CN102720531A - 一种适用于矿山避难硐室的制冷除湿系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超临界空气制冷除湿的系统和方法。所述系统包括空气储罐，膨胀机，减压阀，温度传感器，引射器，板式换热器及凝水管，所述空气储罐中存储有常温高压的空气，并输送至膨胀机；所述膨胀机将空气进行等熵膨胀后，经过减压阀节流至较低压力，再输出至引射器；所述引射器对节流减压后的空气和室内回风进行引射混合，使送风速度和温度满足人员要求；所述引射混合后的空气进入板式换热器与室内回风进行换热，使得送风温度达到空调需求，并且使得回风达到露点以下，从而产生凝水，达到除湿效果；所述凝水通过凝水管排到硐室以外。本发明不仅单单应用于避难硐室，在其他无源的密闭空间中都能够达到制冷通风的目的，具有普遍适用性。

Description

一种适用于矿山避难硐室的制冷除湿系统和方法

技术领域

本发明涉及一种超临界空气制冷除湿的系统和方法。

背景技术

2011年8月，蔡玉飞、蒋彦龙等在南京航空航天大学学报中刊登的《开放式二氧化碳制冷性能》论文中，对开放式二氧化碳制冷性能进行了综合分析，如果将其应用于硐室中，虽然能够达到制冷的目的，但是需另外设置空气供给系统，并且需要较大的二氧化碳存储量，管路和储罐也需做好严格的密封工作。当今在硐室制冷中较为普遍的制冷技术是防爆压缩制冷空调系统，这种系统是对普通民用空调系统进行的特殊防爆处理，需要在硐室内存储相应容量的蓄电池，在硐室壁上开孔，而且无法解决室内人员对新空气的要求，冷凝热的排出也比较困难。因此在硐室这种相对密闭的空间中对制冷系统具有以下几点要求：不需电力供应、排热量少、系统结构简单。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种结构简单、安全可靠，适用于矿山避难硐室的制冷除湿系统，以及实现的方法。

发明的技术方案如下：

一种适用于矿山避难硐室的制冷除湿系统，所述系统包括空气储罐，膨胀机，减压阀，温度传感器，引射器，板式换热器及凝水管，其特征在于：

所述空气储罐中存储有常温高压的空气，并输送至膨胀机；

所述膨胀机将空气进行等熵膨胀后，经过减压阀节流至较低压力，再输出至引射器；

所述引射器对节流减压后的空气和室内回风进行引射混合，使送风速度和温度满足人员要求；

所述引射混合后的空气进入板式换热器与室内回风进行换热，使得送风温度达到空调需求，并且使得回风达到露点以下，从而产生凝水，达到除湿效果；

所述凝水通过凝水管排到硐室以外。

进一步的，所述系统还包括进一步包括：温度传感器，所述温度传感器安装在硐室内；温控电磁阀，所述温控电磁阀安装在空气储罐后、膨胀机前，并根据温度传感器检测的硐室内温度控制电磁阀的开闭，实时调控硐室内温度；所述温控电磁阀处设置旁通管路，管路上设置球阀，在温控电磁阀因故障关闭时，通过调节球阀，对硐室内温度进行控制，提高系统的安全可靠性。在储罐后、膨胀机前设置受硐室内温度控制开度的电磁阀，根据硐室内人数及硐室壁传热量实时进行调控，保证室内温度在正常范围之内。同时在电磁阀处设置旁通管路，管路上设置球阀，在电磁阀因故障关闭时，通过调节球阀，对硐室内温度进行控制，提高系统的安全可靠性。

一种利用权利要求1的系统实现矿山避难硐室制冷除湿的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

(1)空气储罐中存储的常温高压空气输送至膨胀机，在膨胀机处实现等熵膨胀、降温，并对外输出机械能；

(2)在减压阀处实现等焓节流，获得低温、低焓空气；

(3)在引射器处将冷空气与回风混合，以便满足人体舒适度要求；

(4)在引射器后设板式换热器使回风结露，起到除湿作用。

本发明的积极效果在于本发明在满足硐室制冷的条件下，通过将冷空气引射混合后直接排入硐室内，同时实现了通风换气的功能。不需电力供应，并且能够为硐室提供部分动力，使设备的功能集成化，为硐室提供舒适的生存环境。该制冷系统不仅单单应用于避难硐室，在其他无源的密闭空间中都能够达到制冷通风的目的，具有普遍适用性。

附图说明

附图1中所示的点为该制冷系统中空气的工作状态点：1点—空气储存状态点，2点—储罐空气等熵膨胀后状态点，3点储罐空气等焓节流后状态点，4点—引射混合后空气状态点，5点—回风状态点，6点—回风经换热器等压冷却后的状态点，7点送风状态点；1—2为等熵膨胀过程，2—3为等焓节流过程，3→4←6为引射混合过程，5—6为等压冷却过程，4—7为等压加热过程。

附图2中表示了系统结构图：6为设备舱，7为人员舱，8为空气储罐，9为温控电磁阀，10为球阀，11膨胀机输出轴，12膨胀机，13减压阀，14温度传感器，15引射器，16板式换热器，17凝水管。

具体实施方式

该制冷系统中空气主要通过以下过程实现制冷和除湿的目的：

(1)等熵膨胀—常温高压存储的空气首先经过膨胀机进行等熵膨胀过程，在这个过程中，空气的内能转换为对外所做的功，温度降低，焓值降低。

空气存储状态点的温度与硐室内温度相同，但是具有较高的压力（临界压力以上）。因为作为存储状态，压力越大，密度越大，同样制冷能力的条件下，所需要的存储体积则较小，能够有效减少空气存储所占用的体积，但是空气压力过高也存在安全隐患。

