高溫獨頭巷道中移動式人工制冷設(shè)備的散熱排放效果分析

黃沖紅，李在利，李杰林，程春龍

(1.中鋁集團玉溪礦業(yè)有限公司， 云南 玉溪市 653405；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

1 工程背景

玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦位于云南省新平縣戛灑鎮(zhèn)境內(nèi)，大紅山銅礦屬于典型的深井高溫地下礦山。根據(jù)地質(zhì)資料，該礦山礦體埋藏較深，內(nèi)含成礦溫度615℃～655℃的隱伏花崗巖，巖體沿地層間破碎帶形成凹槽、凹盆、小巖脈、巖墻、微突起、側(cè)部凹陷帶，為熱液的停留和富集提供了封閉、半封閉空間。同時，花崗巖侵入時與碳酸鹽巖交代形成矽卡巖礦物，含礦熱液充填交代矽卡巖在接觸帶形成了較高溫度的矽卡巖鎢礦石、深部硫礦石[1]。并且花崗巖的大理巖化是由碳酸鹽巖熱變質(zhì)形成的重結(jié)晶，鐵錳礦化亦是由熱液沿巖石節(jié)理充填、交代、氧化形成。因此，大紅山銅礦的成礦作用和地質(zhì)情況對井下的較高巖溫具有重要影響[2]。根據(jù)在大紅山銅礦西礦段140中段處實測地溫梯度3.04℃/100 m，該礦山屬于典型的高地?zé)岬叵碌V山，因此礦山的熱害治理工作已刻不容緩。

目前礦井熱害治理技術(shù)主要分為兩類，即非人工機械制冷降溫技術(shù)和人工機械制冷降溫技術(shù)。非人工機械制冷降溫技術(shù)主要有通風(fēng)降溫、水噴霧降溫、溶液除濕降溫、個體防護降溫、隔熱分流排熱降溫、熱源控制降溫、減少熱源降溫等[3-4]。人工機械制冷降溫技術(shù)主要包括人工制冷水降溫、人工制冰降溫和壓縮空氣制冷降溫[5-6]。人工制冷水降溫技術(shù)按照制冷機的安裝位置，又分為地面集中式、井下集中式、地面井下聯(lián)合式、井下移動式等[7]，各種制冷措施的優(yōu)缺點見表1。結(jié)合大紅山銅礦的工程實際，選擇采用人工機械制冷方案，并開發(fā)出了一套高溫工作面移動式人工制冷設(shè)備。該設(shè)備采用一體化設(shè)計，設(shè)備總功率為6.5 kW，利用井下空氣作為制冷媒介，具有無需建立基站、無需外接水管、占地面積小、移動方便、運營成本低等特點，可以實現(xiàn)對小范圍區(qū)域降溫的目的。人工制冷設(shè)備的正面由冷風(fēng)出口、回風(fēng)口以及冷凝器的進風(fēng)柵欄組成，背面則由控制面板和兩個冷凝器散熱風(fēng)扇組成。為了實現(xiàn)設(shè)備的移動性，設(shè)計了一個可移動平臺，制冷機組安放在移動平臺上，能夠通過牽引設(shè)備進行移動。為了達到良好的降溫效果，移動式人工制冷設(shè)備工作時需要將其停放在巷道作業(yè)面區(qū)域，設(shè)備運行產(chǎn)生的熱量和冷媒所攜帶的回風(fēng)熱量會直接排放在巷道內(nèi)，如不采取排熱措施，這部分熱量會擴散至制冷區(qū)域中，從而對降溫效果產(chǎn)生影響。因此，有必要對移動式人工制冷設(shè)備運行的散熱量排放方式進行分析和設(shè)計。

表1 人工機械降溫技術(shù)優(yōu)缺點對比

2 人工制冷設(shè)備散熱排放現(xiàn)場試驗

選擇西礦段140中段132線探礦穿脈作為試驗地點，將移動式人工制冷設(shè)備放置在距離巷道掌子面15 m處，設(shè)備的正面面對巷道作業(yè)面，并在冷風(fēng)出口外接一條Ф300 mm、長10 m的軟質(zhì)風(fēng)筒延至作業(yè)面區(qū)域，風(fēng)筒的冷風(fēng)出口距離掌子面5 m。啟動設(shè)備后，測得冷風(fēng)出口溫度為 29℃，風(fēng)速為10 m/s。在距離巷道作業(yè)面11 m，高1.6 m處設(shè)置一個測溫點，記錄溫度隨時間的變化情況。

