礦井人工制冷系統(tǒng)

礦井熱害防治

第七章礦井人工制冷系統(tǒng)上節(jié)內容回顧(一)非人工制冷措施加大通風是一種容易做到、經濟有效的措施。但是，加大通風是有限的，當?shù)V井原巖溫度高于35℃時，需要考慮人工制冷降溫，增大風量會惡化工作面氣候環(huán)境，《煤礦安全規(guī)程》對風速有明確限制，如回采工作面風速不能超過4m/s。

另外：盡量縮短礦井進風路線的長度，礦井進風巷道應盡量布置在淺部巖層中，礦井進風流應盡量避開局部熱源的影響。此外，減少采空區(qū)漏風、巷道壁隔熱、采空區(qū)全面充填或風力充填、注水預冷煤層以及熱水治理等都有一定的降溫效果。趨勢：非人工制冷措施人工礦井制冷及空調本章主要內容第一節(jié)制冷系統(tǒng)原理第二節(jié)制冷劑、載冷劑和蓄冷劑第三節(jié)礦井人工制冷降溫技術發(fā)展概況第一節(jié)制冷系統(tǒng)原理一、概述二、壓縮制冷循環(huán)三、吸收式制冷循環(huán)四、蒸汽噴射式制冷循環(huán)五、吸附式制冷六、熱電制冷七、渦流管制冷八、氣體膨脹制冷（和壓縮制冷循環(huán)一樣）

一、概述制冷循環(huán)熱泵循環(huán)

heat-pumpcycle逆向循環(huán)--reversecycleQc卡諾循環(huán)的效率制冷系數(shù)供熱系數(shù)在絕熱良好的房間，有一臺冰箱在工作，問打開冰箱的門，室內溫度如何變化？人工制冷方法分類：P142-143二、壓縮制冷循環(huán)

據工質的不同，分為：空氣壓縮制冷循環(huán)蒸氣壓縮制冷循環(huán)壓縮制冷循環(huán)分類（1）簡介pp

1壓縮氣體制冷循環(huán)

--Gas-compressionrefrigerationcycle定比熱—invariablespecificheatcapacitykkp112-=TT121TTT-=111-=-kkp（2）制冷系數(shù)討論：

1）相同溫度的T

0和TC2）減小升壓比雖然能使制冷系數(shù)增大,但會使制冷量下降.（3）回熱式壓縮空氣制冷循環(huán)

見教材P147：ε相等，π下降

壓縮空氣制冷，qc較小，且隨π上升，ε下降，為兼顧Qc及ε，采用大流量葉輪壓縮機并回熱?？諝鈮嚎s制冷循環(huán)的缺點1.由于吸熱過程和放熱過程是在定壓非定溫下進行的，與逆向可逆循環(huán)的相應過程相差較遠，因而制冷系數(shù)低；2.空氣的比定壓熱容較小，則循環(huán)的制冷量也較小。

