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

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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 = T 1 - T 2 δ 1 λ 1 + δ 2 λ 2 + 1 h × ( 2 × b + L 2 )
半圆形单位长度传热量:
q 2 = T 1 - T 2 1 hπd + 1 2 π λ 1 ln a + δ 1 a + 1 2 π λ 2 ln a + δ 1 + δ 2 a + 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)。
Figure BDA00001840027700044
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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