煤礦井下機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的應(yīng)用探討

張俊寶

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272063）

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煤礦井下機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的應(yīng)用探討

張俊寶

（山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272063）

隨著氣候的變化和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對煤炭的需求不斷增加，礦井開采量也隨之加大，開采工作面的環(huán)境熱害嚴(yán)重威脅到資源的正常開采，有大部分工作面的氣溫甚至達(dá)到28攝氏度，給煤礦開采作業(yè)人員的身體健康造成極大的威脅，機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)囟葘?shí)施有效的控制，本文就這種系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用進(jìn)行分析。

煤礦；機(jī)械；制冷降溫系統(tǒng)；應(yīng)用

0 引言

目前采用的礦井降溫方法大多都是人工制冷以及通風(fēng)降溫的方式，通過這些方式來改革采煤工藝以及煤壁注水預(yù)冷煤層現(xiàn)狀，這種措施雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但是受到眾多因素的制約，發(fā)揮的作用有效，通常只能夠降3攝氏度的溫度，難以滿足采掘工作面的基本要求。機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效解決采掘工作面高溫問題。

1 制冷方式的選擇

制冷方式的選擇通常有兩大難點(diǎn)，首先，由于井下的高溫點(diǎn)分布比較分散，具有較多的熱源種類，并且這些熱源種類在不斷的發(fā)展變化，難以對熱量有效計(jì)算。其次，降溫系統(tǒng)布設(shè)井下需要大量的冷量，冷凝熱的排放相對困難。礦井下制冷降溫的主要方式有兩種，其中一種是空氣壓縮式制冷，還有一種是蒸汽壓縮式制冷。蒸汽壓縮式制冷主要是利用液體在氣化過程中吸收熱量的方式來制冷，氣化過程中的液體需要吸收大量的熱量，這種熱量往往被稱為液體的氣化潛熱量。

液體吸收的熱量往往是來源于被冷卻的對象。液體氣化制冷可以分為機(jī)械壓縮式制冷、吸收式制冷以及噴射式制冷，礦井下制冷系統(tǒng)的應(yīng)用都是以機(jī)械壓縮式制冷為主要的制冷方式。機(jī)械壓縮式制冷包括三個(gè)部分的內(nèi)容，分別是冷凝器、壓縮機(jī)以及蒸發(fā)器，通過管道可以將這三個(gè)部分連成一個(gè)統(tǒng)一的封閉式系統(tǒng)。與蒸汽壓縮式制冷不同，空氣壓縮式制冷為氣體的逆向循環(huán)系統(tǒng)，高壓氣體在遇熱的情況下就會出現(xiàn)膨脹，對膨脹機(jī)造成一定的影響，使機(jī)內(nèi)溫度降低。

根據(jù)制冷站的安裝位置以及冷卻地點(diǎn)可以將蒸氣壓縮式制冷降溫系統(tǒng)分為四種方式，兩兩相互對應(yīng)，有地面集中制冷和井下集中制冷，還有局部分散式制冷和上下聯(lián)合式制冷。井下集中式制冷顧名思義就是設(shè)置在井下的制冷方式，在這種制冷中，通常是由不同的管道向工作面供水。如圖1所示，為井下集中式制冷系統(tǒng)。

圖1 井下集中式制冷系統(tǒng)

這種系統(tǒng)相對簡單，只有單一的冷水循環(huán)管道，不需要實(shí)施管道的轉(zhuǎn)換。但是這種制冷方式的缺陷在于需要在井下開鑿大斷面峒室，施工和維護(hù)的難度會增大。地面集中空調(diào)系統(tǒng)又被分為地面冷卻風(fēng)流系統(tǒng)和井下冷卻風(fēng)流系統(tǒng)兩種，這種系統(tǒng)需要在井下增設(shè)高低轉(zhuǎn)換裝置。井上下聯(lián)合系統(tǒng)具有井下和地面兩個(gè)系統(tǒng)特點(diǎn)，不便于操作管理。井下局部分散式系統(tǒng)僅僅可以供局部高溫場所使用，適用范圍相對較小。

2 壓縮機(jī)的應(yīng)用和防護(hù)

壓縮機(jī)是機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的心臟，一定程度上能夠決定系統(tǒng)運(yùn)行的性能和壽命。在礦用制冷量為100kW的范圍內(nèi)，通常使用的壓縮機(jī)類型有兩種，其中一種是活塞式壓縮機(jī)，還有一種是螺桿式壓縮機(jī)。

螺桿式壓縮機(jī)的可靠性較高，在發(fā)展和使用過程中已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的往復(fù)式壓縮機(jī)，尤其是雙螺桿式壓縮機(jī)的應(yīng)用受到更多人的青睞。壓縮機(jī)的使用中，最注重其安全性能。

作為特殊設(shè)備的壓縮機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中難免會出現(xiàn)一些異常，需要采取有效的防護(hù)措施加以控制，避免因?yàn)闄C(jī)械異常狀況的出現(xiàn)對壓縮機(jī)造成的損壞。壓力保護(hù)是壓縮機(jī)安全防護(hù)中的首要工作，主要的壓力保護(hù)方式包括壓縮機(jī)吸排氣壓力的保護(hù)以及潤滑油壓力保護(hù)兩種。

