礦井救生艙用空調(diào)系統(tǒng)的研究

陳付齊，陳劍波，周亮亮，豐敏，余然

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

礦井救生艙用空調(diào)系統(tǒng)的研究

陳付齊*，陳劍波，周亮亮，豐敏，余然

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

空氣調(diào)節(jié)是礦井救生艙的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一種救生艙用空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用開式二氧化碳制冷作為空調(diào)方式，以貯存在鋼瓶中的高壓液態(tài)二氧化碳為能量來源和制冷劑，以液體氣化吸熱、高壓氣體膨脹制冷為原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)救生艙內(nèi)空氣溫濕度的調(diào)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，計(jì)算得到礦井救生艙空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷為2,000 W，制冷劑二氧化碳流量為35.82 kg/h；在焓差實(shí)驗(yàn)室中對(duì)空調(diào)系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)工況、其它工況、變工況下進(jìn)行性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算進(jìn)行比較。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，礦井救生艙空調(diào)凈化一體機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，可為礦井救生艙用空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)提供參考依據(jù)。

礦井；救生艙；制冷量

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，與之相伴的是每年巨大的能源需求量和消費(fèi)量。其中煤炭占能源消費(fèi)總量的比重達(dá)到70.1%，與之相伴隨的是，我國煤礦事故[1]頻發(fā)，平均每年造成6,000多人死亡，超過全國事故死亡人數(shù)的三分之一。世界其他主要產(chǎn)煤國建立了相對(duì)完善的標(biāo)準(zhǔn)，來規(guī)范礦井救生艙的生產(chǎn)與使用；同時(shí)一些具有較強(qiáng)科研實(shí)力的公司[2-4]也投入大量資金來進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)，其產(chǎn)品大都采用分體式空調(diào)來實(shí)現(xiàn)救生艙內(nèi)空氣溫濕度的調(diào)節(jié)。國內(nèi)礦井救生艙的研發(fā)及應(yīng)用相對(duì)國外較晚，目前處于模仿制造階段，缺少創(chuàng)新，缺少試驗(yàn)和研究成果，缺少實(shí)踐檢驗(yàn)，同時(shí)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也遲遲未能正式出臺(tái)。目前對(duì)礦井救生艙空調(diào)系統(tǒng)研究還處于定性研究階段，僅對(duì)不同的救生船空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，未對(duì)具體的某一種礦井救生艙系統(tǒng)進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文以設(shè)計(jì)研究一種適用于礦井救生艙的空調(diào)設(shè)備為主要目標(biāo)，在不同工況下對(duì)設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)量和制冷量實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定礦井救生艙空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[5-7]，為礦井救生艙空調(diào)系統(tǒng)的研究提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 救生艙空調(diào)系統(tǒng)理論分析及計(jì)算

1.1 救生艙空調(diào)系統(tǒng)原理

救生艙空調(diào)系統(tǒng)采用開式二氧化碳制冷[8]，由于二氧化碳的臨界溫度為 31 ℃，臨界壓力為7.372 MPa。根據(jù)礦井救生艙空調(diào)技術(shù)要求[9-10]，救生艙的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該使艙內(nèi)空氣的體感溫度不高于 35 ℃；但是礦井內(nèi)的環(huán)境溫度可能長(zhǎng)時(shí)間處于 50 ℃以上，礦井救生艙空調(diào)在運(yùn)行時(shí)環(huán)境溫度常在二氧化碳的臨界溫度（31 ℃）以上，以及礦井內(nèi)安全要求，發(fā)生事故時(shí)無電力提供，所以本文采用開式二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)，如圖1[11-12]。

圖1 開式二氧化碳制冷

圖1(a)為開式二氧化碳制冷原理圖，由儲(chǔ)存在鋼瓶或者其它容器中的高壓二氧化碳代替壓縮機(jī)和冷凝器，高壓低溫的二氧化碳制冷劑經(jīng)過節(jié)流后變成氣液混合狀態(tài)，在蒸發(fā)器中吸收熱量后變成高溫低壓的過熱蒸汽，然后進(jìn)入氣動(dòng)風(fēng)機(jī)推動(dòng)風(fēng)機(jī)做功，壓力降低后排到外環(huán)境中。如圖1(b)中，開式二氧化碳制冷過程在 lgp-h圖中表示為流程a′→b′→c′→d′→e′，其中 a′→b′為節(jié)流過程，b′→d為蒸發(fā)吸熱過程，d′→e′為降壓做功過程。

