矿井救生舱用空调系统的研究

陈付齐，陈剑波，周亮亮，丰敏，余然

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

矿井救生舱用空调系统的研究

陈付齐*，陈剑波，周亮亮，丰敏，余然

（上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093）

空气调节是矿井救生舱的一项关键技术。本文设计了一种救生舱用空调系统，该系统采用开式二氧化碳制冷作为空调方式，以贮存在钢瓶中的高压液态二氧化碳为能量来源和制冷剂，以液体气化吸热、高压气体膨胀制冷为原理，实现对救生舱内空气温湿度的调节。根据设计条件，计算得到矿井救生舱空调系统冷负荷为2,000 W，制冷剂二氧化碳流量为35.82 kg/h；在焓差实验室中对空调系统在标准工况、其它工况、变工况下进行性能测试实验，得到实验数据与理论计算进行比较。理论计算和实验数据对比表明，矿井救生舱空调净化一体机满足设计要求，运行稳定，可为矿井救生舱用空调系统的研发提供参考依据。

矿井；救生舱；制冷量

0 引言

随着经济的持续快速发展，我国已经成为世界第二大经济体，与之相伴的是每年巨大的能源需求量和消费量。其中煤炭占能源消费总量的比重达到70.1%，与之相伴随的是，我国煤矿事故[1]频发，平均每年造成6,000多人死亡，超过全国事故死亡人数的三分之一。世界其他主要产煤国建立了相对完善的标准，来规范矿井救生舱的生产与使用；同时一些具有较强科研实力的公司[2-4]也投入大量资金来进行相关产品的研发，其产品大都采用分体式空调来实现救生舱内空气温湿度的调节。国内矿井救生舱的研发及应用相对国外较晚，目前处于模仿制造阶段，缺少创新，缺少试验和研究成果，缺少实践检验，同时相关行业标准也迟迟未能正式出台。目前对矿井救生舱空调系统研究还处于定性研究阶段，仅对不同的救生船空调系统进行理论分析，未对具体的某一种矿井救生舱系统进行深入的实验研究，缺乏实验数据。

本文以设计研究一种适用于矿井救生舱的空调设备为主要目标，在不同工况下对设计的空调系统进行风量和制冷量实验，根据实验数据确定矿井救生舱空调系统的设计方案[5-7]，为矿井救生舱空调系统的研究提供设计依据。

1 救生舱空调系统理论分析及计算

1.1 救生舱空调系统原理

救生舱空调系统采用开式二氧化碳制冷[8]，由于二氧化碳的临界温度为 31 ℃，临界压力为7.372 MPa。根据矿井救生舱空调技术要求[9-10]，救生舱的温度调节系统应该使舱内空气的体感温度不高于 35 ℃；但是矿井内的环境温度可能长时间处于 50 ℃以上，矿井救生舱空调在运行时环境温度常在二氧化碳的临界温度（31 ℃）以上，以及矿井内安全要求，发生事故时无电力提供，所以本文采用开式二氧化碳跨临界制冷循环，如图1[11-12]。

图1 开式二氧化碳制冷

图1(a)为开式二氧化碳制冷原理图，由储存在钢瓶或者其它容器中的高压二氧化碳代替压缩机和冷凝器，高压低温的二氧化碳制冷剂经过节流后变成气液混合状态，在蒸发器中吸收热量后变成高温低压的过热蒸汽，然后进入气动风机推动风机做功，压力降低后排到外环境中。如图1(b)中，开式二氧化碳制冷过程在 lgp-h图中表示为流程a′→b′→c′→d′→e′，其中 a′→b′为节流过程，b′→d为蒸发吸热过程，d′→e′为降压做功过程。

1.2 矿井救生舱空调计算

根据使用要求和《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件》的规定，本课题所设计的矿井救生舱空调系统需要达到的标准如表1所示。

表1 救生舱空调设计要求

1）空调负荷计算

救生舱空调的全热冷负荷Q由3部分组成[13-15]，即舱内人员散热产生的冷负荷Q1，空气净化设备（药剂）散热产生的冷负荷Q2，以及救生舱与外界环境通过舱体维护结构换热而产生的冷负荷 Q3,则救生舱空调的冷负荷为：