--The

vapor-compression

cycle（1）簡介（2）制冷系數(shù)ε2壓縮蒸汽制冷循環(huán)（3）狀態(tài)參數(shù)確定2.蒸汽壓縮制冷為什么不能象空氣壓縮制冷一樣采用膨脹機降溫降壓，而要采用節(jié)流閥降溫降壓？1.空氣壓縮制冷循環(huán)與蒸汽壓縮制冷循環(huán)有什么不同？三、吸收式制冷原理：利用液態(tài)制冷劑在低溫下汽化時吸熱來實現(xiàn)制冷的。特點：利用余熱、廢熱等低品位的熱能。吸收式制冷通常由兩種工質組成的二元溶液：制冷劑和吸收劑。制冷劑：沸點較低，易揮發(fā)。吸收劑：沸點較高，不易揮發(fā)，具有較強吸收制冷劑的能力。制冷劑和吸收劑組成的溶液，其濃度與溫度有關。例如：氨水溶液，溫度越低，水吸收氨的能力越強。吸收式制冷雙組分工質對溴化鋰－水氨－水吸收劑制冷劑高沸點組分低沸點組分直燃吸收式溴化鋰冷溫水機，我們稱之為“直燃機”，是直接燃燒天然氣、煤氣、液化石油氣，柴油作能源，以水/溴化鋰作介質的冷熱源設備。由于直燃機不以電為能源（只需極少的電作循環(huán)輔助動力），并具有制冷、采暖、衛(wèi)生熱水功能，可以大幅度削減電力投資和供熱設備投資。在電空調廣泛采用的國家和地區(qū)，直燃機更能削減夏季峰值電力、填補夏季燃氣低谷的綜合經濟效益，對于電力行業(yè)及燃燒行業(yè)健康發(fā)展都具有舉足輕重的影響。世界首臺直燃機1968年在日本誕生，從1980年起成為日本、韓國等國的主要空調設備，占有該國中央空調市場80%以上的份額。遠大1992年開發(fā)成功中國首臺直燃機，1996年成為全球直燃機產銷量最大的企業(yè)，至2002年已出口20余個國家，在中、美等國市場占有率為同行之首?；驹碚麄€系統(tǒng)包括兩個回路：制冷劑回路溶液回路吸收式制冷是利用工質對的質量分數(shù)變化，完成制冷劑的循環(huán)，因而被稱為吸收式制冷?；驹戆l(fā)生器和冷凝器（高壓側）與蒸發(fā)器和吸收器（低壓側）之間的壓差通過安裝在相應管道上的膨脹閥或其它節(jié)流機構來保持。在溴化鋰吸收式制冷機中，這一壓差相當小，一般只有6.5～8kPa，因而采用U型管、節(jié)流短管或節(jié)流小孔即可?；驹戆l(fā)生器generator

吸收式制冷機中，通過加熱析出制冷劑的設備。

吸收器absorber

吸收式制冷機中，通過濃溶液吸收劑在其中噴霧以吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣的設備。氨水吸收式制冷機的特點：采用蒸汽或熱水作為熱源，有利于廢熱的綜合利用，特別適用于化工、冶金和輕工業(yè)中的制冷設備；以氨為制冷劑，能制取0℃以下的低溫；主要是熱交換器的組合體，基本上沒有運動部件，因此振動、噪聲小，運轉平穩(wěn)；負荷在30～100％范圍內可調，且經濟性基本上沒有變化；氨價格便宜、來源廣，對大氣臭氧層沒有破壞；對銅及銅合金（磷青銅除外）有腐蝕作用；鋼材、冷卻水消耗量大；熱力系數(shù)較低由于氨、水的沸點比較接近，為提高氨氣濃度，系統(tǒng)中需增設精餾塔和分凝設備。缺點：四、蒸汽引射式制冷本質上也是蒸汽壓縮式制冷，不同的是消耗熱而不是消耗功來產生壓縮作用的。原理圖見書P160在有蒸汽可利用的情況下，采用蒸汽引射式是很好的選擇。用高壓鍋煮飯，飯熟的快，主要原因是:A高壓鍋密封好，不容易散熱B高壓鍋能縮短水沸騰的時間C高壓鍋能增大壓強，降低鍋中水的沸點D高壓鍋能增大壓強，提高鍋中水的沸點五、吸附式制冷原理見書P161-162六、熱電制冷原理見書P163七、渦流管制冷原理見書P166-167八、氣體膨脹制冷原理圖見書P167-168第二節(jié)制冷劑、載冷劑和蓄冷劑

制冷劑、載冷劑及蓄冷劑?制冷劑——血液載冷劑——水（冷媒水）蓄冷劑——超市內的冰（冷凍食品）

制冷劑又稱制冷工質，是制冷循環(huán)的工作介質，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，即制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時吸熱，在冷凝器中凝結時放熱。當前能用作制冷劑的物質有80多種，最常用的是氟里昂類、水、氨和少數(shù)碳氫化合物等。制冷劑制冷劑的過去、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢P171-183制冷劑一制冷劑的發(fā)展、應用與選用原則只有在工作溫度范圍內能夠汽化和凝結的物質才有可能作為制冷劑使用。

