煤矿井下机械制冷降温系统的应用探讨

张俊宝

（山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁 272063）

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煤矿井下机械制冷降温系统的应用探讨

张俊宝

（山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁 272063）

随着气候的变化和经济的发展，人们对煤炭的需求不断增加，矿井开采量也随之加大，开采工作面的环境热害严重威胁到资源的正常开采，有大部分工作面的气温甚至达到28摄氏度，给煤矿开采作业人员的身体健康造成极大的威胁，机械制冷降温系统的应用能够对温度实施有效的控制，本文就这种系统在煤矿井下的应用进行分析。

煤矿；机械；制冷降温系统；应用

0 引言

目前采用的矿井降温方法大多都是人工制冷以及通风降温的方式，通过这些方式来改革采煤工艺以及煤壁注水预冷煤层现状，这种措施虽然经济实用，但是受到众多因素的制约，发挥的作用有效，通常只能够降3摄氏度的温度，难以满足采掘工作面的基本要求。机械制冷降温系统的应用可以有效解决采掘工作面高温问题。

1 制冷方式的选择

制冷方式的选择通常有两大难点，首先，由于井下的高温点分布比较分散，具有较多的热源种类，并且这些热源种类在不断的发展变化，难以对热量有效计算。其次，降温系统布设井下需要大量的冷量，冷凝热的排放相对困难。矿井下制冷降温的主要方式有两种，其中一种是空气压缩式制冷，还有一种是蒸汽压缩式制冷。蒸汽压缩式制冷主要是利用液体在气化过程中吸收热量的方式来制冷，气化过程中的液体需要吸收大量的热量，这种热量往往被称为液体的气化潜热量。

液体吸收的热量往往是来源于被冷却的对象。液体气化制冷可以分为机械压缩式制冷、吸收式制冷以及喷射式制冷，矿井下制冷系统的应用都是以机械压缩式制冷为主要的制冷方式。机械压缩式制冷包括三个部分的内容，分别是冷凝器、压缩机以及蒸发器，通过管道可以将这三个部分连成一个统一的封闭式系统。与蒸汽压缩式制冷不同，空气压缩式制冷为气体的逆向循环系统，高压气体在遇热的情况下就会出现膨胀，对膨胀机造成一定的影响，使机内温度降低。

根据制冷站的安装位置以及冷却地点可以将蒸气压缩式制冷降温系统分为四种方式，两两相互对应，有地面集中制冷和井下集中制冷，还有局部分散式制冷和上下联合式制冷。井下集中式制冷顾名思义就是设置在井下的制冷方式，在这种制冷中，通常是由不同的管道向工作面供水。如图1所示，为井下集中式制冷系统。

图1 井下集中式制冷系统

这种系统相对简单，只有单一的冷水循环管道，不需要实施管道的转换。但是这种制冷方式的缺陷在于需要在井下开凿大断面峒室，施工和维护的难度会增大。地面集中空调系统又被分为地面冷却风流系统和井下冷却风流系统两种，这种系统需要在井下增设高低转换装置。井上下联合系统具有井下和地面两个系统特点，不便于操作管理。井下局部分散式系统仅仅可以供局部高温场所使用，适用范围相对较小。

2 压缩机的应用和防护

压缩机是机械制冷降温系统的心脏，一定程度上能够决定系统运行的性能和寿命。在矿用制冷量为100kW的范围内，通常使用的压缩机类型有两种，其中一种是活塞式压缩机，还有一种是螺杆式压缩机。

螺杆式压缩机的可靠性较高，在发展和使用过程中已经取代了传统的往复式压缩机，尤其是双螺杆式压缩机的应用受到更多人的青睐。压缩机的使用中，最注重其安全性能。

作为特殊设备的压缩机，在运转中难免会出现一些异常，需要采取有效的防护措施加以控制，避免因为机械异常状况的出现对压缩机造成的损坏。压力保护是压缩机安全防护中的首要工作，主要的压力保护方式包括压缩机吸排气压力的保护以及润滑油压力保护两种。