救生舱内人员冷负荷：

式中：

Q1τ——人员显热散热形成的计算时刻冷负荷，W；

Q1q——人员潜热冷负荷，W；

τ-T——从人员进入救生舱算起到计算时刻的时间，h；

Xτ-T——τ-T时间人体显热散热量的冷负荷系数；

n——救生舱内人员数量，人；

φ——群集系数；

q1q——成年男子潜热散热量，W；

q1x——成年男子显热散热量，W。

根据表1计算得出Q1为1,269 W；Q2根据相关规范计算可得Q2为259 W；Q3为300 W，则可得Q为2,000 W。

2）送风量计算和送风参数的确定

全热平衡：

湿平衡：

式中：

MS——救生舱空调的送风量，kg/s；

QC——救生舱内的全热负荷，QC=Q=2,000 W；

h·R、hs——舱内空气和由救生舱空调送出的空气的比·焓，kJ/kg；

MW——救生舱空调的湿负荷，kg/s；

dR、ds——分别为舱内空气和由救生舱空调送出的空·气的含湿量，g/kg。

设定舱内空气的温度tR为30 ℃，相对湿度φR为 70%，则含湿量 dR为 18.73 g/kg，比焓 hR为78.02 kJ/kg；取送风温差为 7 ℃，则可以得到送风状态点的参数如下：送风温度 ts为 23 ℃，含湿量ds为15.72g/kg，比焓hR为60.09kJ/kg。

根据焓差计算送风量为：

根据湿差计算送风量为：

空调送风量取上述两者的较大值，即送风量至少为 454 m³/h。

3）制冷剂流量计算

钢瓶中的二氧化碳经过节流阀后压力和温度下降，一部分变成液体和气体混合成为湿蒸气，二氧化碳湿蒸气进入蒸发器中吸收舱内空气的热量后发生气化，变成过热气体，此时二氧化碳制冷剂气体压力仍然较高，经减压阀二次减压后变成低温低压的气体，然后再次经过蒸发器吸收热量温度升高，最后进入气动风机。如图2和3所示，其流程为a→b→c→d→e→f→g。其中：a点为高压储气瓶内的二氧化碳制冷剂节流之前的状态点；b点为二氧化碳制冷剂节流后，进入蒸发器的状态点；c点为蒸发器内二氧化碳饱和气体状态点；d点为二氧化碳制冷剂从蒸发器出来，进入减压阀前的过热状态点；e点为二氧化碳制冷剂从减压阀出来后，再次进入蒸发器前的状态点；f点为二氧化碳制冷剂从蒸发器出来后，进入气动马达的状态点；g点为二氧化碳制冷剂从气动马达出来的状态点。

图2 二氧化碳节流制冷实际流程图矿井救生舱空调系统lgp-h图和T-S图

图3 二氧化碳节流制冷实际流程图

设定蒸发温度为-5 ℃，湿蒸气干度为 0.4，过热度为20 ℃；减压后的压力为1.000 Mpa；二次进入蒸发器前温度为15 ℃，排气温度为25 ℃，可得到表2。

表2 制冷剂在制冷过程中各个状态点的物性参数

二氧化碳制冷剂的理论流量为：

2 实验研究

2.1 实验方案

为了测试救生舱空调净化一体机空调系统在不同工况下的性能，该实验选择在空调焓差室内进行。焓差室的室内侧模拟乘员舱内环境，空调净化一体机与焓差室内风量、制冷量测量装置相连，可以测得空调净化一体机的风量、制冷量等参数；室外侧模拟设备舱的环境,可以维持高压二氧化碳钢瓶内的制冷剂温度和压力保持稳定；使用完的制冷剂在排出焓差室前与气体流量计相连，可以掌握制冷剂的消耗量。鉴于发生矿难时可能出现的多种情况，本实验分为3种工况进行：标准工况下稳定运行实验，非标准工况下稳定运行实验，以及变工况下运行实验。标准工况为，乘员舱空气温度30 ℃，空气相对湿度 70%，设备舱空气温度 25 ℃；非标准工况时，改变乘员舱的空气温度为28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃及38 ℃，其它控制参数不变；变工况时，先将乘员舱空气温度维持在 30 ℃，待机运行稳定后迅速改变乘员舱温度至 38 ℃，其它控制参数不变。

3 实验数据分析

3.1 标准工况下稳定运行实验

由图4可知空调系统平均制冷量为2,029 W，制冷量最高为2,137 W，最低为1,935 W，变化幅度约为±5%；系统平均风量为 467 m3/h，风量值变化比较稳定，满足设计要求。制冷剂二氧化碳的质量流量为 39.13 kg/h，与理论计算的制冷剂消耗量35.82 kg/h相比高约9.24%。这是由于实验时采用普通钢瓶储存的二氧化碳压力最高为7 MPa，不是设计要求的8 MPa以上的高压二氧化碳。

图4 标准工况下空调系统稳定运行的制冷量和风量

计算制冷量为节流制冷量与减压制冷量之和，由制冷剂节流前后的焓差、减压前后的焓差、以及测得的制冷剂流量计算得到，为一定制冷剂流量下的理论制冷量。由图5可知，节流制冷量、减压制冷量、计算制冷量的平均值分别为 2,079 W、190 W 和 2,269 W，实际测试得到的平均制冷量为2,029 W，即系统平均漏热量为239 W，制冷剂实际制冷量利用率为89.43%。

