冰蓄冷空调在矿用救生舱中的应用

2014-04-01刘利云

中国矿业 2014年11期

肖涛，徐锋，刘利云，阮炜

(武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064)

矿用救生舱是解决矿难事故的一个重要手段，通常情况下，救生舱应具备安全防护、氧气供给保障、空气净化与温湿度调节、环境监测、通讯、照明、动力供应、人员生存保障等基本功能。其中，空气净化与温湿度调节主要依靠空调系统。由于矿难事故往往伴随着电力中断，为保证救生舱内具有适宜的空气质量和温湿度，一般采用被动冷却方式的空调系统来实现舱内生存环境的调节。在众多被动冷却方式的空调系统中，冰蓄冷空调系统因其技术成熟、节能环保等特点，在欧美发达国家得到了广泛的应用，在中国各大商场、食品行业的应用也日趋广泛。

在矿用救生舱的空调系统研究中，关于冰蓄冷空调的应用鲜有文献述及。本文借鉴冰蓄冷空调的一些技术特点，将其应用于矿井救生舱。通过对多种空调系统的分析比较，对冰蓄冷空调应用于矿用救生舱的合理性进行了分析。然后，对冰蓄冷空调的工作原理、结构形式进行了详细介绍，通过试验数据的对比，对一次循环形式的冰蓄冷空调的有效性进行了验证。

1 矿井空调系统应用

现有矿井下应用的空调系统冷却方式根据原理可分为两种：被动冷却方式和主动冷却方式[1]。

主动冷却方式均需持续的电力供应，由于矿难发生时随即必然伴随着电力供应的缺失，因此该种冷却方式不宜应用于在矿用救生舱制冷方式。

被动冷却方式可分为蓄能、蓄冷和强制换热三种方式。由于矿难发生时，多伴有矿井救生设备(硐室和救生舱)外部的持续高温，故强制换热通常不宜作为矿井救生设备的制冷方式。蓄能方式主要通过电力或高压气体驱动冷却系统实现降温功能，其优点在于舱内占用体积小，结构紧凑，技术成熟，但是该方式需一定量的储备电源供电，且设备冷凝器在舱外易在矿难发生时就被破坏致使空调系统无法使用。蓄冷方式主要利用预先储蓄的冷量实现降温功能，虽然该方式需要较大体积的蓄冷设备，以及间歇性通电制冷，但它可以实现“零”电力需求，并可通过舱内送风系统达到制冷效果，无需额外电力驱动，因此具有相对较高的可靠性，对于处理矿难事故具有一定的优越性。

蓄冷方式主要是利用预先存贮的制冷剂进行制冷，从而达到避难硐室内或救生舱内空气冷却的目的[2-4]。蓄冷可采用蓄冷剂(如液氮、液态二氧化碳、R744、R22、R134a 等) 、蓄冰等。这种降温方式优点是不带电，设备全在避难硐室或救生舱内，系统安全可靠，适于我国矿井井下环境；缺点是需要高压空气作动力，需要存贮大量制冷剂。蓄冰制冷，日常需要通电保持空调柜里蓄冰不被融化，日常维护费用较高。

2 冰蓄冷空调应用

冰蓄冷空调系统分为一次循环形式和二次循环形式两种，笔者结合矿井救生舱研制过程中的两种冰蓄冷空调系统的应用实例，对矿用救生舱空调系统的结构形式、工作原理进行分析比较，并通过试验数据对两种空调系统的有效性进行验证。

2.1 二次循环形式

由于《矿井救生舱试用标准》对于救生舱内人员的净容积提出了一定的要求，在考虑尽量大的提高人员在救生舱内所拥有的净体积，我们设计了一种为节约生活舱内人员的净占体积而形成的二次循环冰蓄冷空调系统形式。其原理如图1所示。

图1 二次循环形式原理图

二次循环形式可将蓄冰槽与生活舱隔离，制冰机组管路布置于蓄冰槽内循环制冰形成一次循环，乙二醇水溶液循环管路不至于蓄冰槽及生活舱内，通过电机带动形成二次循环，将蓄冷量带至生活舱内，舱内换热管路依靠舱内风机形成舱内环境温度换热效果，从而控制舱内环境温湿度在一个合理范围内。