為了排出人工制冷設(shè)備的散熱，分別設(shè)計了在設(shè)備前方和后方放置鼓風(fēng)機的方案，鼓風(fēng)機的功率為2.2 kW。鼓風(fēng)機放置在設(shè)備前方是利用鼓風(fēng)機出風(fēng)口正壓吹走設(shè)備散熱，阻止散熱擴散至制冷區(qū)域；鼓風(fēng)機放置在設(shè)備后方是利用鼓風(fēng)機的進口負壓來吸走設(shè)備散熱，從而防止人工制冷設(shè)備散熱向制冷區(qū)域擴散。圖1為制冷范圍巷道內(nèi)空氣溫度在兩種方式下隨時間的變化趨勢。從圖1中可以看出，當(dāng)鼓風(fēng)機放置在制冷設(shè)備前方時，測點處的溫度有明顯上升趨勢，上升幅度約為 1.5℃；而當(dāng)鼓風(fēng)機放置在制冷設(shè)備后方時，測點溫度整體呈波動狀態(tài)，穩(wěn)定在35℃到35.5℃之間，并有小幅下降趨勢，說明采用鼓風(fēng)機后置的散熱方式，其降溫效果明顯優(yōu)于鼓風(fēng)機前置。

圖1 測點溫度隨時間變化真的趨勢

3 散熱排放效果數(shù)值模擬

3.1 物理模型

為了進一步分析鼓風(fēng)機放置不同位置的散熱方式對制冷區(qū)域的溫度場、速度場分布的影響，采用 FLUENT軟件結(jié)合現(xiàn)場試驗情況建立了數(shù)值計算模型。巷道模型總長20 m，制冷設(shè)備設(shè)置在距離掌子面15 m處，冷風(fēng)管出口距離掌子面5 m，回風(fēng)管長 0.8 m，進風(fēng)筒出風(fēng)口與制冷設(shè)備正面在同一平面上。前置鼓風(fēng)機設(shè)置在距離掌子面10 m處，后置鼓風(fēng)機設(shè)置在制冷設(shè)備后方 1 m處，如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算物理模型

3.2 數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置

3.2.1 求解器設(shè)置

為了簡化問題，假設(shè)風(fēng)流模型滿足Boussinesq假設(shè)。對于巷道內(nèi)風(fēng)流流動問題，選用 Pressure-Based壓力基求解器類型、Absolute速度方程、Steady穩(wěn)態(tài)流動時間求解器，并考慮重力場的影響，重力加速度為9.81 m/s2，方向沿y軸負方向。

3.2.2 計算模型設(shè)置

獨頭巷道內(nèi)的風(fēng)流流動多為高雷諾數(shù)的湍流流動狀態(tài)，因此選用標(biāo)準的Standard k-epsilon模型，同時選用能量方程，進行速度場和溫度場的模擬。

3.2.3 邊界條件設(shè)置

選擇可壓縮的理想氣體作為巷道內(nèi)的風(fēng)流流體。結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，冷風(fēng)出口邊界設(shè)置為速度入口，速度為10 m/s，溫度為29.8℃；進風(fēng)筒進風(fēng)口同樣設(shè)置為速度入口，速度為 8 m/s，溫度為35.4℃；制冷設(shè)備的散熱出口是制冷設(shè)備模型單元的風(fēng)流出口，同時也是巷道模型單元的入口，因此，將制冷設(shè)備的散熱出口設(shè)為速度入口，速度為 4 m/s，溫度為 45℃；制冷設(shè)備回風(fēng)出口邊界設(shè)置為壓力出口，壓力為-80 Pa；軸流鼓風(fēng)機設(shè)為Fan邊界條件，壓力躍遷為80 Pa。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 溫度場分析

