高溫獨頭巷道人工制冷降溫效果的優(yōu)化研究*

李杰林，程春龍，周科平，喻曉麗，李光全，黃沖紅

(1.中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083； 2.玉溪礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100)

0 引言

隨著礦山開采深度的增加，許多礦山面臨高溫、高濕的難題。高溫、高濕環(huán)境對人體熱平衡、心率、呼吸和循環(huán)系統(tǒng)都會產(chǎn)生負面影響，容易導致代謝失調(diào)，從而降低工作效率。有研究表明：井下溫度每升高1 ℃，工人勞動產(chǎn)出率就會降低6%～8%。熱濕環(huán)境容易使礦工的心理、生理反應失常，從而增加事故發(fā)生率[1]，我國多個礦井的調(diào)查結果表明：30～37 ℃工作面較30 ℃以下工作面的事故率增加1.5～2.3倍[2]。因此，降低高溫掘進巷道工作面的溫度，對改善工作環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，降低安全事故的發(fā)生率均具有重要意義。

目前，高溫礦井熱害防治技術主要分為2類：1類是采用非人工制冷降溫方法，如通風降溫、設置隔熱層、個體防護降溫等；另1類是人工制冷降溫技術，如人工制冷水或制冰降溫、人工二氧化碳降溫、壓縮空氣降溫以及熱管降溫等。國內(nèi)外學者開展大量高溫礦井熱害防治技術研究，馮興隆等[3]指出增加通風量能使井下風流溫度大幅度下降，并且該溫度的下降程度在通風量達到臨界量之前有急劇加快的趨勢，但此時再增加風量則風溫的下降趨勢又緩慢下來；趙春杰[4]利用Fluent數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：當風量從50 m3/s增大到75 m3/s時有明顯的降溫效果，但當風量從75 m3/s增大到100 m3/s時通風降溫效果明顯下降；張睿沖等[5]利用差分法計算得出巷道內(nèi)風流溫度，并推導出巷道和回采工作面風溫變化趨勢，結合采場安全生產(chǎn)允許溫度進行反推，得到通風降溫條件下的可采極限深度計算公式；田龍等[6]利用輔助通風設施增強了通風降溫的效果，并得出輔助通風設施長度、與墻壁距離、進氣道風速三者與冷卻降溫效果之間的關系。在隔熱降溫方面，周西華等[7]利用主動隔熱巷道風流與圍巖的氣-固耦合傳熱模型，得到巷道隔熱層材料熱力學性質(zhì)參數(shù)對隔熱效果的影響規(guī)律；宋東平等[8]建立復合介質(zhì)中的一維非穩(wěn)態(tài)導熱控制方程，編制出能夠模擬隔熱巷道圍巖溫度場的計算機程序，并計算出隔熱層對圍巖溫度場的影響規(guī)律。在個體防護方面，馬礪等[9]提出1種基于渦流管制冷技術原理的礦井熱害防治個體降溫方法，降溫幅度可達1.2 ℃，續(xù)航時間超過30 min。在人工制冷方面，李杰林等[10]采用CFD軟件對在礦井高溫掘進工作面風筒前方放置冰塊進行數(shù)值模擬，取得良好的降溫效果；宋東平等[11]利用液態(tài)CO2相變釋放的冷量與工作面的高溫空氣進行換熱作用，降低工作面的環(huán)境溫度和濕度；初硯昊等[12]搭建動力型熱管試驗平臺，模擬井下傳熱過程，對井下熱害控制有一定的效果。

在高溫礦井熱害防治技術應用方面，2類熱害防治技術均得到廣泛應用，但主要存在以下問題：非人工制冷降溫方式對熱害問題較輕(<35 ℃)的礦井效果明顯，可實施性強，費用投入較少，但其在熱害較嚴重(>35 ℃)的礦井中降溫效果較差；人工制冷降溫技術在高溫礦井中能取得較好的降溫效果，但基礎設施建設投入大，制冷系統(tǒng)集中控制導致冷量分配不合理，且運行維護成本較高，從而制約了該類技術的大范圍使用。近年來，移動式制冷系統(tǒng)作為1種新型制冷方式，具有可移動、冷量傳輸損失小、制冷量可調(diào)、無需專門硐室安設、設備投入成本低等優(yōu)點在我國部分高溫礦井開始投入使用。謝明[13]開展移動制冷設備的現(xiàn)場試驗，結果表明開機30 min后，降溫幅度達到10 ℃，相對濕度平均降低25%左右；戴銘等[14]使用永磁調(diào)速型移動制冷設備在溫度不斷變化的試驗場地進行制冷試驗，結果表明：制冷溫度與風量適宜且耗能低，可節(jié)約用電成本并提高工人的勞動舒適度。本文結合中南大學研制的高溫礦井移動式人工制冷系統(tǒng)在云南大紅山銅礦的現(xiàn)場試驗情況，利用CFD軟件Fluent進行風障對高溫獨頭巷道制冷效果的影響進行分析，尋求最佳的制冷工況參數(shù)。

