溫濕度獨立控制系統(tǒng)應(yīng)用于深井降溫

陳 柳

(西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

·機電與自動化·

溫濕度獨立控制系統(tǒng)應(yīng)用于深井降溫

陳 柳

(西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

針對傳統(tǒng)礦井降溫系統(tǒng)能耗大和工作面濕度大的問題，結(jié)合深井特殊環(huán)境及要求，研制出溫濕度獨立控制新型深井降溫系統(tǒng)。由于冷水不承擔除濕任務(wù)，該系統(tǒng)可由各種天然冷源或高COP的高溫冷水機組承擔顯熱負荷，由轉(zhuǎn)輪除濕機承擔潛熱負荷，并利用深井余熱廢熱作為轉(zhuǎn)輪除濕的再生熱源。通過對實例的熱力學計算表明：溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)能較好地應(yīng)用于深井降溫，該系統(tǒng)既可以有效改善工作面環(huán)境，又可以節(jié)約深井降溫能耗，是一種值得推廣的深井降溫方式。通過對實例的能耗分析表明：冷源選用高溫冷水機組，再生熱源采用電加熱方式，工作面相對濕度接近飽和的條件下，溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)能耗略小于傳統(tǒng)深井降溫系統(tǒng)。進一步分析表明：工作面濕負荷越大，溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)越性越明顯，當利用余熱、廢熱和天然冷源時，可進一步降低系統(tǒng)能耗。

深井降溫 溫濕度獨立控制 熱力學分析 能耗分析

1 溫濕度獨立控制系統(tǒng)基本原理

隨著煤炭資源開采深度增加，深井熱害越來越普遍，高溫熱害已成為制約煤炭資源深部開采的主要障礙之一[1-2]。

目前研制的深井降溫系統(tǒng)根據(jù)熱力學特點來分，有5種：①蒸汽壓縮式循環(huán)制冷空調(diào)，主要是以氟里昂和氨為制冷劑的冷水機組[3-6]；②空氣壓縮制冷，有渦輪式(透平膨脹)空氣制冷、變?nèi)菔娇諝庵评洹u流管式空氣制冷和壓氣引射器制冷等形式[7]；③冰冷卻空調(diào)系統(tǒng)[8-10]；④以熱電站余熱為熱源的溴化鋰制冷、串聯(lián)壓縮式制冷機組或氨吸收式制冷機組[11-12]；⑤何滿潮等[13]提出了以礦井涌水為冷源的HEMS降溫技術(shù)，運用提取出的冷量與工作面高溫空氣進行換熱作用，降低工作面的環(huán)境溫度及濕度。

以上5種深井降溫方式，除空氣壓縮制冷以外，國內(nèi)外運用的深井降溫技術(shù)的基本原理大都是通過制冷機組提供冷源(冰或冷水等)，經(jīng)專用的輸冷管道輸送到采掘工作面的空氣冷卻器，同工作面的濕熱空氣進行熱交換來進行冷卻和除濕的，這種熱濕聯(lián)合處理的空調(diào)方式存在如下問題[14]：

(1)熱濕聯(lián)合處理所造成的能源浪費—能耗大。為了承擔深井較大濕負荷，深井降溫系統(tǒng)的冷源必須降低蒸發(fā)溫度或采用乙二醇溶液，把空氣冷卻到非常低的溫度，這樣既增加能耗，而且冷卻盤管容易結(jié)霜，COP值下降，很不經(jīng)濟。顯熱負荷本可以采用高溫冷源(天然冷源或高溫冷水機組)帶走，卻與除濕一起共用低溫冷源(低溫冷水機組)進行處理，造成能量利用上的浪費。

(2)降溫降濕的顯熱潛熱比難以與礦井風流的熱濕比相匹配—濕度大。通過冷凝方式對礦井風流同時進行冷卻和除濕，當不能同時滿足溫度和濕度的要求時，礦井是犧牲濕度的控制，通過僅滿足溫度的要求來妥協(xié)，造成大多數(shù)高溫礦井風流相對濕度接近飽和的現(xiàn)象。