乙醚是最早使用的制冷劑。1866年威德豪森(Windhausen)提出使用CO2作制冷劑。1870年卡爾·林德(CartLinde)用NH3作制冷劑。1874年拉烏爾·皮克特(RaulPictel)采用SO2作制冷劑。SO2和CO2在歷史上曾經是比較重要的制冷劑。SO2毒性大，但作為重要制冷劑曾有60年歷史。CO2在使用溫度范圍內壓力特高，致使機器極為笨重，但它無毒使用安全。曾在船用冷藏裝置中作制冷劑達50年之久，1930年才被氟里昂所取代。CO2、NH3、SO2鹵代烴（氟里昂Freon）是鏈狀飽和碳氫化合物的氟、氯、溴衍生物的總稱?？梢苑譃槿悾喝u代烴，分子中只含有氯、氟、碳原子，稱為氯氟烴，簡稱CFCs；如R11，R12，R13等；氫氯氟烴，分子中除氯、氟、碳原子外，還有氫原子，簡稱HCFCs，如R22；氫氟烴，分子中沒有氯原子，而有氫、氟、碳原子，簡稱HFCs，如R134a。二甲基乙醚（蒸發(fā)壓力有所提高）乙醚（易燃、易爆、制取低溫時蒸發(fā)壓力低于大氣壓）聯(lián)合國環(huán)保組織1987年在加拿大蒙特利爾市召開會議，36個國家和10個國際組織共同簽署了《關于消耗大氣臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，我國1992年正式宣布加入修訂后的《蒙特利爾議定書》對于CFCs：發(fā)達國家，從1996年1月1日起完全停止生產和消費；發(fā)展中國家，最后停用日期是2010年；對于HCFCs：發(fā)達國家，從1996年起凍結生產量，2004年開始削減，2020年完全停用；發(fā)展中國家，從2016年開始凍結生產量，2040年完全停用。以上時間表可能還會提前?！睹商乩麪栕h定書》據新華社渥太華2007年９月２２日電聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署執(zhí)行主任施泰納２２日在加拿大蒙特利爾宣布，來自１９１個國家和地區(qū)的代表一致同意，將于２０３０年在世界范圍內徹底停止生產和使用破壞臭氧層的氫氯氟烴，這比原計劃提前了１０年。

1.熱力學性質方面2.遷移性質方面(1)工作溫度范圍內有合適的壓力和壓力比。(2)單位制冷量q0和單位容積制冷量qv較大。(3)比功w和單位容積壓縮功wv小，循環(huán)效率高。蒸發(fā)壓力≧大氣壓力冷凝壓力不要過高冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不宜過大(4)等熵壓縮終了溫度t2不能太高，以免潤滑條件惡化或制冷劑自身在高溫下分解。(1)粘度、密度盡量小。(2)導熱系數(shù)大，可提高傳熱系數(shù)，減少傳熱面積。作為制冷劑應符合的要求

3.物理化學性質方面

4.其它

(1)無毒、不燃燒、不爆炸、使用安全。(2)化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。(3)對大氣環(huán)境無破壞作用。

原料來源充足，制造工藝簡單，價格便宜。HeNanPolytechnicUniversity常用制冷劑的分類：無機制冷劑氟里昂混合制冷劑二制冷劑分類、代號和常用制冷劑制冷劑代號制冷劑的編號方法:制冷劑一律由R代表1.無機制冷劑R后第一個數(shù)字為7,后兩位數(shù)字為該物質的分子量.如R717、Ｒ718。2.氟里昂的化學通式為CmHnFxClyBrz

氟里昂簡寫符號在Ｒ后的數(shù)字依次m-1,n+1,x,若化合物中含有溴原子時再在后面加Ｂ和溴原子的個數(shù)．如二氯二氟甲烷（ＣF2Cl2)即R12.3.混合工質中的共沸工質的編號在R后第一位為數(shù)字5,如R502,R503.：R5()()（按命名先后順序）4.非共沸混合物：R4()()（按命名先后順序）常用制冷劑一、無機化合物1.水(R-718)吸收循環(huán)一般用水作為制冷劑，溴化鋰為吸收劑.水無毒、不可燃、來源豐富。是一種天然制冷劑.2.氨(NH3)(R-717)