该方式的优势十分明显，不仅极大地节约了生活舱内人员的活动空间，其舱内换热器体积较蓄冰槽小很多，而且在一次循环管路出现故障的情况下，制冷介质的泄露对舱内人员的安全没有任何影响。但是，它也存在一定的缺陷，比如爆炸时的高温环境将加速消耗蓄冰槽内的冷量，这些损失的能量极大的降低了空调系统的效率；另外，二次循环形式的双换热形式也极大降低了空调系统的效率；再者，通过实际系统试验我们发现，乙二醇水溶液配比不恰当致使二次循环管路中冷媒水循环回路冷媒水介质无法满足在低温环境下仍处于液态的情况，从而无法通过舱内电机而形成二次循环，无法达到舱内冷量供应的目的。

2.2 一次循环形式

为提升系统效率，在综合考虑各相关设备性能(配电系统设备，电气系统设备)的情况下，同时在保证舱内人员净体积的前提下，形成了一种将蓄冰槽放置于生活舱内的一次循环形式的空调系统，通过蓄冰槽内部换热风道与外部供风系统结合，将冰槽内蓄冷量带到舱内环境，从而达到控制舱内温湿度环境的目的。其原理见图2。

一次循环空调系统的设计，由于蓄冰槽处于生活舱内，不受到外界高温环境的影响，同时，一次循环的效率较二次循环效率高，从而极大提高了整体空调系统的换热效率；相对二次循环形式，该形式的空调系统有效避免了二次循环换热管道堵塞而无法完成系统功能的问题；由于蓄冰槽处于舱室内，该方式的自然换热也是形成的舱内温度控制，通风形式下的强制换热形式是为完全满足舱室内的环境温湿度控制，蓄冰槽内蓄冷量基本全部完成了其实用价值，极大提高了系统环境温度控制的效率；其次该种循环方式相对于二次循环形式设备及管系更加简约，极大的节约了系统成本并提高了设备安全性；由于蓄冰槽在人员生活舱内，当储备水资源不足的情况下，冰槽内的蓄水可满足避难矿工相对长时间内的水资源供应。

图2 一次循环形式原理图

同时，一次循环也存在其缺点，较二次循环形式，一次循环形式将蓄冰槽置于舱内极大占用了舱内空间，致使舱内人员的净体积大幅减少，同时制冷循环管路的破坏也存在一定的危险性，需要对该制冷循环管路的舱内部分进行适量的保护。

考虑经济性方面的因素，由于一次循环的效率较低，在同等需求冷量的情况下需要的蓄冰槽体积更小，内部铜管布置量更少；同时，一次循环形式采用无电力驱动形式，较二次循环形式的舱内电机的电力驱动形式耗能方面更加低廉；另外，一次循环形式蓄冰槽处于生活舱内，冰槽内水可做应急水源，较二次循环所需应急水需另行储备在舱内。以上对比表明一次循环形式较二次循环形式的空调系统在建造成本上的经济性更好。

2.3 系统试验

基于一次循环形式的冰蓄冷空调，笔者在试验室进行多次空调系统的制冷及放冷试验。在试验中，设定外部环境为50°左右的高温环境。对救生舱内温度和湿度的控制效果如图3、图4所示。由图3、图4可以看出，在一次循环形式的冰蓄冷空调系统的调节下，舱内温度基本控制在26～37°之间，变化比较平缓，且大部分时间保证在30～34°之间，仅略高于正常的室内常温，一直处于人体可承受范围之内；舱内湿度由于间接性的进入舱内调节加湿器加适量造成其波动较大，基本维持在30%到60%之间，由于人体可承受湿度范围较大，舱内湿度也处于可接受范围。

图3 一次循环空调系统第三次试验图表

3 总结

本文对冰蓄冷空调在矿用救生舱中的应用进行了阐述，详细介绍了一次循环形式和二次循环形式的冰蓄冷空调的结构形式和工作原理，对两种循环形式的冰蓄冷空调的优缺点进行了深入分析。分析结果表明一次循环形式的冰蓄冷空调具有更高的可靠性、经济性和实用性，并通过系统试验验证了一次循环形式的冰蓄冷空调系统的有效性。该研究对矿用救生舱的空调系统设计具有一定的指导和借鉴意义，下一步的工作将重点提高一次循环形式的效率，优化该形式空调系统的制冷及放冷形式，努力控制整体系统设备的成本。