CN101749043A

CN101749043A - 温差式矿井空调冷热源能量系统

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Publication number: CN101749043A
Application number: CN200810241422A
Authority: CN
Inventors: 刘应江
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明涉及一种温差式矿井空调系统，包括流体介质、制冷机、压缩机装置、热泵中央热水装置、低温液体存储装置、蒸发换热器装置、蒸发—冷凝热交换装置、冷凝热交换装置以及依次密闭循环连接上述各装置的管道系统，其特征在于所述的蒸发器装置布置在井下，冷凝热交换装置布置在地面和/或井下具备经济性且易于排放冷凝热的位置，优选地面位置；流体介质在管道系统内循环流动，本系统解决了矿井空调的载冷剂的输送困难、管道复杂、投资大、冷凝热不易排放的问题。

Description

温差式矿井空调冷热源能量系统

技术领域

本发明属于空调制冷技术领域，尤其是涉及到一种矿井空调制冷技术。

背景技术

随着矿井采深的增加和机械化程度的不断提高，深井高温热害已经成为制约煤矿安全生产的重大问题之一，未来矿山的极限开采深度将取决于矿井降温技术和装备的发展水平。我国煤矿大约已每年10米左右的速度向下延伸，

井下的高温高湿的工作环境会使人感到不舒适，从而降低劳动生产虑，增大事故率，影响矿井的安全生产。人在高温条件下从事繁重体力劳动时，周围环境的冷却能力不足以吸收人体散发的热量，就会使得人体产热量和散热量之间得热平衡受到破坏，从而引起人体的不良生理、心里反应，过高的热环境可以使人体的温度调节机能失调，导致体温升高、头昏、中暑等症状，甚至造成死亡。在高温、高湿作业环境下，井下作业人员容易出现皮肤湿疹、胸闷、头昏、气短和乏力等症状，劳动能力大大降低；还会使人心情烦躁，注意力不集中、反应速度缓慢，因而引发人身事故。

在现有矿井空气调节技术领域中，矿井通风是一种主要的空气调节手段。但是，对矿井的温度调节有限，不能无限制地加大风量和提高风速。有如下原因：

第一，不合理性。井巷断面和作业空间有限，不适当地加大风量，不但影响矿工舒适度，还涉及到作业安全。通风降温只能在原岩温度不超过35～40″C时进行，当原岩温度大于40℃时，必须减少风量。

第二，非经济性。一般说来主扇电耗约占矿井总电费的30％～50％，并随着井深的延续，费用也呈上升势态。

目前对于矿井空调降温的技术主要有如下一些类型：

第一种是蒸气压缩式循环制冷空调，主要是以氟里昂和氨为制冷剂的冷水机组，然后以水为载冷剂，或者以水为冷却介质；通过高压管道系统、高低压换热器，将制冷机产生的冷量传输到工作面附近的热交换器，将冷量传输给矿井中的空气，以调节矿井中空气的热湿参数。这种方式的制冷系统按制冷机的安装位置可以分为地面集中式、井下集中式、上下联合式。但不管那种方式，都存在管道系统复杂，且管道投资巨大，在这样的方案中，管道投资成本将占整个制冷系统的一半以上，地面集中式虽然冷凝热排放容易，但管道系统过长且复杂，其次，水力平衡困难。井下式和上下联合式都存在冷凝热排放困难和排放成本过高。如专利号为200420002464.8“矿井空调用低温涌水降温装置”，可操作难度大。

第二种是空气制冷空调，又有涡轮式空气制冷、变容式空气制冷、涡流管式空气制冷和压气引射器制冷等形式；空气制冷空调中，压气引射器和涡流管制冷装置，由于其制冷量小、噪音大，都没有被很好地应用；变容式空气制冷存在的问题是变容式压缩——膨胀器中一些关键技术问题，如变容式压缩机轴承和润滑需要解决等。

第三种是以矿区热电站为热源的溴化锂-串联压缩式制冷机组或氨吸收式制冷机组，利用丰富的劣质煤源，建设小型坑口自备热电站，除满足煤矿所需的热电能量外，可以配置以热电站为热源的吸收式制冷机，生产高温矿井和地面建筑所需的冷量，将大大提高煤矿的经济效益，有效降低制冷成本。但是，此种方案还需要建立小型坑口热电站，投资大，不适宜推广。其次，溴化锂-串联压缩式制冷机组或氨吸收式制冷机组集中设置在地面上，还是会面临管道系统过长与投资大等问题，缺乏可操作性与经济性。