在模型中設(shè)置一個與實際測溫點一致的溫度監(jiān)測點，結(jié)果顯示該監(jiān)測點的溫度為36.7℃，與現(xiàn)場試驗所得的溫度值吻合，說明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。圖3為巷道中心軸平面的溫度場分布云圖，從圖3中可以看出，由于冷空氣的輸入，距離掌子面較近處的溫度較低，制冷效果明顯；而巷道左側(cè)由于冷空氣無法擴散至該區(qū)域，以及制冷設(shè)備產(chǎn)生的熱量回流等，導(dǎo)致溫度不降反升。對比兩種散熱排放方式，當(dāng)鼓風(fēng)機放置在設(shè)備后方時，溫度分布比較均勻，整體溫度較低，制冷效果較好。

圖3 巷道溫度場分布

為了分析制冷空間內(nèi)溫度隨距掌子面之間距離的變化規(guī)律，在巷道中軸平面上布置7個測溫點，各測點如圖3所示，P1距掌子面1 m，其余各測溫點相隔2 m。圖4為兩種散熱排放方式下制冷空間內(nèi)的溫度隨距離變化趨勢圖。從圖4可以看出，當(dāng)鼓風(fēng)機前置時，距離工作面較近處的溫度較低，但隨著距離的增大，溫度持續(xù)升高后又小幅度下降，最高溫度接近38℃，超過了巷道制冷降溫前溫度，說明人工制冷設(shè)備的散熱擴散到了制冷區(qū)域中，從而導(dǎo)致巷道內(nèi)的溫度升高。當(dāng)鼓風(fēng)機后置時，溫度隨著距工作面的距離增大而小幅度升高，但升高幅度較小，且溫度均低于巷道進行制冷降溫前的溫度，說明制冷區(qū)域的熱負荷沒有增加。兩種散熱排放方式下的最大溫差約為4℃，表明鼓風(fēng)機后置時，巷道內(nèi)各處的溫度要低，人工制冷設(shè)備的散熱能夠有效排出制冷區(qū)域，減少了制冷區(qū)域的熱負荷，巷道內(nèi)的制冷效果更好。

圖4 測點溫度隨距離變化趨勢

4.2 速度場分析

圖5為兩種散熱排放方式的制冷區(qū)域的速度矢量圖。在鼓風(fēng)機前置時，制冷設(shè)備的散熱在散熱風(fēng)扇的驅(qū)使下向前噴射一小段距離后就開始分散，只有部分熱氣流向下方偏移，擴散至距離制冷空間較遠處，還有一部分熱氣流則從制冷設(shè)備與巷道之間的空隙被吸入到制冷設(shè)備前方并產(chǎn)生渦旋。分析認為制冷設(shè)備的散熱風(fēng)扇功能有限，在巷道內(nèi)多流場擾動的作用下無法將散熱驅(qū)動至較遠處，從而使得部分熱氣流無規(guī)律擴散；另外，由于鼓風(fēng)機放置在制冷設(shè)備的前方，一定程度上加速了制冷區(qū)域內(nèi)的氣流向外流動，而在風(fēng)流流動的路線上，制冷設(shè)備充當(dāng)了風(fēng)障的作用，使得風(fēng)流在制冷設(shè)備前方形成旋渦，并將設(shè)備后方動能較弱的熱空氣吸入到制冷空間內(nèi)，這也是造成溫度場分布中熱量回流的主要原因。

圖5 巷道內(nèi)速度矢量圖

當(dāng)鼓風(fēng)機后置時，絕大部分散熱氣流在鼓風(fēng)機的負壓吸力作用下向前方運動，排放出了制冷空間區(qū)域，從而阻止了熱量回流，改善了制冷效果。因此，鼓風(fēng)機放置在設(shè)備后方能有效地對人工制冷設(shè)備的散熱進行排放，增強制冷效果。

5 結(jié)論

（1）高溫作業(yè)面移動式人工制冷設(shè)備應(yīng)用在大紅山銅礦的高溫獨頭巷道降溫中，能明顯降低巷道掌子面區(qū)域的溫度，降溫效果與距離掌子面的遠近有關(guān)，距離掌子面越近，降溫效果越明顯。

（2）人工制冷設(shè)備后方放置鼓風(fēng)機的散熱方式，在鼓風(fēng)機的負壓吸力作用下，能夠有效排放制冷設(shè)備的散熱，防止熱量回流，從而增強制冷效果。