CN109026120A - 一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，包括控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；控制单元包括中央控制器、预处理控制器、除湿控制器、温控器和喷水控制器；空气预处理单元用于对外部空气进行预处理。空气降温除湿单元，用于对空气预处理单元输出的空气进行降温除湿。巷道控温单元，用于对掘进巷道壁面进行加热和温度控制。空气工况测控单元用于检测掘进巷道内的温湿度和风速。喷雾加湿单元，用于对掘进巷道内的空气进行加湿。本发明的沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，具有能够在分别在夏季和冬季对掘进巷道的夏季工况进行模拟、模拟效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟实验平台，尤其是一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台。
背景技术
环境模拟，是应用系统分析原理，建立环境系统的理论或实体模型，在人为控制条件下通过改变特定的参数来观察模型的响应，预测实际系统的行为和特点。环境模拟试验，将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用，以评价产品在实际使用，运输和贮存的环境条件下的性能，并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。进行环境实验的前提是，建立起一个模拟真实环境的平台，对真实环境的体系进行仿真模拟，获得一个与真实环境完全相同或者基本接近的仿真环境。
随着矿井开采深度的逐步增加，综采工作面围岩散热及散湿愈来愈大，使得矿井内综采工作面的高温高湿的问题越来越严重。尤其是深度超过500米的深井中，存在着围岩壁、物料、机具设备等各种复杂的热源放热、热交换和热扩散过程，使得深井中的空气环境发生很大的变化，温度场也在不断的变化，使深井的热湿环境存在不稳定的特点。
申请号为201521105837.9的中国实用新型公开了一种矿井综采工作面热湿环境模拟实验装置，包括模型主体、热源模拟装置、湿源模拟装置、空气处理装置及数据采集系统。热源及湿源模拟装置设置在模型主体内部，模拟主体入口通过变径管连接空气处理设备，模型主体内等间隔的设有环境测试点，由数据采集系统采集各环境测试点的风速、温度及湿度。通过测定模拟综采工作面内的相关数据，可完成在不同通风及降温方式下，综采工作面内风流速度、温度及湿度的分布规律以及获取风流对流传热及传湿的准则关联式。但是，该实验装置，结构比较简单，模拟方式单一，不能实现夏季或冬季环境的不同工况模拟。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，以降低施工工程量、降低成本并提高环保性能。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其结构特点是，包括控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；
所述控制单元包括中央控制器、预处理控制器、除湿控制器、温控器和喷水控制器，用于控制空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；
所述空气预处理单元，用于对外部空气进行预处理，并输出达到预设目标温度的空气；
所述空气降温除湿单元，包括冷凝器、压缩机和抽汽泵，用于对空气预处理单元输出的空气进行降温除湿，使得输出至局部风机的空气的温湿度达到掘进巷道的送风含湿量；
所述巷道控温单元，用于对掘进巷道壁面进行加热和温度控制，使得掘进巷道壁面的温度达到稳定的预设温度值；
所述空气工况测控单元，用于检测掘进巷道内的温湿度和风速并发送给控制单元；
所述喷雾加湿单元，用于对掘进巷道内的空气进行加湿，使得空气的湿度达到预设的湿度。
本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的结构特点也在于：
所述空气预处理单元包括第一冷水机组、第一循环泵、第一阀门、第二阀门、第一换热器、第二循环泵、第三阀门、第四阀门、冷却塔、空调箱、过滤器、预热器、喷水室、加热器、局部风机、第一风门、第二风门和混合室。