图5 标准工况下稳定运行时的计算冷量

3.2 非标准工况下稳定运行实验

由图6和图7可知，当乘员舱内空气温度依次为 28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃和 38 ℃，系统的平均制冷量和平均送风量分别依次为 2,277 W、1,974 W、1,940 W、1,876 W、1,842 W和469 m3/h、457 m3/h、455 m3/h、452 m3/h和451 m3/h。乘员舱空气温度和系统平均制冷量变化趋势相反。温度越高，液态二氧化制冷剂易气化，导致节流效果变差和制冷剂干度升高，制冷量下降；同时环境温度升高，换热温差变大，未作保温处理的不锈钢机壳漏热量也增大。同时随着乘员舱温度的升高，空调系统风量略有下降，但基本保持稳定，满足要求。

图6 不同乘员舱温度下空调系统制冷量的变化

图7 不同乘员舱温度下空调系统风量的变化

由图8可知，实验数据表明，当制冷剂流量为 39.13 kg/h时，空调系统计算制冷量随着乘员舱温度的变化比较稳定，最大值为 2,301 W，最小值为 2,257 W，而实际测试得到的制冷量则变化较大，说明随着乘员舱温度的升高，空调壳体和制冷剂管道与空气换热温差增大，空调系统漏热量也逐渐增大。

图8 不同乘员舱温度下空调系统测试制冷量与计算制冷量的变化

3.3 变工况时运行实验

系统在标准工况稳定运行时，突然改变焓差室乘员舱一侧的温度设定，即将乘员舱空气的干球温度由30 ℃迅速提升至38 ℃，直至系统再次进入稳定运行状态，记录这一过程空调系统的运行参数，以研究其在变工况运行时的自动适应特性。

由图9可知，大约30 min后，空调系统的制冷量和风量重新稳定，制冷量由初始时刻的 2,111 W下降至 1,833 W；风量变化比较稳定，由初始时刻468 m3/h下降至450 m3/h，下降约3.72%。该变化规律与上述不同工况下运行时，空调系统制冷量、风量变化规律相一致。

4 结论

本文选择二氧化碳作为制冷剂，采用开式二氧化碳制冷，针对救生舱空调系统进行设计以及实验研究。根据设定条件计算出负荷为2,000 W，送风量为454 m3/h，制冷剂流量为35.82 kg/h。并通过焓差实验室在3种工况下进行实验，并得到如下结果。

1）在标准工况下实验测得平均制冷量为2,029 W，计算制冷量为2,269 W，即系统平均漏热量为239 W，则实际制冷量利用率89.43%。实验测得实际送风量为 467 m3/h, 计算风量为 454 m3/h，与理论相比约相差2.97%，满足实际要求。

2）在非标准工况下，即改变舱内空气温度依次为 28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃和 38 ℃时，制冷量和送风量分别为 2,277 W、1,974 W、1,940 W、1,876 W、1,842 W和469 m3/h、457 m3/h、455 m3/h、452 m3/h和 451 m3/h。制冷量和送风量基本上在2,000 W和454 m3/h附近，这是因为随着乘员舱温度的升高，空调壳体和制冷剂管道与空气换热温差增大，空调系统漏热量也逐渐增大。但是在发生矿难的紧急情况下是可以保证人员的所需冷量的。

3）在变工况下，空调系统的制冷量在初始时刻的2,111 W下降稳定至1,833 W；风量变化比较稳定，由初始时刻468 m3/h下降至450 m3/h，这说明即使在矿难时发生室外温度突然上升的情况下依然可以为人员提供所需的冷量。

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Study on Air Conditioning System of Mine Rescue Capsule

CHEN Fuqi*, CHEN Jianbo, ZHOU Liangliang, FENG Min, YU Ran
(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Air-conditioning is a key technology of the mine removable rescue capsule. An air conditioner system was designed in the present study, and the system uses an open carbon dioxide refrigeration cycle as air conditioning to adjust the temperature and humidity of the air according to the theory of absorbing heat when the liquid vaporizes and high-pressure gas expands. Under the design conditions, the calculated cooling load of the air conditioning system is 2,000 W, and the flow rate of the refrigerant is 35.82 kg/h. The performance of the air-conditioning system was tested in the enthalpy lab at standard conditions, other conditions and variable conditions, and the theoretical calculations were compared with the experimental data. The comparison between the theoretical results and experimental data shows that, the air conditioner can satisfy the demand and operate stably, and the research results will provide a reference for the research and development of Mine rescue capsule.

Mine; Rescue capsule; Refrigerating capacity

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.203

*陈付齐，男（1991-），硕士。研究方向：矿井救生舱用空调系统的通风设计及安全防护设备。联系地址：上海市杨浦区军工路516号上海理工大学环境与建筑学院，邮编：200093。联系电话：13162335509。E-mail：1162063187@qq.com。