要從根本上解決深井降溫存在的2個主要問題，可將除熱和除濕單獨處理、單獨控制。除熱可用較高溫度的冷源(天然冷源或高COP的高溫冷水機組)，大大降低能耗，解決能耗大的問題；除濕可用除濕能力大的除濕設(shè)備，降低深井工作面風流濕度，解決深井風流濕度過高的問題。采用溫度與濕度2套獨立處理的系統(tǒng)，分別調(diào)節(jié)深井的溫度和濕度，這種系統(tǒng)我們將其稱為溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)。充分考慮系統(tǒng)的節(jié)能性和深井特殊環(huán)境及要求，提出溫濕度獨立控制新型深井降溫系統(tǒng)的基本組成如下：

(1)降溫系統(tǒng)—處理顯熱。降溫系統(tǒng)采用天然冷源(蒸發(fā)冷卻用水、地下水等)或高溫冷水機組取代深井降溫常用的低溫冷水機組，高溫冷水機組與傳統(tǒng)低溫冷水機組相比，具有效率高，節(jié)能效果明顯的優(yōu)點[14]。同時考慮到節(jié)約能源和溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)能量回收，深井風流與冷水換熱的空氣處理設(shè)備采用蒸發(fā)冷卻器和空氣冷卻器聯(lián)合的方式。蒸發(fā)冷卻器是由水蒸發(fā)而吸收顯熱量，它采用的水源為常溫循環(huán)水，不需開啟制冷機組，因此，可大大節(jié)省初期投資及運行能耗，同時可兼顧除去一部分粉塵，空氣冷卻器可對風流進一步冷卻。

(2)降濕系統(tǒng)—處理潛熱。常用的除濕系統(tǒng)有冷凍除濕機、溶液除濕機以及固體轉(zhuǎn)輪除濕機?？紤]到井下空間狹小，且設(shè)備經(jīng)常移動，選用的除濕設(shè)備應(yīng)防爆、重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)久耐用。同時考慮井下除濕量大、風流大的特點，深井除濕設(shè)備還應(yīng)具備除濕能力強、處理風量大等優(yōu)點。綜合考慮以上要求，除濕采用轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)。轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)是用吸濕材料附著轉(zhuǎn)輪表面實現(xiàn)連續(xù)的除濕和再生，既不需要對空氣冷卻也不需要對空氣壓縮，如將礦井大量的余熱廢熱作為除濕劑再生能源，這樣就可不用消耗一次能源而得到冷量，使其節(jié)能效果更加顯著。此外，轉(zhuǎn)輪除濕機還具備除有害氣體的作用，兼有凈化空氣的作用，可進一步改善深井工作面的環(huán)境。由轉(zhuǎn)輪除濕機承擔潛熱負荷，高溫冷水機組承擔顯熱負荷，就能達到比較滿意的節(jié)能及舒適效果，這就是溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的基本原理。

2 溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的熱力學分析

提出的溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)工作原理圖和溫濕圖如圖1所示，降溫系統(tǒng)設(shè)在井下用風地點。

圖1 深井溫濕度獨立控制的新型降溫系統(tǒng)工作原理Fig.1 Schematic diagram of temperature and humidity independent control cooling system for deep mine1—蒸發(fā)冷卻器；2—熱交換器；3—加熱器；4—除濕器

具體過程如下：

(1)進風系統(tǒng)。環(huán)境空氣f(井下用風地點的風溫)經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕機4等焓減濕處理到g，再經(jīng)換熱器，即空氣冷卻器(天然冷源或高溫冷水機組提供冷水)等濕冷卻到h，最后由蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)等焓加濕到降溫系統(tǒng)所需的低溫低濕的空氣i，送入高溫高濕的深井工作面?？諝鈏吸收圍巖及其他熱濕源的熱量和濕量，升溫加濕到深井工作面空氣a。從降溫系統(tǒng)前的空氣狀態(tài)f到降溫系統(tǒng)后的空氣狀態(tài)i，溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)較好地實現(xiàn)降溫降濕。深井工作面空氣a與井下用風地點的風溫f相比溫度降低，濕度減少，系統(tǒng)較好滿足了工作面溫濕度的要求。降溫是由空氣冷卻器2和進風系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器1聯(lián)合實現(xiàn)，除濕是由轉(zhuǎn)輪除濕機4實現(xiàn)。

