[科普中國]-礦井制冷

簡介

礦井制冷的制冷降溫系統(tǒng)主要由制冷機、空氣冷卻器和冷卻水塔組成。在制冷機內(nèi)，通過制冷劑的蒸發(fā)吸熱和壓縮放熱過程，在一端制冷，另一端散熱。冷媒在制冷機的冷端冷卻后，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。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)制冷機和冷卻水塔設(shè)在地面，對礦井總進風(fēng)進行冷卻，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)制冷機和冷卻水塔設(shè)在地面，冷媒通過隔熱管道送到井下，空氣冷卻器設(shè)在各作業(yè)面的進風(fēng)口處，只對作業(yè)面進風(fēng)流降溫。這種方法對作業(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，對作業(yè)面降溫效果好、冷損小、費用低，但管理困難，銅室開鑿工程量大。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，對進風(fēng)流進行降溫。這種制冷裝置多用于分散、距離遠的作業(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題，因此，針對目前我國礦井熱害情況，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。利用低沸點的制冷劑在氣化過程的吸熱現(xiàn)象及液化過程的放熱現(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
程，使被冷對象溫度下降。

（2）空氣壓縮制冷?？諝庥米鳛橹评溲b置的工質(zhì)時，其吸熱及放熱過程為定壓過程。外界消耗機械功驅(qū)動
壓氣機工作，來自冷藏庫內(nèi)換熱器的空氣被吸入壓氣機進行絕熱壓縮。從壓氣機出來的空氣進入冷卻器，在其中進行定壓冷卻，其溫度降低到冷卻介質(zhì)的溫度。然后，空氣進入膨脹機，在其中進行絕熱膨脹而降壓、降溫。溫度低于冷藏庫溫度的空氣被引入冷藏庫內(nèi)的換熱器中，從其周圍物體吸熱，在定壓下其溫度升高到冷庫溫度，最后又被壓氣機吸出重復(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。實踐表明，負荷不同時采用不同形式的人工制冷水降溫技術(shù)，能提高制冷效率：負荷小的礦井宜采用分布式，負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，井下集中式的問題是冷凝水排放難，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，會遇到溫度躍升的問題。各國研究機構(gòu)都在致力于解決上述兩個難題，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人工制冷水技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在未來，該項技術(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)過冰冷卻的水輸送至各個工作面。系統(tǒng)包括
三個主要組成部分：冰的制備，冰的運輸和冰的溶解；其中冰的融化是系統(tǒng)中一個至關(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)井下制冷量來確定，把冰輸送至井下，然后再輸送至各個工作面進行制冷。

該方法具有以下特點：1) 主要制冷設(shè)備在井上，便于維修，且不需進行防爆設(shè)計。2) 系統(tǒng)更加簡單，省略了融冰過程，減少了能源的浪費。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題。

礦井制冷降溫的專利基礎(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，早期大部分礦井制冷降溫設(shè)備都是從德國引進。中國礦井制冷降溫技術(shù)經(jīng)過近年來的迅猛發(fā)展，關(guān)于礦井制冷降溫的專利申請量有了較大的提高。以國家知識產(chǎn)權(quán)局專利數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對國內(nèi)外在中國的礦井制冷降溫專利進行分析。從圖1中可以看出：中國的礦井制冷降溫專利申
請量在該領(lǐng)域的申請量達到了458件，位于第一位，且申請量遙遙領(lǐng)先于其它國家，約占總量的30%，這與我國豐富的煤炭資源以及大力發(fā)展煤炭開采密切相關(guān)，同時，中國近些年對于知識產(chǎn)權(quán)的重視也促使了中國關(guān)于礦井制冷降溫專利申請量的迅猛增長。德國在礦井制冷降溫領(lǐng)域的申請量排在第二位，約占總量的15%，德國在該領(lǐng)域的起步較早，且技術(shù)發(fā)展較為成熟，對該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到了巨大的推動作用。中國、德國、日本、美國等幾個主要國家的申請量占到了總申請量的79%。

我國礦井空調(diào)制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢預(yù)計到2050年，煤炭資源占一次能源消費比例將不低于50%，也就是說，在未來的三十幾年中，煤炭資源仍將作為主要能源。但是，隨著我國淺部煤炭資源的開采殆盡，深部煤炭資源將成為主體能源，而礦井深部開采時面臨的熱害問題也將是以后需要重點關(guān)注并解決的技術(shù)難題，經(jīng)過對我國礦井空調(diào)制冷技術(shù)的分析可知，我國的礦井空調(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)備將會朝著以下幾個方向發(fā)展：

1)我國礦井空調(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)我國已經(jīng)逐漸掌握了國外先進的技術(shù)及設(shè)備，礦井空調(diào)制冷降溫成套裝備將會逐漸實現(xiàn)國產(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廢熱的排放。