所述空气降温除湿单元包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器、压缩机、第三循环泵、换热器、第四循环泵和抽汽泵。
所述巷道控温单元包括调功器、巷道加热管和壁面热电偶；掘进巷道包括钢板、岩棉层和彩钢板。
所述岩棉层设置于钢板和彩钢板之间；所述巷道加热管和壁面热电偶均贴在钢板与岩棉层的接触面上。
所述空气工况测控单元包括温湿度传感器、风速传感器和数据采集器；所述温湿度传感器、风速传感器均与所述数据采集器相连接，数据采集器与台式电脑相连接，并将测得的温湿度数值、风速数值发送给台式电脑。
所述喷雾加湿单元包括喷头组、增压泵、储水罐和流量计。
所述储水罐内的水为净化水。
所述喷头组包括顶板喷头组、底板喷头组和风流加湿喷头组。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明公开了一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，包括控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；控制单元包括中央控制器、预处理控制器、除湿控制器、温控器和喷水控制器；空气预处理单元用于对外部空气进行预处理。空气降温除湿单元，用于对空气预处理单元输出的空气进行降温除湿。巷道控温单元，用于对掘进巷道壁面进行加热和温度控制。空气工况测控单元用于检测掘进巷道内的温湿度和风速。喷雾加湿单元，用于对掘进巷道内的空气进行加湿。冷凝器中，利用抽汽泵进行水侧抽真空，降低水的沸点至冷凝温度一下，利用制冷剂的冷凝实现水的沸腾，将冷凝热以水蒸气的形式排走，进入换热器冷凝、产生热水。本专利同样将室外新风进行温度、湿度处理，使其指标达到掘进巷道的送风温度和湿度。
本发明的沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，具有能够在分别在夏季和冬季对掘进巷道的夏季工况进行模拟、模拟效果好等优点。
附图说明
图1为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的流程图。
图2为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的掘进巷道内温湿度及风速测量、喷水工艺的示意图。
图3为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的巷道控温单元的结构示意图(主视图)。
图4为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的巷道控温单元的结构示意图(断面图)。
图5为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的巷道内顶板加湿与底板加湿喷头组布置的示意图。
图6为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的巷道内风流加湿喷头组布置的示意图。
图7为本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台的温湿度、风速传感器横截面布置的示意图。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1-图7，本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，包括控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；
所述控制单元包括中央控制器、预处理控制器、除湿控制器、温控器和喷水控制器，用于控制空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；
所述空气预处理单元，用于对外部空气进行预处理，并输出达到预设目标温度的空气；
所述空气降温除湿单元，包括冷凝器、压缩机和抽汽泵，用于对空气预处理单元输出的空气进行降温除湿，使得输出至局部风机的空气的温湿度达到掘进巷道的送风含湿量；
所述巷道控温单元，用于对掘进巷道壁面进行加热和温度控制，使得掘进巷道壁面的温度达到稳定的预设温度值；
所述空气工况测控单元，用于检测掘进巷道内的温湿度和风速并发送给控制单元；
所述喷雾加湿单元，用于对掘进巷道内的空气进行加湿，使得空气的湿度达到预设的湿度。
