相變材料在避難硐室降溫技術(shù)中的研究應(yīng)用

郭正達(dá)，高威華，石 波

(山西西山煤電股份有限公司 鎮(zhèn)城底礦， 山西 太原 030203)

避難硐室是具有緊急避險(xiǎn)功能的煤礦井下專用巷道硐室，礦難發(fā)生時(shí)為無法及時(shí)撤離的遇險(xiǎn)人員提供96 h以上的生命保障[1]. 在避難硐室有限的密閉空間中，溫度將緩慢持續(xù)上升且難以排除，超過35 ℃將嚴(yán)重威脅避險(xiǎn)人員的生命安全，因此避難硐室必須進(jìn)行降溫制冷。目前，用于避難硐室的降溫方式主要有蓄冰制冷、液態(tài)二氧化碳?xì)饣评鋄2]，但從實(shí)際應(yīng)用情況分析，蓄冰制冷功耗大，壓縮機(jī)在井下潮濕環(huán)境易損壞，維護(hù)量大；液態(tài)二氧化碳?xì)饣评湫枰罅康亩趸細(xì)馄績Υ嬷评鋭?，二次充填困難，并且二氧化碳?xì)馄坎牧显诰乱赘g，產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)?；诒茈y硐室無源、免維護(hù)等要求，鎮(zhèn)城底礦以相變材料為制冷劑，利用相變材料貯熱特點(diǎn)，研制了相變材料制冷裝置，為避難硐室提供簡單、易操作、成本低的降溫裝備。

1 相變材料選擇

相變材料是一類隨溫度變化而改變物理性質(zhì)并能提供潛熱的物質(zhì)，相變材料轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程稱為相變過程，超過臨界溫度吸熱制冷、低于臨界溫度放熱蓄冷，該過程吸收或釋放大量的潛熱。利用相變材料的“固-液”相變過程進(jìn)行熱量儲存及傳輸?shù)募夹g(shù)叫做相變蓄熱技術(shù)[3].

相變材料可分為有機(jī)相變材料和無機(jī)相變材料兩大類。有機(jī)相變材料如石蠟、醋酸等，存在導(dǎo)熱系數(shù)低、性能不穩(wěn)定、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)[4]. 無機(jī)相變材料主要有無機(jī)鹽結(jié)晶水合鹽類，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、溶解熱較大、價(jià)格低、原料豐富、不易燃等優(yōu)點(diǎn)。因此，選用無機(jī)物相變材料較為合適，相變類型為固-液相變類型。基于避難硐室密閉空間特點(diǎn)，選擇用于避難硐室降溫系統(tǒng)的無機(jī)相變材料還應(yīng)滿足幾點(diǎn)基本原則：1) 確定相變材料應(yīng)用的環(huán)境。2) 選擇適用的溫度材料。3) 相變儲熱換熱結(jié)構(gòu)。4) 高儲熱、潛熱大和高導(dǎo)熱系數(shù)。5) 密度高、體積小。6) 無過冷度或過冷度小、無嚴(yán)重相分離現(xiàn)象[5]. 7) 經(jīng)濟(jì)安全，無毒、穩(wěn)定性高、來源廣泛，價(jià)格便宜。

依據(jù)《煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)建設(shè)管理暫行規(guī)定》的要求，在額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)，避難硐室內(nèi)部環(huán)境溫度應(yīng)小于35 ℃，因此相變材料的熔點(diǎn)應(yīng)小于35 ℃，但避難硐室空間有限，相變材料潛熱釋放過程較緩慢，在抵消避難硐室圍巖散熱后，避難硐室內(nèi)溫度上升很快，因此選擇的相變材料工作區(qū)間不應(yīng)太窄，相變材料的熔點(diǎn)宜在24 ℃～29 ℃，且宜選取下限值。上海某公司制作的無機(jī)相變材料，其性能參數(shù)見表1.

表1 無機(jī)相變材料性能參數(shù)表

依據(jù)避難硐室降溫系統(tǒng)要求和選擇原則，選擇PCM-25相變材料作為避難硐室降溫系統(tǒng)制冷劑。

2 相變材料制冷裝置

2.1 避難硐室熱量計(jì)算

避險(xiǎn)人員在避難硐室內(nèi)，產(chǎn)生的熱量主要包括人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量、對外做功熱量、凈化裝置散熱量之和。遇險(xiǎn)人員在避難硐室內(nèi)避難，活動形式屬于靜坐狀態(tài)，呼吸狀態(tài)屬于彌漫，風(fēng)流速度可以忽略，因此人體對外做功熱量可以忽略不計(jì)，因此避難硐室總熱量QT為：

QT=Qp+QZ

(1)

式中：

Qp—人體代謝熱量，kJ；

QZ—凈化裝置散熱量，kJ.

