渦流管制冷技術(shù)在井下高溫崗點(diǎn)的應(yīng)用

王龍江 趙仁寶

（山東能源臨礦集團(tuán)郭屯煤礦，山東 鄆城 274700）

1 引言

受開采深度、天氣環(huán)境、煤層氧化、巷道涌水、機(jī)械散熱等多種因素影響，郭屯煤礦井下采掘工作面環(huán)境溫度較高，采用機(jī)械制冷降溫的方式無法滿足正常生產(chǎn)的降溫需求，尤其是采區(qū)回風(fēng)巷道、各崗點(diǎn)硐室最高環(huán)境溫度可達(dá)30℃，崗點(diǎn)高溫已嚴(yán)重影響著作業(yè)人員的身體健康及工作效率。為改善井下硐室及采掘局部地點(diǎn)的高溫環(huán)境，通過廣泛調(diào)研目前礦井的各種制冷方式利用渦流管制冷原理，接入井下壓風(fēng)管路，加工制作“空調(diào)屋”，達(dá)到給井下高溫崗點(diǎn)作業(yè)人員降溫、消暑的目的。

2 渦流管制冷原理

井下的空氣通過渦流管的壓縮進(jìn)而進(jìn)行一定程度的冷卻處理進(jìn)入到噴嘴內(nèi)，空氣在噴嘴中會(huì)發(fā)生膨脹，同時(shí)空氣的速度也會(huì)提高至音速，空氣進(jìn)入渦流室的方向大致為切線，這樣就產(chǎn)生自由渦流。由于自由渦流旋轉(zhuǎn)角速度的不同，分布規(guī)律通常為越靠近中心的角速度越大，由此在自由渦流每相鄰兩層進(jìn)行摩擦，通過能量的傳遞將中心部分的能量傳遞給外層。通過反復(fù)循環(huán)，渦流管中心的氣流逐漸能量降低，溫度相應(yīng)的也會(huì)下降。制冷氣流通過渦流管從渦旋室左端排出，同時(shí)渦流管邊緣的氣體能量會(huì)提高，溫度會(huì)相應(yīng)的上升，熱氣流會(huì)從渦旋室右側(cè)排出，可以通過控制閥，調(diào)節(jié)冷熱兩股氣流的流量和溫度。如圖1 所示。

圖1 渦流管制冷原理圖

利用購置渦流管，加裝消音器、供風(fēng)閥門、排氣閥門，組合成為降溫制冷裝置。利用薄鋼板焊接制作簡(jiǎn)易“空調(diào)屋”，“空調(diào)屋”部分區(qū)域采用亞克力透明塑料板替代鋼板作為窗口。將渦流管主體（進(jìn)風(fēng)及排氣端）安裝在“空調(diào)屋”外壁，懸掛處開一圓孔。將渦流管冷氣出口接入屋內(nèi)，達(dá)到降溫制冷效果，可供高溫崗點(diǎn)人員休息、避暑。

渦流管制冷性能評(píng)價(jià)的主要參數(shù)：

（1）渦流管制冷溫度效應(yīng)

式中：

Ti-渦流管入口氣體溫度，K；

Tc-冷氣流出口溫度，K。

（2）渦流管的冷流率

式中：

Gc-冷氣流出口流量，kg/s；

Gi-渦流管入口氣體流量，kg/s。

（3）渦流管的總制冷量

式中：

Cp-定壓比熱，kJ/（kg.K）。

（4）單位入口氣體流量的制冷量

（5）渦流管制冷效率

式中：

R-氣體常數(shù)，J/（kmol.K）；

Pi-渦流管入口氣體壓力，MPa；

Pc-冷氣流出口壓力，MPa。

3 渦流管制冷應(yīng)用

以郭屯煤礦采區(qū)變電所為例，對(duì)其進(jìn)行近2 個(gè)月的熱力參數(shù)觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見表1。

表1 郭屯煤礦采區(qū)變電所溫度觀測(cè)結(jié)果表

由表1 可以看出：（1）采區(qū)變電所內(nèi)溫度在32℃以上，最高時(shí)能達(dá)到35.8℃。（2）采區(qū)變電所內(nèi)部的溫度會(huì)隨著進(jìn)風(fēng)流溫度變化而變化，大致趨勢(shì)為進(jìn)風(fēng)溫度越高，變電所內(nèi)的溫度越高。（3）采區(qū)變電所的進(jìn)風(fēng)風(fēng)流溫度密切影響著變電所內(nèi)的空氣溫度，同時(shí)與變電所配風(fēng)量有一定關(guān)系。（4）隨著變電所供風(fēng)量的不斷提高，采區(qū)變電所內(nèi)溫度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。變電所的進(jìn)風(fēng)量在156～178m3/min 范圍內(nèi)浮動(dòng)，變電所內(nèi)空氣的溫度隨著供風(fēng)溫度的變化而變化，大致范圍在5.2～9.1℃之間。

用普通鋼板焊接成2.5m×1.5m、高度為2m 的封閉“空調(diào)屋”，并預(yù)留出氣孔，將改裝后的渦流管懸掛在“空調(diào)屋”側(cè)壁，冷氣端置于房間內(nèi)部，熱氣出口置于房間外部，將熱氣流通過管路導(dǎo)入水溝內(nèi)?？照{(diào)屋設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 空調(diào)屋設(shè)計(jì)圖

該項(xiàng)目初次在四采區(qū)煤倉上口皮帶機(jī)頭硐室推行試用，取得了良好效果。四采區(qū)煤倉上口因通風(fēng)條件差，加之生產(chǎn)過程中設(shè)備散熱等因素，該地點(diǎn)生產(chǎn)過程最高溫度達(dá)到33℃，對(duì)作業(yè)人員的人身安全及工作效率造成較大影響。安裝渦流管降溫裝置后，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)硐室環(huán)境溫度為30℃，房間內(nèi)溫度為28℃，降溫效果明顯。

4 結(jié)論

煤礦井下有一些特殊作業(yè)場(chǎng)所（皮帶機(jī)頭硐室、泵房等），由于其工作場(chǎng)所內(nèi)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，不易通過通風(fēng)排出，通過利用渦流管制冷的技術(shù)對(duì)此類地點(diǎn)進(jìn)行降溫。渦流管制冷技術(shù)避免了機(jī)械制冷的缺點(diǎn)，成本投入少，現(xiàn)場(chǎng)使用條件滿足，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。該降溫裝置效果明顯，大大改善了高溫崗點(diǎn)作業(yè)人員的工作環(huán)境，可在井下所有高溫崗點(diǎn)區(qū)域推廣使用，不僅能消除高溫環(huán)境作業(yè)人員的中暑隱患，還可提高作業(yè)人員的工作效率，對(duì)礦井安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。