(2)排風系統(tǒng)。降溫降濕后的工作面空氣a經(jīng)排風系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器1等焓加濕到b。天然冷源或高溫冷水機組提供的冷水供給空氣冷卻器2，與進風系統(tǒng)的空氣g進行熱交換，等溫加熱到c，c再經(jīng)加熱器(其中再生用加熱器的熱源最好是深井廢熱余熱)繼續(xù)等濕加熱到d，d為轉(zhuǎn)輪除濕機所需的再生熱源，通過轉(zhuǎn)輪除濕機等焓減濕到e，然后排出礦井。

通過對溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)的理論分析表明，降溫系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了降溫減濕，特別是減濕能力強，使深井工作面空氣濕度明顯減少，系統(tǒng)較好滿足了工作面溫濕度的要求。

3 溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的實例分析

3.1 熱力學分析

下面以阜新艾友礦106采區(qū)6618工作面為例說明溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)工作過程，原設(shè)計為井下集中式水制冷系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)如下[15]：總進風量G=64 000 m3/h；大氣壓B=117.73 kPa；106采區(qū)6618工作面熱源放熱量為834.32 kW。降溫前的進風空氣參數(shù)(狀態(tài)點f)：干球溫度tf=30℃，相對濕度φf=90%，焓if=83.297 kJ/kg。降溫后的送風空氣參數(shù)(狀態(tài)點i)：干球溫度ti=18.2℃，相對濕度φi=90%，ii=43.542 kJ/kg。降溫后工作面的空氣參數(shù)(狀態(tài)點a)：干球溫度ta=26℃，相對濕度φa=90%，焓ia=67.801 kJ/kg。

下面在濕空氣焓濕圖中，用熱力學分析在以上條件下，溫濕度獨立控制系統(tǒng)進風系統(tǒng)的工作過程，各空氣狀態(tài)點參數(shù)見表1。

表1 溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)中各空氣狀態(tài)參數(shù)Table 1 Air status parameters of temperature and humidity independent control cooling system for deep mine

注：大氣壓為117.73 kPa。

空氣狀態(tài)點g的確定：降溫前的進風空氣f經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕機等焓減濕處理成高溫低濕空氣g。選用某型號轉(zhuǎn)輪除濕機，處理風量為25 000 m3/h，共選3臺，根據(jù)產(chǎn)品樣本(蒙特公司)，可得處理后空氣狀態(tài)點g。

空氣狀態(tài)點h的確定：空氣g再經(jīng)換熱器，即空氣冷卻器等濕冷卻到h，h可由過g的等含濕量線和過i的等焓線的交點得到，從而通過作圖法確定空氣狀態(tài)點h。最后由噴水室將空氣h等焓加濕到降溫系統(tǒng)所需的低溫低濕的送風空氣i，送入高溫高濕的深井工作面?？諝鈏吸收圍巖及其他熱濕源的熱量和濕量，升溫加濕到深井工作面空氣a。

下面在濕空氣焓濕圖中，用熱力學分析在以上條件下，溫濕度獨立控制系統(tǒng)排風系統(tǒng)的工作過程，各空氣狀態(tài)點參數(shù)見表1。

空氣狀態(tài)點b的確定：本例中礦井工作面的空氣a的設(shè)計相對濕度為90%，a為機器露點，故在溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)省去排風系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器，即b的相對濕度同a。

需要注意，本系統(tǒng)可將深井工作面濕度減少，提高工作面的舒適性，此時在排風系統(tǒng)中設(shè)置蒸發(fā)冷卻器，在這種情況下b不同于a。過a做等焓線與90%的等相對濕度線的交點即為空氣狀態(tài)點b的相對濕度。與b和a的相對濕度相同時相比，能量消耗僅需多消耗蒸發(fā)冷卻器噴淋循環(huán)水所需泵的能耗。

空氣狀態(tài)點c的確定：空氣b經(jīng)空氣冷卻器與進風系統(tǒng)的空氣g進行熱交換，等溫加熱到c，由進風系統(tǒng)由空氣冷卻器失去的熱量Q1等于排風系統(tǒng)由空氣冷卻器得到的熱量Q2，即：

(1)