依據(jù)美國《肯塔基州礦井安全建議》，在避難硐室密閉空間內(nèi)，正常成年人的新陳代謝產(chǎn)生的熱量約為400 BTU/人·h，相當(dāng)于正常成年人每人每天釋放10 133.76 kJ的熱量[6]. 按照100人避難硐室進(jìn)行計(jì)算，人體代謝熱量QP為：

QP=10 133.76PDK

(2)

式中：

P—避險(xiǎn)人數(shù)，人，取100；

D—天數(shù)，天，取4；

K—安全系數(shù)，1.2.

代入式(2)，則可得額定防護(hù)時(shí)間人體代謝熱量QP=4 864 204 kJ.

避難硐室內(nèi)部環(huán)境要求在額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)二氧化碳濃度低于0.5%，人體新陳代謝產(chǎn)生的二氧化碳應(yīng)進(jìn)行凈化控制。在額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)，100人避難硐室產(chǎn)生的二氧化碳nCO2為：

nCO2=CCO2PDKρ/44

(3)

式中：

CCO2—每人每天需要凈化的二氧化碳量，L/D，取720；

ρ—二氧化碳密度，kg/m3，取1.98；

44—相對分子質(zhì)量。

代入(3)式，可得額定防護(hù)時(shí)間產(chǎn)生二氧化碳nCO2=15 552 mol.

依據(jù)文獻(xiàn)[7]研究結(jié)論，堿石灰吸收1 mol二氧化碳，所放出熱量約為56.484 kJ，則可得凈化裝置散熱量：

QZ=15 552×56.484=878 439 kJ

因此，QT=QP+QZ=5 742 643 kJ

2.2 相變材料計(jì)算

相變材料需求量mT為：

mT=QT/QPCM

(4)

式中：

QPCM—相變材料溶解熱，kJ/kg，取243.3.

代入(4)式，可得100人避難硐室在防護(hù)時(shí)間內(nèi)所需相變材料mT=23 603 kg.

2.3 相變制冷裝置結(jié)構(gòu)

PCM-25相變材料為固-液相變，相變制冷裝置采用不銹鋼模塊化結(jié)構(gòu)，箱體方形構(gòu)造，結(jié)構(gòu)輕薄，傳熱快。箱體整體焊接密封，上表面開口便于安裝相變材料，邊緣設(shè)置2個(gè)支，便于圍巖周邊貼壁安裝，具有裝飾效果。

相變制冷模塊高1 302 mm，寬992 mm，厚度102 mm，不銹鋼板材料厚度1 mm，則相變制冷模塊內(nèi)腔容積為0.128 7 m3，可存儲相變材料質(zhì)量為mPCM為：

mPCM=vρPCM=0.128 7×1 480=190.5 kg

考慮到相變材料的膨脹系數(shù)，一般每個(gè)模塊灌裝約為80%，則mPCM實(shí)際約為152.4 kg，整個(gè)避難硐室降溫需要相變制冷模塊數(shù)量為155個(gè)。相變制冷模塊見圖1.

圖1 相變制冷模塊圖

3 相變制冷模塊安裝方法

1) 將相變制冷模塊運(yùn)至事先準(zhǔn)備好的硐室。

2) 根據(jù)避難硐室設(shè)備安裝施工圖，將相變模塊定位支撐安裝牢固。

3) 依次將相變模塊安裝于定位支撐中。

4) 相變模塊內(nèi)充填相變制冷材料至模塊高度4/5位置。

5) 扣上模塊保護(hù)蓋。

6) 連接風(fēng)冷/水冷軟管，依次將相變模塊換熱器聯(lián)通，構(gòu)成換熱系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

1) 相變材料用于避難硐室溫度控制優(yōu)勢明顯，但由于相變降溫屬于被動式降溫，控溫滯后，而且已有應(yīng)用案例忽略了壓風(fēng)制冷以及圍巖散熱因素，變相增加了相變材料應(yīng)用成本，建議后續(xù)進(jìn)一步研究風(fēng)冷和圍巖散熱對避難硐室密閉空間溫度影響，降低避難硐室建設(shè)成本。

2) 相變降溫材料可以通過改變材料物理性質(zhì)進(jìn)行物理變化制冷，具有結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)、可重復(fù)利用、經(jīng)濟(jì)安全等特點(diǎn)。

3) 相變降溫材料應(yīng)用后，特別是在災(zāi)變情況下，降低了對動力電源的依賴，消除了電動力源，避免了用電設(shè)備失爆的可能，提高了安全可靠性。