1.2 礦井救生艙空調(diào)計(jì)算

根據(jù)使用要求和《煤礦可移動(dòng)式硬體救生艙通用技術(shù)條件》的規(guī)定，本課題所設(shè)計(jì)的礦井救生艙空調(diào)系統(tǒng)需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 救生艙空調(diào)設(shè)計(jì)要求

1）空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

救生艙空調(diào)的全熱冷負(fù)荷Q由3部分組成[13-15]，即艙內(nèi)人員散熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷Q1，空氣凈化設(shè)備（藥劑）散熱產(chǎn)生的冷負(fù)荷Q2，以及救生艙與外界環(huán)境通過艙體維護(hù)結(jié)構(gòu)換熱而產(chǎn)生的冷負(fù)荷 Q3,則救生艙空調(diào)的冷負(fù)荷為：

救生艙內(nèi)人員冷負(fù)荷：

式中：

Q1τ——人員顯熱散熱形成的計(jì)算時(shí)刻冷負(fù)荷，W；

Q1q——人員潛熱冷負(fù)荷，W；

τ-T——從人員進(jìn)入救生艙算起到計(jì)算時(shí)刻的時(shí)間，h；

Xτ-T——τ-T時(shí)間人體顯熱散熱量的冷負(fù)荷系數(shù)；

n——救生艙內(nèi)人員數(shù)量，人；

φ——群集系數(shù)；

q1q——成年男子潛熱散熱量，W；

q1x——成年男子顯熱散熱量，W。

根據(jù)表1計(jì)算得出Q1為1,269 W；Q2根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算可得Q2為259 W；Q3為300 W，則可得Q為2,000 W。

2）送風(fēng)量計(jì)算和送風(fēng)參數(shù)的確定

全熱平衡：

濕平衡：

式中：

MS——救生艙空調(diào)的送風(fēng)量，kg/s；

QC——救生艙內(nèi)的全熱負(fù)荷，QC=Q=2,000 W；

h·R、hs——艙內(nèi)空氣和由救生艙空調(diào)送出的空氣的比·焓，kJ/kg；

MW——救生艙空調(diào)的濕負(fù)荷，kg/s；

dR、ds——分別為艙內(nèi)空氣和由救生艙空調(diào)送出的空·氣的含濕量，g/kg。

設(shè)定艙內(nèi)空氣的溫度tR為30 ℃，相對(duì)濕度φR為 70%，則含濕量 dR為 18.73 g/kg，比焓 hR為78.02 kJ/kg；取送風(fēng)溫差為 7 ℃，則可以得到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如下：送風(fēng)溫度 ts為 23 ℃，含濕量ds為15.72g/kg，比焓hR為60.09kJ/kg。

根據(jù)焓差計(jì)算送風(fēng)量為：

根據(jù)濕差計(jì)算送風(fēng)量為：

空調(diào)送風(fēng)量取上述兩者的較大值，即送風(fēng)量至少為 454 m3/h。

3）制冷劑流量計(jì)算

鋼瓶中的二氧化碳經(jīng)過節(jié)流閥后壓力和溫度下降，一部分變成液體和氣體混合成為濕蒸氣，二氧化碳濕蒸氣進(jìn)入蒸發(fā)器中吸收艙內(nèi)空氣的熱量后發(fā)生氣化，變成過熱氣體，此時(shí)二氧化碳制冷劑氣體壓力仍然較高，經(jīng)減壓閥二次減壓后變成低溫低壓的氣體，然后再次經(jīng)過蒸發(fā)器吸收熱量溫度升高，最后進(jìn)入氣動(dòng)風(fēng)機(jī)。如圖2和3所示，其流程為a→b→c→d→e→f→g。其中：a點(diǎn)為高壓儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的二氧化碳制冷劑節(jié)流之前的狀態(tài)點(diǎn)；b點(diǎn)為二氧化碳制冷劑節(jié)流后，進(jìn)入蒸發(fā)器的狀態(tài)點(diǎn)；c點(diǎn)為蒸發(fā)器內(nèi)二氧化碳飽和氣體狀態(tài)點(diǎn)；d點(diǎn)為二氧化碳制冷劑從蒸發(fā)器出來，進(jìn)入減壓閥前的過熱狀態(tài)點(diǎn)；e點(diǎn)為二氧化碳制冷劑從減壓閥出來后，再次進(jìn)入蒸發(fā)器前的狀態(tài)點(diǎn)；f點(diǎn)為二氧化碳制冷劑從蒸發(fā)器出來后，進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)的狀態(tài)點(diǎn)；g點(diǎn)為二氧化碳制冷劑從氣動(dòng)馬達(dá)出來的狀態(tài)點(diǎn)。