解以上方程，求出ic，做ic的等焓線與空氣b的等含濕量線的交點為c的空氣參數(shù)。

空氣狀態(tài)點d的確定：空氣c再經(jīng)加熱器等濕加熱到空氣d，空氣d做為轉(zhuǎn)輪除濕機所需的再生熱源，溫度為再生熱源所需溫度，本例中取120℃，該溫度已超出焓濕圖的范圍，故不討論該狀態(tài)點焓及含濕量。c通過轉(zhuǎn)輪除濕機等焓減濕到e，然后排出礦井。

通過以上熱力學分析可以看出，溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的進風系統(tǒng)可達到所需的送風空氣參數(shù)，使工作面的空氣參數(shù)完全達到要求，與傳統(tǒng)降溫系統(tǒng)相比，更容易實現(xiàn)工作面的濕度要求。進風系統(tǒng)和排風系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮能量的回收和利用，使該系統(tǒng)的能耗大大降低。總之，溫濕度獨立控制系統(tǒng)應(yīng)用于深井降溫是完全可行的。

3.2 能耗分析

為了分析深井溫濕度獨立控制系統(tǒng)所需能耗的大小，下面仍以阜新艾友礦106采區(qū)6618工作面為例，計算溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的能耗，并與傳統(tǒng)地下集中式降溫系統(tǒng)所需能耗進行比較，采用的能耗計算公式如下[16]。

(2)

式中，E為系統(tǒng)總能耗(指總耗電量)，為加熱再生空氣的能耗、冷卻設(shè)備能耗，泵與風機及電機的能耗之和，且加熱再生空氣消耗熱能，因此需將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電能，W；Eh為加熱再生空氣所需熱能轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電能，W；Ec為冷卻設(shè)備消耗的電能，W；Ep為泵與風機及電機的能耗，W；Qr為加熱再生空氣所需的熱能，W；α為熱能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化系數(shù)；Qc為冷卻設(shè)備提供的冷量，W；COPc為冷卻設(shè)備的性能系數(shù)。

106采面實際采用的是ZJL-450礦用制冷機2臺，壓縮機采用開利公司的5H126壓縮機，COPc取4.0，溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的冷卻設(shè)備COPc取8.9，熱能與電能間的轉(zhuǎn)化系數(shù)取0.3[17]。在溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)與地面集中式深井降溫系統(tǒng)中，泵與風機及電機的能耗所占比例較小，且2種系統(tǒng)該能耗相差不大，故在能耗比較計算中，不考慮泵與風機及電機的能耗。

溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)冷卻設(shè)備提供的冷量計算如下，以下計算中空氣密度均取初終狀態(tài)空氣密度的平均值。

(83.297-43.542)=796.51kW.

再生空氣風量取為總處理風量的三分之一，溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)加熱到要求的再生溫度t=120℃所需熱量為

(120-60)=351.57kW.

地面集中式深井降溫系統(tǒng)冷卻設(shè)備提供的冷量為

(83.297-43.542)=841.04kW.

根據(jù)以上能耗計算公式，不考慮Ep時2種系統(tǒng)的能耗計算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，本例溫濕度獨立控制系統(tǒng)的總能耗略小于地下集中式降溫系統(tǒng)，節(jié)能效果并不明顯，主要原因在于：

(1)相對濕度過大。由于在本例中工作面的相對濕度較大(90%)，此時礦井工作面的空氣a為機器露點，在溫濕度獨立控制的深井降溫系統(tǒng)省去排風系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器，在這種情況下，不能較好的體現(xiàn)溫濕度獨立控制深井降溫系統(tǒng)的優(yōu)點?？梢灶A(yù)測當工作面要求的相對濕度減小時，普通深井降溫系統(tǒng)需更低的送風溫度，總能耗將大大提高，而溫濕度獨立控制系統(tǒng)僅需增加排風系統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻器，蒸發(fā)冷卻器通過噴淋循環(huán)水，實現(xiàn)等焓加濕的過程，能耗上只需增加蒸發(fā)冷卻器循環(huán)泵的能耗。因此，在工作面要求的相對濕度較小(小于90%)時，溫濕度獨立控制系統(tǒng)的總能耗將遠小于地下集中式降溫系統(tǒng)。

表2 溫濕度獨立控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)降溫系統(tǒng)的能耗比較

Table 2 Energy consumption comparison between the temperature and humidity independent control cooling system and the conventional cooling system kW