第四种是冰冷却空调系统。冰冷却空调系统由于利用冰的融解潜热进行降温，所以在同样冷负荷的条件下，向井下的输冰量仅为输水量的1/4～1/5。由于输冷管道和输送流量减少，管道投资费用和运行能耗降低，由管道温升而产生的冷损降低，所以系统的装机容量和投资费用都大大降低。它不存在普通矿井空调所难以克服的过高静水压力和冷凝热排放困难等问题，主要电动设备均在井上，不需要防爆，能较好地适应矿井的安全要求。但是，对于管道输送固体冰块还是一个没有解决的技术难题，如专利号为200420002466.7“矿井冰冷低温辐射降温系统”，可操作难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有矿井空调系统的不足，提供一种温差式矿井空调冷热源能量系统，利用矿井内部的高温与热泵中央热水装置或制冷机装置提供的低温所形成的温差实现能量转换与能量交换，该系统实现了高温矿井的气候调节与地面中央热水系统的制取，化矿井高温热害为有用能量。

本发明提供的温差式矿井空调冷热源能量系统，包括流体介质、制冷机装置、热泵中央热水装置(1’)与热泵中央热水装置(1)、低温液体存储装置、蒸发-冷凝热交换装置、蒸发器装置以及依次密闭循环连接上述各装置的管道系统，其特征在于所述的蒸发器装置布置在矿井深部或热害区，蒸发-冷凝热交换装置布置在地面或布置在井下具备经济性且易于排放冷凝热的位置，优选地面位置；流体介质在管道系统内循环流动，连接低温储液装置与蒸发-冷凝热交换装置的管道(3)是高压密闭保温管道，且管道上有压力调节阀、水轮机调压、各类仪表及自动控制装置。

在该系统中，所述的蒸发器装置布置在矿井深部或热害区，这样布置有利于就地吸收高温工作面上的热量，有利于缩短次级载冷剂管道(8)的管道长度和减少载冷剂冷量沿程损失。所述的蒸发器装置可根据载冷剂的性质和冷负荷，可以设计成如下的一些蒸发器类型：A、满液式蒸发器，B、干式蒸发器，C、循环式蒸发器，D、淋激式蒸发器，E、冷却空气蒸发器。

在该系统中，所述的管道(9)不需要加设保温材料，有利于减少管道投资；而且不需要加设水泵、风机等动力设备，管道中的制冷剂蒸汽能够依靠自身的密度比空气轻，能自动地回流到蒸发-冷凝热交换装置中去，这样，大大节省了制冷剂的循环动力，而且，在这一管段中可以设置风轮机，将气体动能转换为井下有用的机械能。

在该系统中，所述的蒸发-冷凝热交换装置布置在地面或布置在井下具备经济性且易于排放冷凝热的位置，优选地面位置；所述的蒸发-冷凝热交换装置是制冷机的蒸发器与来自流体介质蒸汽进行冷热交换的一个低温装置，所述的该低温装置可以选冷却空气式蒸发器和冷却液体式蒸发器，在本发明实施例中优选冷却空气式蒸发器；所述的冷却空气式蒸发器被密闭一个保温隔热的空间体中，气态氨在该空间体中的由制冷机或热泵中央热水装置提供的冷量进行冷凝结液，完成一个由气态氨向液态氨的相变过程，同时，气态氨释放冷凝热。

在该系统中，高压保温管道(3)上装有压力调节阀、水轮机等调压装置，以及压力传感器、压力表、流量表以及自动控制装置，用以监视高压保温管道(3)中的液态氨的状态参数，确保流体介质氨在这一管段中保持液相。

在该系统中，图3中的热泵中央热水装置(1’)设置有备用冷凝器装置，所述的冷凝器装置可以选自下列一种：A、冷却塔，B、水冷式冷凝器，C、风冷式冷凝器，D、蒸发式冷凝器，本实施例优选风冷式冷凝器。设置备用冷凝器是保证系统运行的连续性，当热泵中央热水装置中热水负荷已满时，多余的冷凝热量就不能再转移到热泵中央热水装置(1’)中的储水箱中，由备用冷凝器直接将来自井下的热量排放到大气中去。

本发明的有益效果在于：

下面以本发明的实施例子来说明本发明的有益效果，在本发明选择的流体介质为氨。

1、在氨制冷剂的循环系统中通过氨的液相变化来输送冷量，单位质量的氨制冷剂同比单位质量水或盐水等载冷剂输送的冷量大，在这一循环过程中，既利用了氨制冷剂潜热变化降温，又利用了显热变化降温；由于单位质量的载冷剂输送的冷量多，在与水或盐水等载冷剂输送同样多的冷量的情况下，降低了管道系统的流量，从而降低了管道的管径，所以减少了管道系统的投资。