在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，會因?yàn)橐恍┮蛩氐挠绊憣?dǎo)致其排氣壓力不斷增加，為了避免這種現(xiàn)狀的出現(xiàn)，可以設(shè)置高、低壓力控制器來加以控制。為確保壓縮機(jī)各部件的潤滑功能得到更好地保障，必須設(shè)置潤滑油壓差控制器。

除此之外，還需要做好溫度保護(hù)工作，可以在排氣口設(shè)置有效的溫控器，對溫度進(jìn)行控制，這樣就能夠避免溫度變高對制冷劑造成的影響，還可以減輕溫度過高對電路造成的損壞。

3 制冷劑和潤滑油的選擇和應(yīng)用

3.1 制冷劑的選擇應(yīng)用

但選擇的制冷方式為蒸汽壓縮式制冷時(shí)，作為系統(tǒng)中循環(huán)流動介質(zhì)的制冷劑可以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞?，F(xiàn)在常用的制冷劑為鹵代烴。礦用裝置中使用的制冷劑對環(huán)保性和使用效率的要求較高，更重要的是要確保制冷劑使用的安全性。

制冷劑的泄露容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此，制冷劑的選擇需要考慮到其爆炸性、毒性以及燃燒性特征。

根據(jù)制冷劑的特性可以將制冷劑分成三個(gè)不同的組別，其中一種是無害、不易燃的制冷劑，還有一種是易炸、腐蝕性較強(qiáng)的制冷劑，最后一種制冷劑與空氣中的化學(xué)物質(zhì)混合就會發(fā)生爆炸。在有熱害的礦井中，絕大部分瓦斯爆炸就是制冷劑的選擇出現(xiàn)問題。因此，需要根據(jù)制冷劑的具體特征以及適用場合選擇合適的制冷劑。

3.2 潤滑油的應(yīng)用

潤滑油是制冷系統(tǒng)中的重要材料。在壓縮制冷系統(tǒng)中，潤滑油和制冷劑會直接接觸，一部分潤滑油就會被卷入制冷管道當(dāng)中，隨著制冷劑的循環(huán)而出現(xiàn)循環(huán)。

選擇的壓縮機(jī)是封閉式的壓縮機(jī)時(shí)，其內(nèi)部的潤滑油會與電動線圈中的有機(jī)材料接觸，對壓縮機(jī)的相關(guān)部件不斷產(chǎn)生潤滑效果，這樣就可以減少部件之間的摩擦力，降低摩擦起熱的現(xiàn)象，從而起到制冷的作用，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4 空冷器的選擇及具體應(yīng)用

空冷器本身是一種熱交換器，主要作用就是將流過其表面的氣流進(jìn)行冷化，最終實(shí)現(xiàn)降溫的作用。這種系統(tǒng)在井下局部分散式機(jī)械制冷降溫中的應(yīng)用同蒸發(fā)器有著很大的相似之處。

通常情況下，礦用空冷器主要分為兩種，其中一種是直接接觸式空冷器，還有一種就是表面是空冷器。后者具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小以及應(yīng)用方便等多種優(yōu)勢，在礦井下制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用備受青睞。為增強(qiáng)表面是空冷器的換熱效率，往往通過在其肋管上增加翅片的方式增加換熱面積。

但是這種方式會受到井下惡劣條件的影響，最終導(dǎo)致其效率難以得到很好地發(fā)揮。為了適應(yīng)礦井下惡劣的條件，一些國家將表面式空冷器改為光管式空冷器，采用沖洗泵配合這種空冷器，才能夠使其更好地適應(yīng)井下的環(huán)境。

而直接接觸式空冷器的主要優(yōu)勢在于換熱效率高，但是這種空冷器的靈活性較差，在井下制冷系統(tǒng)中的使用受到很多限制。此外，還需要對空冷器的材質(zhì)進(jìn)行選擇，一般選擇銅和不銹鋼作為熱交換器的材料，這些材料的熱導(dǎo)系數(shù)比較大，在井下應(yīng)用能夠發(fā)揮更好地作用。

結(jié)束語

近年來，煤礦開采量不斷增多，高溫礦井的數(shù)量也不斷增加，有效降低井下溫度成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。我國常用的降溫方式主要是優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，還有通過預(yù)冷進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的方式進(jìn)行降溫，這些降溫方式在礦井熱害治理中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。但是這些措施的降溫幅度有限，難以起到徹底的降溫效果。

機(jī)械制冷降溫系統(tǒng)的應(yīng)用能夠改變傳統(tǒng)的降溫方式，從而提升煤礦井下作業(yè)的效率，減少對礦井工作人員的身體損害，使他們能夠在安全的環(huán)境中作業(yè)，對煤礦開采整體質(zhì)量和水平的提升有很大的保障。

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