1 高溫獨頭巷道人工制冷的計算模型

1.1 物理模型的建立

制冷空間體積的大小對制冷速率、制冷效果產(chǎn)生重要影響。設置風障可以有效縮小制冷空間，改善制冷效果。在現(xiàn)場試驗中使用擋風簾作為風障，從而在掘進巷道中形成相對密閉的制冷空間，現(xiàn)場試驗如圖1(a)所示。考慮到降溫研究的主要目的是改善工作面附近的人員工作環(huán)境，因此，可將模型簡化，單獨對風障與工作面之間的空間進行研究，并依此在ANSYS-DesignModeler中建立長7 m×寬4 m×高3.7 m的物理模型，如圖1(b)所示。

圖1 現(xiàn)場試驗及物理模型Fig.1 Field experiment and physical model

1.2 控制方程與邊界條件

為合理描述制冷空間內(nèi)的溫度變化情況和風流流動狀態(tài)，建立高溫工作面降溫數(shù)值模型，并進行簡化假設：巷道和工作面圍巖是均質(zhì)的；風障不允許風流穿過；巷道內(nèi)的風流為各向同性的湍流流動；巷道圍巖為恒溫邊界。

考慮到巷道內(nèi)的風流流動為湍流狀態(tài)下低雷諾數(shù)的低速非旋轉流動，選擇標準的k-ε湍流計算模型。標準的k-ε模型控制方程為二元方程，包括湍動能運輸方程k方程和耗散率方程ε方程，如式(1)～(7)所示：

(1)

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

在Fluent中利用穩(wěn)態(tài)求解器進行求解，各邊界條件設置參數(shù)通過礦山現(xiàn)場實測獲得，見表1。

表1 模型邊界條件參數(shù)Table 1 Boundary condition parameters of model

2 影響因素與計算工況確定

1)風障距離D：在人工制冷降溫過程中，當制冷量一定時，制冷空間體積大小直接影響著降溫的速度和幅度，因此，確定合理的制冷空間體積大小尤為重要。試驗中通過改變風障與工作面的距離(D)來實現(xiàn)制冷空間體積大小的改變。

2)回風口動壓P：在獨頭巷道中采用長抽短壓式能加快制冷空間內(nèi)的風流循環(huán)，及時排出高溫氣體，但風流循環(huán)過快也會導致冷量流失，因此，需要對決定回風速度的回風口動壓(P)進行確定。

3)回風管高度H：試驗中，制冷設備的抽出式回風管和壓入式冷風管分別布置在巷道兩側，如圖2所示。制冷空氣由于密度較大而沉積于下方，如果回風管高度過低，會將制冷空氣吸出制冷空間外，進而影響制冷效果，因此，優(yōu)化確定回風管高度(H)能有效提高冷空氣的冷量利用率。

圖2 數(shù)值計算模型及測點布置Fig.2 Numerical calculation model and layout of measuring points

為了掌握巷道內(nèi)不同區(qū)域位置的降溫效果，在巷道垂高Y=1.5 m水平剖面內(nèi)，取X=1，2，3 m 3條直線，分別為L1，L2，L3；在巷道中心X=2 m縱剖面內(nèi)取Y=0.5，2.5 m 2條直線，分別為L4，L5，溫度監(jiān)測線布置如圖2所示，在每條線上均勻取20個溫度測點，從而得到在不同工況下、不同區(qū)域的溫度變化趨勢。

