矿用井下降温系统

赵艳青

摘 要：矿用井下降温系统基本类型主要分为地面集中制冷系统、井下集中制冷系统及井下分散式制冷系统等多种形式。主要是由防爆制冷机组、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、闭式冷却塔、空冷器、补水系统、软化水系统等部分组成。

关键词：防爆制冷机组；冷却水循环系统；冷冻水循环系统；闭式冷却塔；空冷器

0 引言

随着矿井的逐渐深入地下，受地热的影响也越来越严重。许多500m以下矿井最高温度达到40℃，严重影响工人的健康与工作效率。高温对工人行动与行为的不利影响不但降低了工效，还增加了人为失误，同时事故的发生概率也大大增加。因此，实施降温工程不仅是必要的，而且是迫切的。

1 制冷降温系统方案确定

制冷降温系统采用局部式降温系统，将制冷机组安装在联络巷中，为两个掘进工作面降温。冷凝热采用回风巷的回风排放，闭式冷却塔设置在回风巷中，用冷却水管将冷凝热输送到闭式换热器中放热。制冷机组产生的冷冻水用输冷管道将输送到安装在两个掘进工作面的空冷器中，由局扇排出的空气先经空冷器降温后，再送到掘进工作面，实现两个掘进工作面降温。

2 系统设计计算

2.1 工作介质

选择R134a为制冷降温系统的工作介质，该制冷剂主要优点是冷凝温度高且环保，适应环境温度高、排热困难的条件下。

2.2 制冷压缩机选择

制冷压缩机制冷量Q0=500kW，电机P=185kW

2.3 冷却水量计算

2.3.1 基本结构和参数确定：

冷却水进水温度取为40℃，温差取5℃，出水温度为45℃。

2.3.2 冷凝器的热负荷：

QK= Q0+P= 685kW

实际确定冷凝器的热负荷为700kW。

2.3.3 冷却水流量：

式中cpw——冷冻水的定压比热，cpw =4.186kJ/kg.K

2.4 冷冻水量计算

2.4.1 基本结构和参数确定

冷冻水（载冷剂）进水温度为9℃，温差取7℃，出水温度为16℃。

2.4.2 冷冻水（载冷剂）流量：

式中 cpl——冷冻水的定压比热，cpl =4.186kJ/kg.K

2.5 冷却水循环系统的设计计算

2.5.1 冷却水流程确定

从冷凝器中吸收冷凝热后的冷却水，用水泵通过闭式冷却水管送到闭式换热器中，在喷淋水和风流的共同作用下，管中冷却水放热降温，冷凝热被风流带到大气中，冷却后的冷却水流回到冷凝器中再吸热，形成冷却水循环。其流程如下：制冷机组冷凝器→冷却水循环泵→冷却水管→闭式换热器→冷却水管→制冷机组冷凝器。

2.5.2 冷却水管规格确定

根据冷却水流量和管内流体的压力，确定选择冷却水管规格：

式中 Qw——冷却水必须水流量，Qw =1.2Vw =145m3/h

w′——冷却水经济流速，w′=2.2m/s

选择规格为159×4.5mm无缝钢管做冷却水管。

2.5.3 冷却水循环泵选择

水泵必须的流量：Qw =1.2Vw =145m3/h

水泵必须的扬程：H=1.2（hw+ hn + hr）

式中：hw——冷却水管路及附件的阻力

hn——冷凝器的阻力

hk——闭式换热器或冷却塔的阻力

2.5.4 闭式换热器选择计算

根据所需冷凝热排放量700 kW、冷却水的参数及用户可能提供的回风量3500 m3/min，每个降温工作面选择2台FBN-330T型闭式冷却塔。

2.6 冷冻水循环系统设计

2.6.1 冷冻水流程确定

冷冻水输送系统由输冷管道、循环水泵、定压补水装置组成。制冷机组蒸发器出来的9℃冷冻水经输冷管送至末端空冷器，与采煤工作面的热空气进行热交换后，将使水温上升至16℃左右，再由冷冻水循环泵使其返回制冷机组蒸发器进行降温，形成冷冻水循环。

2.6.2 冷冻水管规格确定

冷冻水流量：Ql =1.2Vl =1.2×61.43=73.7m3/h，冷冻水经济流速取w′=2.5m/s。

根据冷却水流量和管内流体的压力，确定选择冷冻水管规格：

选择规格为133×5mm无缝钢管做冷冻水主管路。

2.6.3 冷冻水管的补偿方式确定

由于井下输冷管道内输送的为低温冷冻水，在管道运行时，存在热胀冷缩现象，故设计时需考虑管道补偿问题，建议采用套管补偿器。

2.6.4 冷冻水循环泵选择

水泵必须的流量：Ql =1.2Vl =1.2×61.43=73.7m3/h

水泵必备扬程：hw=1.2（hwl +hz +hk）

式中：hwl——冷冻水管路及附件的阻力

hz——蒸发器的阻力

hk——空冷器的阻力

2.7 井下降温系统末端设备

主要由空冷器、过滤器、仪表、阀门等组成。

2.8 系统补水及软化水系统

（1）系统补水采用定压补水方式进行补水。

（2）水处理系统的处理水量应大于冷却水循环和冷冻水循环回路中所损失的水量，处理的水质必须是符合《载冷剂水质要求表》的要求。

3 控制系统

本制冷降温系统的控制采用了德国西门子PLC智能控制装置，它集先进的进口可编程控制和防爆技术于一体，对制冷机机组的电机、控制阀、传感器等实施自动控制。

4 结论

矿用井下降温系统改善了矿井作业的环境，矿井需要降温作业面的温度降到26℃以下，有效地保证了矿井工人的身心健康，降低安全事故的发生率，提高生劳动生产效率。矿用井下降温系统不仅有效地治理了矿井热害，还为矿井及降温系统生产企业带来显著的经济效益。

参考文献

[1]盛伟，郑海坤，王强，等.蓄冷型矿用可移动救生舱降温系统性能实验[J].制冷学报，2013，（1）：94-96.

[2]薛千成，胡彦祥，刘桂平.煤矿井下降温系统的设计及应用[J].煤矿机电，2013，（3）：75-78.

（作者单位：阜新金昊空压机有限公司）