在机械运转的过程中，会因为一些因素的影响导致其排气压力不断增加，为了避免这种现状的出现，可以设置高、低压力控制器来加以控制。为确保压缩机各部件的润滑功能得到更好地保障，必须设置润滑油压差控制器。

除此之外，还需要做好温度保护工作，可以在排气口设置有效的温控器，对温度进行控制，这样就能够避免温度变高对制冷剂造成的影响，还可以减轻温度过高对电路造成的损坏。

3 制冷剂和润滑油的选择和应用

3.1 制冷剂的选择应用

但选择的制冷方式为蒸汽压缩式制冷时，作为系统中循环流动介质的制冷剂可以实现能量的转换和传递。现在常用的制冷剂为卤代烃。矿用装置中使用的制冷剂对环保性和使用效率的要求较高，更重要的是要确保制冷剂使用的安全性。

制冷剂的泄露容易导致安全事故的发生，因此，制冷剂的选择需要考虑到其爆炸性、毒性以及燃烧性特征。

根据制冷剂的特性可以将制冷剂分成三个不同的组别，其中一种是无害、不易燃的制冷剂，还有一种是易炸、腐蚀性较强的制冷剂，最后一种制冷剂与空气中的化学物质混合就会发生爆炸。在有热害的矿井中，绝大部分瓦斯爆炸就是制冷剂的选择出现问题。因此，需要根据制冷剂的具体特征以及适用场合选择合适的制冷剂。

3.2 润滑油的应用

润滑油是制冷系统中的重要材料。在压缩制冷系统中，润滑油和制冷剂会直接接触，一部分润滑油就会被卷入制冷管道当中，随着制冷剂的循环而出现循环。

选择的压缩机是封闭式的压缩机时，其内部的润滑油会与电动线圈中的有机材料接触，对压缩机的相关部件不断产生润滑效果，这样就可以减少部件之间的摩擦力，降低摩擦起热的现象，从而起到制冷的作用，可以提高整个系统的运行效率。

4 空冷器的选择及具体应用

空冷器本身是一种热交换器，主要作用就是将流过其表面的气流进行冷化，最终实现降温的作用。这种系统在井下局部分散式机械制冷降温中的应用同蒸发器有着很大的相似之处。

通常情况下，矿用空冷器主要分为两种，其中一种是直接接触式空冷器，还有一种就是表面是空冷器。后者具有结构紧凑、体积小以及应用方便等多种优势，在矿井下制冷系统中的应用备受青睐。为增强表面是空冷器的换热效率，往往通过在其肋管上增加翅片的方式增加换热面积。

但是这种方式会受到井下恶劣条件的影响，最终导致其效率难以得到很好地发挥。为了适应矿井下恶劣的条件，一些国家将表面式空冷器改为光管式空冷器，采用冲洗泵配合这种空冷器，才能够使其更好地适应井下的环境。

而直接接触式空冷器的主要优势在于换热效率高，但是这种空冷器的灵活性较差，在井下制冷系统中的使用受到很多限制。此外，还需要对空冷器的材质进行选择，一般选择铜和不锈钢作为热交换器的材料，这些材料的热导系数比较大，在井下应用能够发挥更好地作用。

结束语

近年来，煤矿开采量不断增多，高温矿井的数量也不断增加，有效降低井下温度成为人们关注的重点问题。我国常用的降温方式主要是优化通风系统，还有通过预冷进风风流的方式进行降温，这些降温方式在矿井热害治理中的应用已经比较成熟。但是这些措施的降温幅度有限，难以起到彻底的降温效果。

机械制冷降温系统的应用能够改变传统的降温方式，从而提升煤矿井下作业的效率，减少对矿井工作人员的身体损害，使他们能够在安全的环境中作业，对煤矿开采整体质量和水平的提升有很大的保障。

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1671-0711（2016）11（上）-0162-02