本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，通过控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元，在模拟的掘进巷道内，对空气的温度和湿度进行调整，以模拟真实的工作环境温湿度。另外，通过控制单元能够在夏季和冬季时均能实现夏季工况的模拟。实验证明，本发明的矿井热湿环境模拟实验平台，能够在分别在夏季和冬季，对掘进巷道的夏季工况进行模拟，模拟效果好。
所述空气预处理单元包括第一冷水机组、第一循环泵、第一阀门、第二阀门、第一换热器、第二循环泵、第三阀门、第四阀门、冷却塔、空调箱、过滤器、预热器、喷水室、加热器、局部风机、第一风门、第二风门和混合室。本发明的空气预处理单元的各个部件/组件的连接关系如图1所示。
所述空气降温除湿单元包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器、压缩机、第三循环泵、换热器、第四循环泵和抽汽泵。本发明的空气降温除湿单元的各个部件/组件的连接关系如图1所示。
所述巷道控温单元包括调功器、巷道加热管和壁面热电偶；掘进巷道包括钢板、岩棉层和彩钢板。
所述岩棉层设置于钢板和彩钢板之间；所述巷道加热管和壁面热电偶均贴在钢板与岩棉层的接触面上。本发明的巷道控温单元的各个部件/组件的连接关系如图1、图3和图4所示。
所述空气工况测控单元包括温湿度传感器、风速传感器和数据采集器；所述温湿度传感器、风速传感器均与所述数据采集器相连接，数据采集器与台式电脑相连接，并将测得的温湿度数值、风速数值发送给台式电脑。如图2和图7，数据采集器703采集温湿度传感器701传递的风流温湿度数据、风速传感器702传递的风速数据，存入台式电脑，为后续实验分析积累数据。
所述喷雾加湿单元包括喷头组、增压泵、储水罐和流量计。如图2、图5和图6所示，喷水控制器从中央控制器600接收喷水数据，启动增压泵802，从储水罐803中抽取净化水，加压后经流量计804送入喷头组801。喷水控制器通过检测流量计804、压力传感器805信号，与接收的喷水压力和流量进行对比，通过不断调节增压泵802的输入交流电频率，直至增压泵的泵水流量和压力达到设定值。
所述储水罐内的水为净化水。
所述喷头组包括顶板喷头组、底板喷头组和风流加湿喷头组。顶板喷头组、底板喷头组和风流加湿喷头组的分布如图5-图6所示。
本发明的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，包括控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元，用于将室外新风进行温度、湿度处理，使其指标达到掘进巷道503的送风温度和湿度。本发明中，冷凝器201中，利用抽汽泵208进行水侧抽真空，降低水的沸点至冷凝温度一下，利用制冷剂的冷凝实现水的沸腾，将冷凝热以水蒸气的形式排走，进入换热器206冷凝、产生热水。本专利同样将室外新风进行温度、湿度处理，使其指标达到掘进巷道503的送风温度和湿度。
本发明的一种矿井热湿环境模拟实验平台，有以下两种工作模式：夏季模式和冬季模式。夏季模式用于在夏季模拟巷道内的夏季工况，而冬季模式则用于在冬季模拟巷道内的夏季工况。
夏季模式中，室外新风温度较高、湿度较大，无需再对室外进行在预热器113中进行加热，即阀门103、108、202、204关闭，阀门104、107、203、205开启，第一风门117开启、第二风门118关闭。在过滤器112中对空气进行过滤，经过预热器113(不预热)和混合室119(无一次循环风进入)进入喷水室114，空气被喷冷水降温除湿，然后风流进入加热器115中被加热，将空气工况调节至矿井大巷风流工况。
夏季模式中空气预处理单元工作流程：中央控制器600向预处理控制器100发送局部风机116启动、第一冷水机组启动、以及监测空调箱111及风筒中各处的空气温湿度信号。预处理控制器100向第一冷水机组101、第一循环泵102、第二循环泵106、局部风机116、第一冷却塔109发送启动信号，向第四阀门108、第二风门118发送关闭信号，向第二阀门104、第三阀门107、第一风门117发送开启信号；在局部风机116确定风流量下，预处理控制器100不断向第一阀门103发送信号，调节喷水室113中的喷水量，直至喷水室113出口空气含湿量达到大巷要求的空气含湿量标准；作用后的冷水汇流后，重新进入冷水机组。预处理控制器100不断向第五阀门110发送信号，调节通过加热器115的热水流量，直至加热器115出口空气温度达到大巷要求的空气温度标准，作用后的热水进入第一冷却塔109被进一步冷却，然后重新进入冷水机组。