(2)等焓节流—等熵膨胀后的空气经过减压阀节流至较低压力，略高于硐室内的正常压力，以便后续引射器混合过程的进行。同时温度也下降，使得空气的制冷能力提高。

等焓节流后空气的状态点与等熵膨胀后状态间焓值相同，进行的是等焓过程。该状态点温度越低（偏左），空气的制冷能力越高，所需空气存储量越少，但是温度取得过低，势必会引起管路及设备仪表温度同样较低，各仪表均为金属制品，低温会导致其脆性增加，承受管道压力波动能力下降，极易产生损坏，甚至达不到制冷的目的。与此同时，为了减少冷量损失，保温工作将随之复杂。

(3)引射混合—节流减压后的空气温度较低，用安装在硐室人员舱内的引射器将制冷空气和室内空气进行混合，以便使送风速度和温度满足人员要求。

在该过程中，由于冷空气的温度低于0℃，直接将人员舱内回风引入则会产生冻结现象，导致引射器不能正常工作，使整个系统瘫痪。因此在引射器处设置了回风结露装置，该装置将回风与5℃左右的送风进行换热，由于温度低于回风的露点温度，使其中的水蒸气凝结，而顺着回风管的坡度流入敞口箱中。避免了结冰现象的发生，并且除去了回风中的湿度，因此兼具了除湿的作用。

设硐室的长为L₁，宽为L₂，高为L₃，半圆形和矩形形断面的高度分别为a和b，假设硐室外壁有两层结构构成，分别为：内层硬质聚氯乙烯保温材料厚度为δ₁，导热系数为λ₁；钢筋混凝土结构厚度为δ₂，导热系数为λ₂。并且硐室外壁与岩石接触的温度为岩石的恒定温度T₁，硐室内设计温度为T₂，保温材料与硐室内空气对流换热的换热系数为h。由此计算硐室单位长度（1米）的传热量为：

矩形形单位长度传热量：

$q_1=\frac{T_1-T_2}{\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}+\frac{{\mathrm{\δ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}+\frac{1}{h}}\×(2\×b+L_2)$

半圆形单位长度传热量：

$q_2=\frac{T_1-T_2}{\frac{1}{\mathrm{h\πd}}+\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_1}\ln \frac{a+{\mathrm{\δ}}_1}{a}+\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_2}\ln \frac{a+{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}{a+{\mathrm{\δ}}_1}}$

硐室内设计容纳遇险人员人数为n，人体静坐散热量为q。

硐室单位时间冷负荷为

在本设计中，系统具有普遍适用性，但是需根据所要求的硐室结构进行计算，因此，对一般硐室结构及要求进行了阐述，并由此进行计算和分析。

取深层岩石温度为T₁=16+2/100*H℃，H为井下深度（米）。

在对系统进行设计时，主要有以下要求

1.空气交换率30L/人/min）；

2.应保证24小时的制冷及送气能力。

计算结果如下表

在引射器中，冷空气和回风以5:1的比例进行混合，温度为15℃为宜。

根据计算出的质量流量和要求的换气次数，在满足冷负荷的基础上，室内40名遇险人员所需的空气量为1.2m³/min，而在m的质量流量的送风状态下，室内的空气补给量为2.9m³/min。由此可知，采用空气作为硐室制冷剂，在满足室内温度的前提下，完全能够满足室内人员对新风的需求，省去了空气补给系统，简化了总体结构。

经过计算后，根据各管段的压力状况选择仪表设备。按照结构图，在已经建好的硐室中进行安装工作，遵循空气制冷的工作过程：

(1)在膨胀机处实现等熵膨胀，对外输出机械能；

(2)在减压阀处实现等焓节流，获得低温、低焓空气；

(3)在引射器处将冷空气与回风混合，以便满足人体舒适度要求；

(4)在引射器换热结露装置中使回风结露，降低硐室湿度。

安装过程中，有以下注意事项：

(1)储罐按排布置在设备舱的四周，以便进行巡检和维修。

(2)对储罐、管路、仪表等做好充分的保温工作，减少制冷量的损失。

(3)引射器安装处采用定制的换热结露装置，凝水通过凝水管排到硐室以外。

Claims (3)

1.一种适用于矿山避难硐室的制冷除湿系统，所述系统包括空气储罐，膨胀机，减压阀，温度传感器，引射器，板式换热器及凝水管，其特征在于：

所述空气储罐中存储有常温高压的空气，并输送至膨胀机；

所述膨胀机将空气进行等熵膨胀后，经过减压阀节流至较低压力，再输出至引射器；

所述引射器对节流减压后的空气和室内回风进行引射混合，使送风速度和温度满足人员要求；

所述引射混合后的空气进入板式换热器与室内回风进行换热，使得送风温度达到空调需求，并且使得回风达到露点以下，从而产生凝水，达到除湿效果；

所述凝水通过凝水管排到硐室以外。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还进一步包括：

温度传感器，所述温度传感器安装在硐室内；

温控电磁阀，所述温控电磁阀安装在空气储罐后、膨胀机前，并根据温度传感器检测的硐室内温度控制电磁阀的开闭，实时调控硐室内温度；

所述温控电磁阀处设置旁通管路，管路上设置球阀，在温控电磁阀因故障关闭时，通过调节球阀，对硐室内温度进行控制，提高系统的安全可靠性。

3. 一种利用权利要求1的系统实现矿山避难硐室制冷除湿的方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

(1) 空气储罐中存储的常温高压空气输送至膨胀机，在膨胀机处实现等熵膨胀、降温，并对外输出机械能；

(2)在减压阀处实现等焓节流，获得低温、低焓空气；

(3)在引射器处将冷空气与回风混合，以便满足人体舒适度要求；

(4)在引射器后设板式换热器使回风结露，起到除湿作用。

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