3 模擬結果分析

3.1 風障距離對降溫效果的影響

將回風口壓力P=-80 Pa，回風管高度H=1 m設為初始值，風障距離D分別設置為4，4.5，5，5.5，6 m 5種不同工況，研究風障距工作面不同距離時巷道內(nèi)的溫度變化。取巷道中心處L2直線為數(shù)據(jù)采集點，得到風障在不同距離下的溫度曲線，如圖3所示。圖3中虛線對應5種不同距離下風障所在位置，虛線左側為制冷空間內(nèi)部，右側為制冷空間外部?？梢钥闯觯織l曲線中風障兩側的溫度躍遷明顯，變化幅度為4～6 ℃，說明風障有效隔絕了制冷空間內(nèi)的冷空氣向外擴散，同時減弱了制冷空間外部的熱量傳遞到制冷空間內(nèi)，可見風障能有效提高制冷效果。同時，通過圖3還可以看出：當D=5 m時，制冷空間內(nèi)的溫度最低，降溫效果最好。分析認為由于試驗中冷風出口位置與風障齊平，并隨風障距離變化而變化。當風障距離掌子面較近時，一方面縮小了制冷空間有利于降溫，但同時也使得冷風直接吹在了工作面的圍巖上，導致較多的冷量用于冷卻工作面圍巖，而用于冷卻巷道內(nèi)空氣溫度的冷量不足，導致降溫效果不明顯，因此，出現(xiàn)D=4 m時的溫度最高的現(xiàn)象。另一方面，當增加風障與工作面距離時，制冷空間的體積也會增大，在設備制冷功率一定的情況下，將會導致降溫效果下降，因而出現(xiàn)D=6 m時的降溫效果不佳。因此，風障的布置距離為D=5 m較為適中，降溫效果好。D=5 m工況下巷道內(nèi)不同區(qū)域的溫度分布如圖4所示。由圖4可以看出，直線L5(垂高最高)各點的溫度明顯高于其他區(qū)域，這是因為熱空氣密度小，易擴散并聚集于巷道上方空間，導致溫度較高，因此，在實踐中可加強巷道上方的通風，及時抽排高處熱空氣，有利于降低制冷空間的溫度。

圖3 風障不同距離下L2處的溫度Fig.3 Temperature at L2 under different distances of wind barrier

圖4 D=5 m時各直線上的溫度變化Fig.4 Temperature variation on each straight line when D=5 m

在圖3～4中，巷道內(nèi)溫度隨距離的變化呈“U”型分布。產(chǎn)生該變化趨勢的原因是制冷空氣從冷風管流出后，沿該側巷道壁面到達工作面，受到工作面阻擋后，大部分冷空氣流仍會貼著工作面和另一側巷道壁面進行貼壁流動，從而在巷道空間內(nèi)形成氣流渦旋，如圖5所示。渦旋外側是溫度較低的冷空氣，渦旋內(nèi)部區(qū)域的氣流無法流動，為巷道內(nèi)的初始高溫氣流，溫度較高，但隨后會與周圍冷空氣發(fā)生冷熱交換而降低溫度，所以旋渦處的溫度變化趨勢為先升高后降低，該現(xiàn)象與圖3中溫度曲線在1～4 m處的變化趨勢吻合。

圖5 制冷空間內(nèi)的風流速度矢量圖Fig.5 Vector diagram of air flow velocity in refrigeration space

3.2 回風口壓力對制冷效果的影響

以D=5 m作為初始條件，將回風口負壓取值分別設置為-60，-70，-80，-90，-100 Pa，得到不同回風壓力對制冷空間內(nèi)制冷效果的影響，如圖6所示。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，在不同的回風壓力下，巷道中心L2處的溫度變化趨勢基本一致，在距離工作面較近處的溫度先快速上升，在制冷空間中部平穩(wěn)上升，最后在風障處又急劇上升，與圖3中“U”型分布的谷底處的溫度分布規(guī)律相同。在不同回風口壓力條件下，當P=-70 Pa時的各點溫度值最低，具有最好的降溫效果。說明出風口的負壓能夠加快制冷空間內(nèi)的氣流流動，使冷、熱空氣之間的換熱更加劇烈，有利于提高降溫效果，但回風口壓力過大或過小都不利于制冷?；仫L口壓力過低，冷氣流的流動較慢，影響冷熱空氣的熱交換速率，而如果回風口負壓過大，又會導致制冷空間內(nèi)的冷空氣來不及發(fā)生熱交換就被抽出，造成冷量流失。P=-70 Pa時制冷空間內(nèi)不同區(qū)域的溫度變化如圖7所示。由圖7可以明顯看出L5處的溫度遠遠高于其他區(qū)域，進一步說明熱空氣密度較小，在巷道上部聚集，從而導致溫度較高。

圖6 不同壓力下L2處溫度曲線Fig.6 Temperature curves of L2 under different pressures

圖7 P=-70 Pa時各直線上的溫度變化Fig.7 Temperature variation on each straight line when P=-70 Pa