氨(NH3)被認為是一種效率最高的天然制冷劑。它是一種今天仍在使用的“原始”制冷劑。多用于壓縮機的蒸氣壓縮過程。ASHRAE標準34將其分類為B2制冷劑(毒性高低可燃).ASHRAE標準15要求對氨制冷站有特殊的安全考慮。盡管在商業(yè)空調也使用很多，但氨在工業(yè)制冷上的應用更廣泛些。在氨制冷機中不用銅和銅合金材料。常用制冷劑二氧化碳(CO2)(R-744)二氧化碳(CO2)是一種天然制冷劑.它在19世紀末20世紀初停止使用，現(xiàn)在正在研究重新對它的使用。用于蒸氣壓縮循環(huán)正位移壓縮機。在32℃時CO2的冷凝壓力超過6MPa，這是一個挑戰(zhàn)。而且，CO2的臨界點很低，能效差。盡管如此，仍可能有一些應用，如復疊制冷，CO2將是有用的。二、氟利昂(1)R12（二氟二氯甲烷CF2Cl2）沸點-29.8℃，凝固點-158℃。無色，有較弱芳香味，毒性小，不燃不爆，安全。系統(tǒng)里應嚴格限制含水量，一般規(guī)定不得超過0.001%常用溫度范圍內能與礦物性潤滑油以任意比互溶不腐蝕一般金屬但能腐蝕鎂及含鎂量超過2%鋁鎂合金。

對天然橡膠和塑料有膨潤作用。(2)R134a（四氟乙烷CH2FCF3）毒性非常低，不可燃，安全。與礦物潤滑油不相溶，但能完全溶解于多元醇酯類。化學穩(wěn)定性很好，溶水性比R12強得多，對系統(tǒng)干燥和清潔性要求更高，用與R12不同的干燥劑。(3)R22（二氟一氯甲烷CHF2Cl）沸點-40.8℃，凝固點-160℃。毒性比R12略大，無色無味，不燃不爆，安全。屬于HCFC類制冷劑，也要被限制和禁止使用。對金屬與非金屬的作用以及泄漏特性都與R12相似?；瘜W性質不如R12穩(wěn)定，對有機物的膨潤作用更強。部分與礦物潤滑油互溶。溶水性稍大于R12，系統(tǒng)內應裝設干燥器。三、混合制冷劑(1)共沸制冷劑共沸制冷劑特點：一定蒸發(fā)壓力下蒸發(fā)時具有幾乎不變的蒸發(fā)溫度，而且蒸發(fā)溫度一般比組成它的單組分的蒸發(fā)溫度低。一定蒸發(fā)溫度下，共沸制冷劑單位容積制冷量比組成它的單一制冷劑的容積制冷量要大。共沸制冷劑化學穩(wěn)定性較組成它的單一制冷劑好。在全封閉和半封閉壓縮機中，采用共沸制冷劑可使電機得到更好的冷卻，電機繞組溫升減小。常用共沸混合制冷劑的特性沸點-33.5℃，ODP值較高。1)共沸R500R12/152a

可代替R12用于活塞式制冷機沸點-45.4℃，ODP值較高。溶水性比R12大1.5倍，在82℃以上有較好的溶油性。沸點-88℃，不燃燒，無毒無腐蝕性，ODP值較高。適用于復疊式制冷機的低溫級。沸點-46.7℃，ODP值為零。不溶于礦物油，但溶于聚酯類潤滑油。2)共沸R502R22/115