2、液态氨制冷剂由于是从地面输送到矿井深部或热害区，在重力作用下，液态氨制冷剂在管道中能够保持高压状态，保证了液态氨不在输送的路途中而被提前气化；其次，当井下的载冷剂管道超过规定压力时，可以通过压力调节阀门或水轮机泄压，在这一过程中，用水轮机回收了制冷剂的部分压力能，将压力能转化为机械能。再次，重力势能本身也是一种能量，高位压力能在制冷剂气化过程当中，部分地可以转化为冷能；纵上所述，采用流体介质氨输送冷量，巧妙地将各种能量转换为有用的冷能、地面上的热能。

3、节省了输送液态制冷剂氨、气态氨的水泵与风机装置，节省了设备与大量电能；液态氨由于是从高位的地面往井下输送，不再需要加装水泵等动力装置，依靠本身的重力势能就能输送到矿井深部或热害工作面，气态氨的密度由于比空气轻，依靠自身的浮力就能返回地面，省去风机等动力装置，因而，节省了电能。

4、由于冷凝装置是安装在地面，不存在排放冷凝热的困难。

5、通过热泵中央热水装置，可以将来自井下的热量作为能量使用，产生中央热水，节省了地面上生产热水的耗能装置，并节省了能源。

6、由于主要的带电设备大部份都安装在地面上，这些设备不需做防爆处理，减少了设备投资。

虽然氨具有一定的毒性与爆炸性，但只要加强管道的密封技术和氨泄露报警装置技术，就可以完全避免；在现有的技术中不是困难。

附图说明

图1，温差式制冷机-热泵循环流程图；

图2，温差式制冷机单循环流程图；

图3，温差式热泵单循环流程图；

图中，1.热泵中央热水装置；1’.带备用冷凝器器的热泵中央热水装置；2.蒸发-冷凝低温热交换装置；3.高压保温管道；4.压力调节阀；5.水轮机；6.低温储热装置；7.蒸发器装置；8.载冷剂管道；9.制冷剂蒸汽管道；10.制冷机装置、11.风轮机。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明进行更详细的描述。

实施例1

如图1所示，本发明提供的温差式矿井空调冷热源能量系统，包括流体介质、制冷机装置(10)、热泵中央热水装置(1)、低温液体存储装置(6)、蒸发器装置(7)、蒸发-冷凝低温热交换装置(2)以及依次密闭循环连接上述各装置的管道系统(3)、(9)，其中(3)是高压保温管道。

运行中，打开低温储液罐(6)的阀门，液氨沿着管道进入蒸发器装置(7)中，与来自矿井工作面中经过吸热后的载冷剂进行冷热量交换后，液氨转换为气态氨；同时，载冷剂管道(8)中的的载冷剂获得冷量后被输送到高温工作面，参与井下的空气调节。另一方面，气态氨沿着管道(9)上升至蒸发-冷凝低温热交换装置(2)中，该装置是一个低于0摄氏度的低温热交换装置，冷量由制冷机提供，气态氨在该装置中被冷凝成液态氨，然后经高压保温管道(3)、压力调节阀(4)、水轮机等构件后流回低温储液装置(6)中，此时，流体介质氨完成一个制冷循环。在流体介质氨完成一个制冷循环的同时，井下的高温热量被转移至蒸发-冷凝低温热交换装置(2)中，再由制冷机(10)将此热量转移到制冷机中的冷凝器装置中，然后再通过热泵中央热水装置(1)中的蒸发器将该热量转移至热泵中央热水装置中的储水箱中；如果储水箱中热水已满，则来蒸发-冷凝低温热交换装置中的冷凝热量直接由制冷机(10)的冷凝器装置直接排到大气中去；这样，就能保证井下的热量被源源不断地从井下排出，达到消除高温矿井热害的目标。在这样的一个循环中，化井下高温热害为有用能量，直接为热泵中央热水装置提供热源，可供矿区周围生活、采暖用热水。

实施例2

如图2所示，在实施例1中所提供的循环流程图中的基础上，去掉了热泵中央热水装置，简化了系统流程；当井下的高温热量被转移至蒸发-冷凝低温热交换装置(2)中，由制冷机(10)将此热量转移至制冷机中的冷凝器装置中，此热量直接由制冷机(10)的冷凝装置直接排到大气中去，这样，就能保证井下的热量被源源不断地从井下排出，达到消除高温矿井热害的目标。