3.3 回風管高度對制冷效果的影響

回風管道的架設高度H分別為0.5，1，1.5 m時，距離巷道底板高度h分別為0.5，1，1.5 m水平剖面的溫度分布如圖8所示。由圖8可以直觀看出：不同回風管高度下的風障兩側均存在明顯的溫度差，風障左側制冷空間內(nèi)的溫度最高值為28.3 ℃，風障右側溫度較高，部分區(qū)域最高溫度超過37 ℃，進一步說明風障在提高巷道制冷效果中具有良好作用。綜合對比不同回風管高度下的風障兩側溫度分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：當回風管高度H=0.5 m時，在風障外側的低溫區(qū)域比其他2種情況更大，說明冷空氣的密度大，匯聚于巷道下部區(qū)域，而回風管高度過低會將冷空氣抽出制冷空間外，從而導致冷量流失，進而出現(xiàn)制冷空間外側的低溫區(qū)域范圍大；當回風管高度H=1 m時，制冷空間內(nèi)不同高度水平的低溫區(qū)域范圍最大，大部分區(qū)域的溫度在23.8 ℃以下，部分區(qū)域溫度范圍在23.8～26 ℃之間，制冷效果良好；當回風管高度H=1.5 m時，制冷空間內(nèi)的最高溫度為28.3 ℃，在制冷空間內(nèi)中部位置出現(xiàn)了小范圍的較高溫度區(qū)，溫度范圍為26～28.3 ℃，，而該現(xiàn)象在另外2種工況下未出現(xiàn)，這說明回風管位置過高，不能有效地帶動密度較低，沉積于下方的冷空氣，未達到加快制冷循環(huán)的效果。綜合分析，確定回風管最佳的垂直高度為1 m。

圖8 3種工況在不同水平截面溫度云圖Fig.8 Temperature nephogram of three working conditions at different horizontal sections

4 模擬結果驗證

基于上述研究得出的最優(yōu)工況參數(shù)，在云南大紅山銅礦高溫獨頭巷道開展移動式人工制冷設備的現(xiàn)場試驗。在制冷空間內(nèi)的中軸線高1.5 m，距工作面3 m處設置溫度記錄儀，得到該點溫度隨時間變化的情況。現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果對比如圖9所示。由圖9可以看出，未設置風障時，溫度隨時間的變化極為緩慢，經(jīng)過70 min后溫度從35.4 ℃降低到31 ℃左右后不再發(fā)生明顯變化，降溫效果較差。這是因為巷道是1個開放的空間，制冷空間中的冷量會不斷向外流失。同時根據(jù)能量守恒原理，制冷設備的制冷量與其冷凝散熱量是相同的，移動制冷設備本身處在制冷空間內(nèi)，設備工作時產(chǎn)生的大量冷凝熱會直接排放到巷道中，因此，熱量的回流會對制冷效果產(chǎn)生重要影響，而設置風障后，現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結果均顯示制冷空間內(nèi)的溫度降幅較大，開機45 min后溫度從35.4 ℃降低至28 ℃，80 min后溫度穩(wěn)定在24 ℃左右不再發(fā)生明顯變化，即設置風障前、后的溫差約為7 ℃。

圖9 各工況溫度隨時間變化曲線Fig.9 Temperature variation with time under different conditions

通過對比設置風障條件下的現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算結果，發(fā)現(xiàn)兩者的整體變化趨勢基本一致，誤差較小，但現(xiàn)場試驗中實測溫度要略高于數(shù)值模擬所得的溫度，這是因為巷道內(nèi)的實際熱環(huán)境更為復雜多變，而數(shù)值模擬進行了相應的簡化，忽略了人體散熱、水汽的冷凝熱以及設備用電而產(chǎn)生的熱量等，這些熱源相對于巷道圍巖散熱和空氣焓熱來說比較小，但會使試驗數(shù)據(jù)與模擬結果產(chǎn)生微小偏差。

5 結論

1)設置風障能夠有效阻隔制冷空間與外界的熱量交換，風障內(nèi)側溫度比外側溫度低4～6 ℃；同時風障能夠縮小制冷空間，從而在制冷量一定的情況下提高制冷效果；風障的最佳布置距離為距離工作面5 m處，制冷空間內(nèi)溫度可降低至28 ℃以下。

2)回風口加設軸流風機能夠增加回風能力，加快巷道內(nèi)風流循環(huán)，促進冷熱交換，回風壓力過高效果不佳，回風壓力過低導致冷量流失，最佳的回風口壓力為-70 Pa。

3)回風管布置的架設高度會對制冷效果有明顯影響，回風管位置過低會吸走下沉的冷空氣導致冷量流失，回風管位置過高會從風障上方吸進熱空氣導致熱量回流，最佳回風管布置高度為1 m。