(2)沒有利用余熱廢熱或天然冷源。在以上的計算中，沒有考慮余熱廢熱或天然冷源的利用。如將深井余熱或廢熱做為再生熱源時，表2中加熱電耗大大減少，甚至余熱廢熱充足時，加熱電耗可視為0，此時，表2中溫濕度獨立控制系統(tǒng)所需能耗將遠遠小于傳統(tǒng)的地下集中式降溫系統(tǒng)。如有合適的天然冷源(本系統(tǒng)所需冷水溫度較高，為天然冷源的利用創(chuàng)造了條件)，冷源可選用天然冷源，或天然冷源冷量不足時，可選用天然冷源和高溫冷水機組的組合，都可減少冷卻電耗，進一步降低系統(tǒng)能耗。

通過能耗舉例分析，當工作面相對濕度較大(相對濕度接近100%)時，溫濕度獨立控制系統(tǒng)的總能耗略小于普通水降溫系統(tǒng)。當工作面相對濕度較小時，溫濕度獨立控制系統(tǒng)節(jié)能效果更加明顯。再生熱源用深井余熱或廢熱，總能耗將大大低于普通水降溫系統(tǒng)。冷源用天然冷源時，又可進一步降低系統(tǒng)能耗。

4 結(jié) 論

(1)通過對溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)的理論分析和實例分析表明，這種新型降溫系統(tǒng)應(yīng)用于深井降溫是完全可行的，且能對工作面實現(xiàn)有效的除濕，降低工作面的濕度，解決目前高溫礦井風流相對濕度接近飽和的問題。

(2)通過對實例進行能耗計算，當工作面相對濕度較大時，溫濕度獨立控制系統(tǒng)的總能耗略小于普通水降溫系統(tǒng)。當工作面相對濕度較小時，溫濕度獨立控制系統(tǒng)總能耗將遠小于普通水降溫系統(tǒng)，且深井濕負荷越大，其優(yōu)越性越明顯。

(3)溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)的一部分能耗是轉(zhuǎn)輪除濕機所需的再生加熱能耗，因此，為有效利用余熱廢熱創(chuàng)造了條件。系統(tǒng)的另一部分能耗空氣等濕冷卻所需的冷卻能耗，由于空氣冷卻器的處理空氣溫度較高，因此，為有效利用天然冷源創(chuàng)造了條件。因此，溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)應(yīng)充分利用余熱廢熱和天然冷源，進一步降低系統(tǒng)能耗。

(4)溫濕度獨立控制的新型深井降溫系統(tǒng)還可通過蒸發(fā)冷卻器利用濕法除塵的原理除去一部分粉塵，通過轉(zhuǎn)輪除濕機利用吸附的原理除去如一部分有害氣體，可進一步改善深井工作面的環(huán)境。

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(責任編輯 石海林)

Application of Temperature and Humidity Independent Control Cooling System in Cooling Deep Mine

Chen Liu

(SchoolofEnergy，Xi'anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an710054，China)

In view of the problems in traditional mine cooling system，high energy consumption and high humidity at working face，combining with the special environment and requirement of deep mine，a temperature and humidity independent control cooling system for deep mine is proposed.Since cold water does not finish dehumidfication task，the system will adopt natural cold sources or high-temperature chiller with high COP to bear high sensible heat load，and the rotary-type dehumidifier to bear latent heat load.Then，the residual heat and waste heat in deep mine are used as the regenerative heat source for dehumidification.The thermodynamic calculation on a case shows that:the temperature and humidity independent control cooling system can be applied in cooling deep mine well.It can effectively improve the deep mining environment，and also lower the energy consumption.It is a worthy popularizing cooling system for deep mine.The energy consumption by a case shows that when the cool source adopts high temperature chiller unit，the regenerative heat source are heated by electricity，and the relative temperature and humidity at working face approaches to be saturated，the energy consumption of the independent control cooling system above is slightly lower than that of the conventional cooling system.Further analysis shows that:the larger moisture load at working surface，the more obvious energy saving of the temperature and humidity independent cooling control system.With the full use of residual heat，waste heat and natural cooling source，the energy consumption will be lowered further.

Deep mine cooling，Temperature and humidity independent control，Thermodynamic analysis，Energy consumption analysis

2014-06-13

陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目(編號：2014JQ7277)。

陳 柳(1975—)，女，副教授，博士。

TD71

A

1001-1250(2014)-10-133-05