圖2 二氧化碳節(jié)流制冷實(shí)際流程圖礦井救生艙空調(diào)系統(tǒng)lgp-h圖和T-S圖

圖3 二氧化碳節(jié)流制冷實(shí)際流程圖

設(shè)定蒸發(fā)溫度為-5 ℃，濕蒸氣干度為 0.4，過熱度為20 ℃；減壓后的壓力為1.000 Mpa；二次進(jìn)入蒸發(fā)器前溫度為15 ℃，排氣溫度為25 ℃，可得到表2。

表2 制冷劑在制冷過程中各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的物性參數(shù)

二氧化碳制冷劑的理論流量為：

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

為了測(cè)試救生艙空調(diào)凈化一體機(jī)空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下的性能，該實(shí)驗(yàn)選擇在空調(diào)焓差室內(nèi)進(jìn)行。焓差室的室內(nèi)側(cè)模擬乘員艙內(nèi)環(huán)境，空調(diào)凈化一體機(jī)與焓差室內(nèi)風(fēng)量、制冷量測(cè)量裝置相連，可以測(cè)得空調(diào)凈化一體機(jī)的風(fēng)量、制冷量等參數(shù)；室外側(cè)模擬設(shè)備艙的環(huán)境,可以維持高壓二氧化碳鋼瓶?jī)?nèi)的制冷劑溫度和壓力保持穩(wěn)定；使用完的制冷劑在排出焓差室前與氣體流量計(jì)相連，可以掌握制冷劑的消耗量。鑒于發(fā)生礦難時(shí)可能出現(xiàn)的多種情況，本實(shí)驗(yàn)分為3種工況進(jìn)行：標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，非標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以及變工況下運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)工況為，乘員艙空氣溫度30 ℃，空氣相對(duì)濕度 70%，設(shè)備艙空氣溫度 25 ℃；非標(biāo)準(zhǔn)工況時(shí)，改變乘員艙的空氣溫度為28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃及38 ℃，其它控制參數(shù)不變；變工況時(shí)，先將乘員艙空氣溫度維持在 30 ℃，待機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后迅速改變乘員艙溫度至 38 ℃，其它控制參數(shù)不變。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

由圖4可知空調(diào)系統(tǒng)平均制冷量為2,029 W，制冷量最高為2,137 W，最低為1,935 W，變化幅度約為±5%；系統(tǒng)平均風(fēng)量為 467 m3/h，風(fēng)量值變化比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。制冷劑二氧化碳的質(zhì)量流量為 39.13 kg/h，與理論計(jì)算的制冷劑消耗量35.82 kg/h相比高約9.24%。這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)采用普通鋼瓶?jī)?chǔ)存的二氧化碳?jí)毫ψ罡邽? MPa，不是設(shè)計(jì)要求的8 MPa以上的高壓二氧化碳。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)工況下空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的制冷量和風(fēng)量

計(jì)算制冷量為節(jié)流制冷量與減壓制冷量之和，由制冷劑節(jié)流前后的焓差、減壓前后的焓差、以及測(cè)得的制冷劑流量計(jì)算得到，為一定制冷劑流量下的理論制冷量。由圖5可知，節(jié)流制冷量、減壓制冷量、計(jì)算制冷量的平均值分別為 2,079 W、190 W 和 2,269 W，實(shí)際測(cè)試得到的平均制冷量為2,029 W，即系統(tǒng)平均漏熱量為239 W，制冷劑實(shí)際制冷量利用率為89.43%。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的計(jì)算冷量