可代替R22用于獲得低溫3)共沸R503R23/13

可代替R13使用4)共沸R507R125/143a

用R502的場合都可用R507替代1)非共沸制冷劑R401A和R401B性能與R12較接近。能溶于聚醇類和聚酯類潤滑油。可作為過度性替代物泡露點溫差大，使用時最好將熱交換器作成逆流形式不能與礦物潤滑油互溶，但能溶于聚酯類合成潤滑油低溫工況下，容積制冷量比R22要低得多。不能與礦物潤滑油互溶，但能溶于聚酯類合成潤滑油。泡露點溫差僅0.2℃，可稱之為近共沸混合制冷劑。具有與共沸混合制冷劑類似的優(yōu)點。不能直接用來替換R22的制冷系統(tǒng)。3)非共沸制冷劑R410A兩元混合制冷劑2)非共沸制冷劑R407C三元非共沸混合制冷劑常用非共沸混合制冷劑的特性制冷劑用途原制冷劑制冷劑替代物家用和樓宇空調系統(tǒng)HCFC22HFC混合制冷劑大型離心冷水機組CFC11、CFC12R500、HCFC22HCFC123、HFC134aHFC混合物、HFC245ca低溫、冷凍、冷藏機組及冷庫CFC12、R502HCFC22、NH3HFC134a、HCFC22HFC或HCFC混合物NH3冰箱及冷柜、汽車空調CFC12HFC134a、HCs及其混合物HCFC混合制冷劑、CO2綠色環(huán)保制冷劑的趨勢載冷劑見書P186-189蓄冷劑見教材P189第三節(jié)礦井人工制冷降溫技術發(fā)展概況現(xiàn)代制冷技術是19世紀中后期發(fā)展起來的一門學科，將制冷技術應用于礦井降溫工程始于20世紀20年代，但迅速發(fā)展并廣泛應用是在20世紀70年代之后。在礦井制冷降溫技術方面，國外以南非、西德、日本以及前蘇聯(lián)等國為首，從20世紀70年代展開了礦井空調人工制冷技術的研究。研究主要集中在制冷器及空冷器的研制，如德國使用的光管式空冷器、南非使用的翅片式空冷器、美國使用的噴淋式空冷器等我國于20世紀50年代初，撫順分院對部分礦區(qū)進行了地溫測試，在國內首次提出了礦井熱力計算方法；從20世紀70～90年代初，中國科學院地質研究所地熱室與原煤炭工業(yè)部合作，先后對開灤礦、兗州東灘礦及平頂山等煤田進行了礦山地熱專項研究，逐步展開了礦井熱害的治理研究。1964～1975年，淮南九龍崗礦設計了我國第一個礦井局部制冷降溫系統(tǒng)；1982～1987年，山東新汶礦務局設計了我國第一個井下集中制冷降溫系統(tǒng)；1986～1991年，作為國家“七五”科技攻關項目，在平頂山八礦設計了我國第二個井下集中制冷降溫系統(tǒng)；1992～1995年，在山東新汶礦務局設計了我國第一個礦井地面集中制冷降溫系統(tǒng)；1993年7月，平頂山礦務局科研所和原中國航空工業(yè)總公司第609研究所聯(lián)合研制成KKL101礦用無氟空氣制冷機；1995年，山東礦業(yè)學院陳平等提出用壓氣引射器和制冷機結合進行礦井降溫；2002年，新汶孫村礦-1100m水平降溫工程初步設計，并于2004年該冰冷低溫輻射降溫礦井空調系統(tǒng)完成。一、壓縮空氣制冷降溫系統(tǒng)1989年南非一金礦建成了壓縮空氣制冷系統(tǒng)，利用壓縮空氣作為供冷媒質，直接向采掘工作面噴射制冷。該系統(tǒng)采用壓縮空氣作為載冷介質，大大減小了輸氣管道斷面積，能夠有效地解決我國當前礦井集中降溫中存在的實際問題；可用金屬或橡膠軟管沿工作面布置，使工作面上的冷量均勻分布，降溫效果好，而且系統(tǒng)簡單、靈活。二、人工制冷水降溫技術針對井下系統(tǒng)的冷凝熱排放問題和地面系統(tǒng)高低壓轉換的溫度躍升問題，各國研究機構都在進行不懈努力。井下系統(tǒng)的冷凝熱排放，經歷過用井下回風流排熱到井下回風流加噴淋水到利用地面制冷機組的冷凍水排熱的過程。地面系統(tǒng)的高低壓轉換器，則經歷了儲水池、降壓閥、高低壓換熱器到高低壓轉換器，其轉變的過程實際上是盡可能地消除高低壓轉換器溫度躍升的過程，國外研制的一種新型水能回收高低壓轉換器，其溫度躍升可從一般的4一6℃降低到0.2℃。二、人工制冷水降溫技術雖然人工制冷水降溫技術存在上述有待進一步完善的問題，但經歷了幾十年的實踐，該項降溫技術已經是一種比較成熟的礦井降溫技術，不論是過去還是將來，都將是礦井降溫技術的主流。其它研究只是對該項降溫技術的完善，不會使礦井降溫成本有較大的降低，也不會使該項降溫技術有質的飛躍。三、冰冷卻降溫系統(tǒng)1976年，南非環(huán)境工程實驗室提供了向井下輸冰供冷方式；20世紀80年代中期，南非一些金礦采用冰冷卻系統(tǒng)進行井下降溫；1985年11月，南非在世界上首次用冰做載冷劑冷卻空冷器的冷卻水，該系統(tǒng)的制冷能力達628MW。南非Harmony金礦于1986年第1個采用冰冷卻系統(tǒng)進行礦井降溫；最成功的冰冷卻降