实施例3

如图3所示，在实施例1中所提供的循环流程图中的基础上，去掉制冷机，直接由热泵中央热水装置与流体介质氨循环系统构成一个温差式热泵单循环流程，当井下的高温热量被转移至蒸发-冷凝低温热交换装置(2)中，直接由热泵中央热水装置(1’)中的蒸发器将该热量转移至热泵中央热水装置中的储水箱中；如果储水箱中热水已满，则来自井下的热量直接由热泵中央热水装置(1’)中的备用冷凝器装置直接排到大气中去，这样，就能保证井下的热量被源源不断地从井下排出，达到消除高温矿井热害的目标。在这样的一个循环中，化井下高温热害为有用能量，直接为热泵中央热水装置提供热源，可供矿区周围生活、采暖用热水。

以上的几个实施例中，不是对本发明思想的限定，其他任何经过形式上的修改但其发明思想均落在本发明思想范围之内的专利，均认定是属于本发明专利。

Claims

1.一种温差式矿井空调冷热源能量系统，包括流体介质、制冷机装置(10)、热泵中央热水装置(1)、低温液体存储装置(6)、蒸发器装置(7)、载冷剂管道(8)、蒸发-冷凝低温热交换装置(2)以及依次密闭循环连接上述各装置的管道系统，其特征在于所述的蒸发器装置布置在矿井深部或热害区，优选热害区；冷凝热交换装置布置在地面或布置在井下具备经济性且易于排放冷凝热的位置，优选地面位置；流体介质在管道系统内循环流动。

2.一种温差式矿井空调冷热源能量系统，包括流体介质、热泵中央热水装置(1’)、低温液体存储装置(6)、蒸发器装置(7)、载冷剂管道(8)、蒸发-冷凝低温热交换装置(2)以及依次密闭循环连接上述各装置的管道系统，其特征在于所述的蒸发器装置(7)布置在矿井深部或热害区，优选热害区；蒸发-冷凝低温热交换装置(2)布置在地面或布置在井下具备经济性且易于排放冷凝热的位置，优选地面位置；流体介质在管道系统内循环流动。

3.根据权利要求1所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的制冷机装置(10)至少可以选自下列一种：A、活塞式制冷机组，B、压缩式制冷机组，C、离心式制冷机组，D、螺杆式制冷机组，E、吸收式制冷机组，F、蜗旋式机组；优选A、B、C、D。

4.根据权利要求1所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的蒸发器装置至少可以选自下列一种：A、满液式蒸发器，B、干式蒸发器，C、循环式蒸发器，D、淋激式蒸发器，E、冷却空气式蒸发器，F、板式蒸发器；优选A、B、E；所述的载冷剂管道(8)中的载冷剂至少可以选自下列一种：A、水，B、盐水溶液，C、有机化合物，D、空气；优选水、盐水溶液、空气。

5.根据权利要求2所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的热泵中央热水装置(1’)有备用冷凝器装置，所述的冷凝器装置可以选自下列一种：A、冷却塔，B、水冷式冷凝器，C、风冷式冷凝器，D、蒸发式冷凝器，优选风冷式冷凝器。

6.根据权利要求1、2所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的蒸发-冷凝低温热交换装置(2)是制冷机(10)或热泵中央热水装置(1)、(1’)中的蒸发器与来自制流体介质蒸汽进行冷热交换的一个低温装置，所述的该低温装置可以选冷却空气式蒸发器和冷却液体式蒸发器，优选冷却空气式蒸发器；所述的冷却空气式蒸发器被密闭在一个保温隔热的空间体中，气态氨在该空间体中冷凝结液。

7.根据权利要求1、2任何一项中所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的流体介质是至少一种沸点在零下70摄氏度至0摄氏度之间的气体或液体，优选液氨、R22。

8.根据权利要求1、2任何一项中所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的管道(3)是高压密闭管道，管道上设置有压力调节阀(4)、还可以设置水轮机(5)，管道外有隔热保温层；管道(9)可以不要设置保温隔热层，管道(9)上还可以设置风轮机(11)；所述的管道(3)、(9)上还设置了传感器、压力表、流量表以及自动控制装置。

9.根据权利要求1、2任何一项中所述的温差式矿井空调冷热源能量系统，其特征在于，所述的能量系统中，管道(3)内的制冷剂是以液相状态存在；管道(9)中的制冷剂是以气相状态存在。