夏季模式中空气降温除湿单元工作流程：为使大巷空气达到更低送风温度和含湿量，除湿控制器200接收中央控制器600发送的信号，开启制冷压缩机204，启动第三循环泵205，关闭第四循环泵207、阀门208，除湿控制器200通过不断调节制冷压缩机204的交流电输入频率，调节输送到蒸发器203的制冷剂温度和流量，通过蒸发器203对空气进一步降温除湿，直至进入局部风机116的风流含湿量达到掘进巷道503的送风含湿量。
除湿控制器200向补水阀定期发送信号，向冷凝器201中补充水，补充的水在冷凝器内高温制冷剂冷凝热的作用下沸腾。同时，第三循环泵205在除湿控制器200的控制下，持续从冷凝器水侧抽出水蒸汽，使高温气体制冷剂不断在冷凝器201的管内冷凝。经第三循环泵205抽出的水蒸气经换热器205排放到室外。
为了实现制冷的目的，在冷凝器201中冷凝器的液态制冷剂经膨胀阀201节流后变为低温低压制冷剂(汽液两相流态)，进入蒸发器203蒸发，产生低温冷量，将空气进一步降温除湿，蒸发成汽态的制冷剂进一步被压缩机加压，送入冷凝201，继续下一制冷循环。
夏季模式中巷道控温单元工作流程：根据模拟的巷道壁面温度需要，中央控制器600向温控器500发送壁面预设温度信号，温控器500通过壁面热电偶504检测掘进巷道503的内壁面温度，根据该温度信号向调功器501发送调功信号，不断调节巷道加热器502的加热功率，通过多个循环调节，直至壁面热电偶检测到的巷道壁面温度稳定，并达到中央控制器600向温控器500发送的预设壁面温度信号。
夏季模式中空气工况测控单元工作流程：在掘进巷道503垂直风流方向的平面中布置温湿度传感器701、风速传感器702，数据采集器703采集温湿度传感器701传递的风流温湿度数据、风速传感器702传递的风速数据，转换成温湿度和风速信号后存入台式电脑，为后续实验分析积累数据。
夏季模式中喷雾加湿单元工作流程：喷水控制器从中央控制器600接收喷水数据，启动增压泵802，从储水罐803中抽取净化水，加压后经流量计804送入喷头组801。喷水控制器通过检测流量计804、压力传感器805信号，与接收的喷水压力和流量进行对比，通过不断调节增压泵802的输入交流电频率，直至增压泵的泵水流量和压力达到设定值。
在冬季模式中，室外新风温度较低、湿度较低，需对室外空气进行预热，然后利用一次循环风对空气湿度进行调节。室外新风经过滤器112后在预热器113中进行预热，即阀门104、108关闭，阀门103、107开启，第一风门117、第二风门118开启。在过滤器112中对空气进行过滤，经过预热器113预热，进入混合室与巷道回风(一次循环风)混合，室外新风被一次循环风加湿，经喷水室114(不喷水)，风流进入加热器115中被加热，将空气工况调节至矿井大巷风流工况。
冬季模式中空气预处理单元工作流程：中央控制器600向预处理控制器100发送局部风机116启动、第一冷水机组101启动、以及检测空调箱111及风筒中各处的空气温湿度信号。预处理控制器100向第一冷水机组101、第一循环泵102、第二循环泵106、局部风机116、第一冷却塔109发送启动信号，向第二阀门104、第四阀门108发送关闭信号，向第一风门117、第二风门118、第二阀门103、第三阀门107发送开启信号；在局部风机116确定风流量下，预处理控制器100不断向第二风门117、第二风门118发送信号，调节进入混合室119的一次循环风流量，直至混合室119出口空气含湿量达到大巷要求的空气含湿量标准；预处理控制器100不断向第五阀门110发送信号，调节通过加热器115的热水流量，直至加热器115出口空气温度达到大巷要求的空气温度标准，作用后的热水进入第一冷却塔109被进一步冷却，然后重新进入冷水机组。
冬季模式中空气降温除湿单元工作流程：为使大巷空气达到更低送风温度和含湿量，除湿控制器200接收中央控制器600发送的信号，开启制冷压缩机204，启动循环泵205、207，除湿控制器200通过不断调节制冷压缩机204、第三循环泵205和第四循环泵207的输入交流电频率，调节输送到蒸发器203的制冷剂流量和温度，通过蒸发器203对空气进一步降温除湿，直至进入局部风机116的风流含湿量达到掘进巷道503的送风含湿量。
