度低于冷藏庫(kù)溫度的空氣被引入冷藏庫(kù)內(nèi)的換熱器中，從其周?chē)矬w吸熱，在定壓下其溫度升高到冷庫(kù)溫度，最后又被壓氣機(jī)吸出重復(fù)上述循環(huán)。

（3）人工制冷水。人工制冷水降溫技術(shù)是礦井降溫的主要手段，其主要包括以下幾種形式：分布式、地面集中式、井下集中式、地面井下聯(lián)合集中式。實(shí)踐表明，負(fù)荷不同時(shí)采用不同形式的人工制冷水降溫技術(shù)，能提高制冷效率：負(fù)荷小的礦井宜采用分布式，負(fù)荷大的礦井則宜采用集中式。而在采用集中式人工制冷水降溫技術(shù)時(shí)，井下集中式的問(wèn)題是冷凝水排放難，而地面集中式和地面井下聯(lián)合集中式均須采用高低壓轉(zhuǎn)換設(shè)備，會(huì)遇到溫度躍升的問(wèn)題。各國(guó)研究機(jī)構(gòu)都在致力于解決上述兩個(gè)難題，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，人工制冷水技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在未來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)仍將是礦井降溫技術(shù)的主流技術(shù)。

（4）人工制冰。人工制冰空調(diào)降溫技術(shù)的主要原理為：利用冰的融化吸熱，把水冷卻至接近0度，然后把經(jīng)過(guò)冰冷卻的水輸送至各個(gè)工作面。系統(tǒng)包括
三個(gè)主要組成部分：冰的制備，冰的運(yùn)輸和冰的溶解；其中冰的融化是系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它關(guān)系到能否提供穩(wěn)定的水流量和穩(wěn)定的低溫水。目前，冰冷卻降溫技術(shù)仍處在試驗(yàn)研究階段，特別是冰的融化技術(shù)目前還很不成熟，具有較大的發(fā)展空間。

（5）人工制冷水與制冰相結(jié)合。將人工制冷水降溫技術(shù)與人制冰技術(shù)相結(jié)合，在地面集中制冰，制冰的速度根據(jù)井下制冷量來(lái)確定，把冰輸送至井下，然后再輸送至各個(gè)工作面進(jìn)行制冷。

該方法具有以下特點(diǎn)：1) 主要制冷設(shè)備在井上，便于維修，且不需進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。2) 系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，省略了融冰過(guò)程，減少了能源的浪費(fèi)。3) 冰降溫系統(tǒng)比水降溫系統(tǒng)的效率更高，且需要排往地面的水量大大減少，很好的解決了人工制冷水降溫技術(shù)中冷凝水排放難的問(wèn)題。

礦井制冷降溫的專(zhuān)利基礎(chǔ)狀況分析世界礦井制冷降溫技術(shù)處于領(lǐng)先地位的是德國(guó)，早期大部分礦井制冷降溫設(shè)備都是從德國(guó)引進(jìn)。中國(guó)礦井制冷降溫技術(shù)經(jīng)過(guò)近年來(lái)的迅猛發(fā)展，關(guān)于礦井制冷降溫的專(zhuān)利申請(qǐng)量有了較大的提高。以國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)國(guó)內(nèi)外在中國(guó)的礦井制冷降溫專(zhuān)利進(jìn)行分析。從圖1中可以看出：中國(guó)的礦井制冷降溫專(zhuān)利申
請(qǐng)量在該領(lǐng)域的申請(qǐng)量達(dá)到了458件，位于第一位，且申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先于其它國(guó)家，約占總量的30%，這與我國(guó)豐富的煤炭資源以及大力發(fā)展煤炭開(kāi)采密切相關(guān)，同時(shí)，中國(guó)近些年對(duì)于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視也促使了中國(guó)關(guān)于礦井制冷降溫專(zhuān)利申請(qǐng)量的迅猛增長(zhǎng)。德國(guó)在礦井制冷降溫領(lǐng)域的申請(qǐng)量排在第二位，約占總量的15%，德國(guó)在該領(lǐng)域的起步較早，且技術(shù)發(fā)展較為成熟，對(duì)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。中國(guó)、德國(guó)、日本、美國(guó)等幾個(gè)主要國(guó)家的申請(qǐng)量占到了總申請(qǐng)量的79%。

我國(guó)礦井空調(diào)制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)計(jì)到2050年，煤炭資源占一次能源消費(fèi)比例將不低于50%，也就是說(shuō)，在未來(lái)的三十幾年中，煤炭資源仍將作為主要能源。但是，隨著我國(guó)淺部煤炭資源的開(kāi)采殆盡，深部煤炭資源將成為主體能源，而礦井深部開(kāi)采時(shí)面臨的熱害問(wèn)題也將是以后需要重點(diǎn)關(guān)注并解決的技術(shù)難題，經(jīng)過(guò)對(duì)我國(guó)礦井空調(diào)制冷技術(shù)的分析可知，我國(guó)的礦井空調(diào)制冷降溫技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的發(fā)展還有較大的空間，我國(guó)煤礦深部礦井空調(diào)制冷降溫技術(shù)及相關(guān)設(shè)備將會(huì)朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

1)我國(guó)礦井空調(diào)制冷降溫形式將保持井下局部、地面集中和井下集中三種不同的形式并存的格局，礦井空調(diào)制冷降溫規(guī)?？偭繉⒅鹉暝黾?。

2)我國(guó)已經(jīng)逐漸掌握了國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備，礦井空調(diào)制冷降溫成套裝備將會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，從而大大降低礦井熱害治理的成本。

3)節(jié)能減排新技術(shù)及新能源將被廣泛應(yīng)用。除了煤炭，煤礦中還蘊(yùn)藏著許多寶貴的能源，例如回風(fēng)熱、地?zé)帷㈦娬居酂?、水資源等，都可以被用于制冷降溫，從而大大降低能耗并減少?gòu)U熱的排放。