3.2 非標(biāo)準(zhǔn)工況下穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

由圖6和圖7可知，當(dāng)乘員艙內(nèi)空氣溫度依次為 28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃和 38 ℃，系統(tǒng)的平均制冷量和平均送風(fēng)量分別依次為 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。乘員艙空氣溫度和系統(tǒng)平均制冷量變化趨勢(shì)相反。溫度越高，液態(tài)二氧化制冷劑易氣化，導(dǎo)致節(jié)流效果變差和制冷劑干度升高，制冷量下降；同時(shí)環(huán)境溫度升高，換熱溫差變大，未作保溫處理的不銹鋼機(jī)殼漏熱量也增大。同時(shí)隨著乘員艙溫度的升高，空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量略有下降，但基本保持穩(wěn)定，滿足要求。

圖6 不同乘員艙溫度下空調(diào)系統(tǒng)制冷量的變化

圖7 不同乘員艙溫度下空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量的變化

由圖8可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)制冷劑流量為 39.13 kg/h時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算制冷量隨著乘員艙溫度的變化比較穩(wěn)定，最大值為 2,301 W，最小值為 2,257 W，而實(shí)際測(cè)試得到的制冷量則變化較大，說明隨著乘員艙溫度的升高，空調(diào)殼體和制冷劑管道與空氣換熱溫差增大，空調(diào)系統(tǒng)漏熱量也逐漸增大。

圖8 不同乘員艙溫度下空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試制冷量與計(jì)算制冷量的變化

3.3 變工況時(shí)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)工況穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突然改變焓差室乘員艙一側(cè)的溫度設(shè)定，即將乘員艙空氣的干球溫度由30 ℃迅速提升至38 ℃，直至系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，記錄這一過程空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，以研究其在變工況運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)適應(yīng)特性。

由圖9可知，大約30 min后，空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和風(fēng)量重新穩(wěn)定，制冷量由初始時(shí)刻的 2,111 W下降至 1,833 W；風(fēng)量變化比較穩(wěn)定，由初始時(shí)刻468 m3/h下降至450 m3/h，下降約3.72%。該變化規(guī)律與上述不同工況下運(yùn)行時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)制冷量、風(fēng)量變化規(guī)律相一致。

4 結(jié)論

本文選擇二氧化碳作為制冷劑，采用開式二氧化碳制冷，針對(duì)救生艙空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)設(shè)定條件計(jì)算出負(fù)荷為2,000 W，送風(fēng)量為454 m3/h，制冷劑流量為35.82 kg/h。并通過焓差實(shí)驗(yàn)室在3種工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得到如下結(jié)果。

1）在標(biāo)準(zhǔn)工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)得平均制冷量為2,029 W，計(jì)算制冷量為2,269 W，即系統(tǒng)平均漏熱量為239 W，則實(shí)際制冷量利用率89.43%。實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際送風(fēng)量為 467 m3/h, 計(jì)算風(fēng)量為 454 m3/h，與理論相比約相差2.97%，滿足實(shí)際要求。

2）在非標(biāo)準(zhǔn)工況下，即改變艙內(nèi)空氣溫度依次為 28 ℃、32 ℃、34 ℃、36 ℃和 38 ℃時(shí)，制冷量和送風(fēng)量分別為 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。制冷量和送風(fēng)量基本上在2,000 W和454 m3/h附近，這是因?yàn)殡S著乘員艙溫度的升高，空調(diào)殼體和制冷劑管道與空氣換熱溫差增大，空調(diào)系統(tǒng)漏熱量也逐漸增大。但是在發(fā)生礦難的緊急情況下是可以保證人員的所需冷量的。

3）在變工況下，空調(diào)系統(tǒng)的制冷量在初始時(shí)刻的2,111 W下降穩(wěn)定至1,833 W；風(fēng)量變化比較穩(wěn)定，由初始時(shí)刻468 m3/h下降至450 m3/h，這說明即使在礦難時(shí)發(fā)生室外溫度突然上升的情況下依然可以為人員提供所需的冷量。

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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

*陳付齊，男（1991-），碩士。研究方向：礦井救生艙用空調(diào)系統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)設(shè)備。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，郵編：200093。聯(lián)系電話：13162335509。E-mail：1162063187@qq.com。