抽汽泵205从冷凝器201中抽取的水蒸气进入换热器206，与通过第四循环泵的热水进行换热，将热量传递给热水，热水在第四循环泵的驱动下进入预热器113对空气进行预热。
冬季模式中巷道控温单元工作流程：根据模拟的巷道壁面温度需要，中央控制器600向温控器500发送壁面预设温度信号，温控器500通过壁面热电偶504检测掘进巷道503的内壁面温度，根据该温度信号向调功器501发送调功信号，不断调节巷道加热器502的加热功率，通过多个循环调节，直至壁面热电偶检测到的巷道壁面温度稳定，并达到中央控制器600向温控器500发送的预设壁面温度信号。
冬季模式中空气工况测控单元工作流程：在掘进巷道503垂直风流方向的平面中布置温湿度传感器701、风速传感器702，数据采集器703采集温湿度传感器701传递的风流温湿度数据、风速传感器702传递的风速数据，转换成温湿度和风速信号后存入台式电脑，为后续实验分析积累数据。
冬季模式中喷雾加湿单元工作流程：根据加湿工况需要，喷水控制器从中央控制器，启动增压泵802，从储水罐803中抽取净化水，加压后经流量计804送入喷头组801。喷水控制器通过检测流量计804、压力传感器805信号，与接收的喷水压力和流量进行对比，通过不断调节增压泵802的输入交流电频率，直至增压泵的泵水流量和压力达到设定值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，包括控制单元、空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；
所述控制单元包括中央控制器、预处理控制器、除湿控制器、温控器和喷水控制器，用于控制空气预处理单元、空气降温除湿单元、巷道控温单元、空气工况测控单元和喷雾加湿单元；
所述空气预处理单元，用于对外部空气进行预处理，并输出达到预设目标温度的空气；
所述空气降温除湿单元，包括冷凝器、压缩机和抽汽泵，用于对空气预处理单元输出的空气进行降温除湿，使得输出至局部风机的空气的温湿度达到掘进巷道的送风含湿量；
所述巷道控温单元，用于对掘进巷道壁面进行加热和温度控制，使得掘进巷道壁面的温度达到稳定的预设温度值；
所述空气工况测控单元，用于检测掘进巷道内的温湿度和风速并发送给控制单元；
所述喷雾加湿单元，用于对掘进巷道内的空气进行加湿，使得空气的湿度达到预设的湿度。
2.根据权利要求1所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述空气预处理单元包括第一冷水机组、第一循环泵、第一阀门、第二阀门、第一换热器、第二循环泵、第三阀门、第四阀门、冷却塔、空调箱、过滤器、预热器、喷水室、加热器、局部风机、第一风门、第二风门和混合室。
3.根据权利要求1所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述空气降温除湿单元包括冷凝器、膨胀阀、蒸发器、压缩机、第三循环泵、换热器、第四循环泵和抽汽泵。
4.根据权利要求1所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述巷道控温单元包括调功器、巷道加热管和壁面热电偶；掘进巷道包括钢板、岩棉层和彩钢板。
5.根据权利要求1所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述岩棉层设置于钢板和彩钢板之间；所述巷道加热管和壁面热电偶均贴在钢板与岩棉层的接触面上。
6.根据权利要求1所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述空气工况测控单元包括温湿度传感器、风速传感器和数据采集器；所述温湿度传感器、风速传感器均与所述数据采集器相连接，数据采集器与台式电脑相连接，并将测得的温湿度数值、风速数值发送给台式电脑。
7.根据权利要求1所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述喷雾加湿单元包括喷头组、增压泵、储水罐和流量计。
8.根据权利要求7所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述储水罐内的水为净化水。
9.根据权利要求7所述的一种沸腾冷凝式矿井热湿环境模拟实验平台，其特征是，所述喷头组包括顶板喷头组、底板喷头组和风流加湿喷头组。
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