CN110410130B - 一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，包括入口处压缩空气处理模块、涡流管制冷模块和出口排气处理模块；入口处压缩空气处理模块包含过滤器和减压阀；涡流管制冷模块包括涡流室，涡流室内的涡流管一端连接冷端管，另一端连接热端管，热端管的出口管道上安装温度控制阀和消音器；冷端管的另一端与空调房内冷气管连接；出口排气处理模块包括气水分离装置、气体收集装置、回收利用装置和排空装置。本发明采用压缩空气驱动的涡流管制冷可克服传统制冷方式的缺点，具有制冷系统简单，应用灵活，输冷管道少，承压小，对管道材质要求低，降温效果好，对井下环境没有污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及矿井制冷技术领域，具体为一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法。
背景技术
我国煤矿开采深度正以每年8-12m的速度增加，中东部矿区以每年10-25m的速度进入深部开采，随着开采深度的增加，地温不断上升，导致井下采掘工作面气温上升。有些千米矿井的岩石温度已超过40℃，甚至达到50℃，地温高并伴有热水涌出，采掘工作面气温均超过30℃，部分采掘工作面气温达35℃以上，空气质量较差。此外矿井下的特殊环境条件，使供电线路和电气设备易受损坏，可能造成人身触电和电火花引起的火灾、爆炸等严重事故。因此矿井中的作业环境恶劣，为了缓解高温作业人员的热伤害，保护矿井工作人员的身体健康和劳动安全，有必要采取切实可行的技术措施加以防治。
目前，矿井制冷技术包括以下几种：地面集中式、井下集中式、井上井下联合式、井下局部分散式、人工制冰降温等。但都存在缺点，地面集中式需要采用高低压转换装置处理高压水，设备耗能高；井下集中式要求必须在井下开凿大断面机电硐室并且安全性能差；井上井下联合式系统复杂，不利于调节；井下局部分散式制冷设备分散，不易于管理，安全性能差；人工制冰降温的方式输冰和融冰比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，采用压缩空气驱动的涡流管制冷可克服上述制冷方式的缺点，具有制冷系统简单，应用灵活，输冷管道少，承压小，对管道材质要求低，降温效果好；制冷无需电力驱动，解决了煤矿井下设备的防爆问题；空气既是制冷剂又是载冷剂，对井下环境没有污染，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调，包括入口处压缩空气处理模块、涡流管制冷模块和出口排气处理模块；
其中，入口处压缩空气处理模块包含过滤器和减压阀，减压阀安装在过滤器的出口管道上；
涡流管制冷模块包括涡流室，涡流室的入口端与减压阀的出口管道连通，在涡流室内的涡流管一端连接冷端管，另一端连接热端管，热端管的出口管道上安装温度控制阀和消音器；所述冷端管的另一端与空调房内冷气管连接，冷端气流通过冷气管喷洒进入空调房内并进行热量交换；
出口排气处理模块包括气水分离装置、气体收集装置、回收利用装置和排空装置，气水分离装置的入口端分别通过管道与空调房的气相出口、液相出口连接，气水分离装置的出口端与热端管连接，在热端管的出口端还连通气体收集装置，气体收集装置的出口端分别与排空装置、回收利用装置连接，回收利用装置的气体出口端通过管道连接至过滤器的入口端。
更进一步地，所述空调房的底部安装便于移动的履带。
更进一步地，所述气相出口设置在空调房的顶部，液相出口设置在空调房的底部。
本发明提供另一种技术方案：一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调的制冷方法，包括以下步骤：
步骤1)：将煤矿井内压缩空气通入过滤器，除去压缩空气带有的颗粒物、水分杂质，并通过导气管进入减压阀，将压力降低到涡流室工作的最佳匹配压力；
步骤2)：将减压后的高压气体在喷嘴内膨胀加速，然后沿切线方向以自由涡流形式进入涡流室，在涡流室内高速旋转产生强旋湍流流动，从而产生能量分离效应，最终分离成中心部位的冷气流和外层部位的热气流，再通过温度控制阀调节冷热气流的比例，得到不同的制冷效果；
步骤3)：冷气流通过冷气管喷洒在空调房内排出，并与空调房内气体进行热量交换，换热后的气体通过空调房顶部的气相出口排出，冷凝水从空调房底部的液相出口排出；
步骤4)：空调房内排出的废气和冷凝水通过气水分离装置，除去废气中的水蒸气，再将废气与涡流室中的热端管气流混合，降低热端管气流温度；
步骤5)：由热端管外部连接的气体收集装置、回收利用装置和排空装置对排气口排出的干燥空气进行收集、再压缩、回收利用；
步骤6)：根据使用需求，通过履带在煤矿巷道内自由移动，履带的传动方式采用液压传动。
更进一步地，步骤2)中温度控制阀的温度控制范围为25℃-27℃，并可手动进行温度调节，进而改变冷热流的比例。
更进一步地，涡流室内的涡流管的进口端设置有喷嘴，喷嘴与减压阀的出口管道连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，仅用压缩空气驱动，非电气设备，纯机械结构，防止因用电而引起的瓦斯爆炸等灾害。
2、本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，采用现成的压缩空气作为工作工质，不会产生温室气体，且装置内部无化学物质，真正做到低能耗、环境友好型煤矿深井制冷。
3、本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，工作条件简单，接入气源便可工作，制冷柜运行可靠，免维护，使用成本很低。
4、本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，可手动设置空调室内温度，一个球阀调节压缩空气流量即可调节由环境温度制冷到设定温度。
5、本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，涡流室制冷结构简单，尺寸小，便于现场安装与拆卸，适用于深井煤矿，为井下工作人员提供舒适的休息环境。
6、本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，在箱体底部安装履带，使空调装置可随着采煤面的移动而移动，解决了传统制冷方式不宜移动的缺点，从真正意义上实现了采煤面的局部制冷。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图。
图中：1过滤器、2减压阀、3涡流室、4热端管、5冷端管、6冷气管、7空调房、8气相出口、9液相出口、10气水分离装置、11温度控制阀、12消音器、13气体收集装置、14回收利用装置、15排空装置、16履带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中：提供一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调，包括入口处压缩空气处理模块、涡流管制冷模块和出口排气处理模块；
其中，入口处压缩空气处理模块包含过滤器1和减压阀2，减压阀2安装在过滤器1的出口管道上；
涡流管制冷模块包括涡流室3，涡流室3的入口端与减压阀2的出口管道连通，在涡流室3内的涡流管一端连接冷端管5，另一端连接热端管4，热端管4的出口管道上安装温度控制阀11和消音器12；所述冷端管5的另一端与空调房内冷气管6连接，冷端气流通过冷气管6喷洒进入空调房7内并进行热量交换；
出口排气处理模块包括气水分离装置10、气体收集装置13、回收利用装置14和排空装置15，气水分离装置10的入口端分别通过管道与空调房7的气相出口8、液相出口9连接，气水分离装置10的出口端与热端管4连接，在热端管4的出口端还连通气体收集装置13，气体收集装置13的出口端分别与排空装置15、回收利用装置14连接，回收利用装置14的气体出口端通过管道连接至过滤器1的入口端。
在上述实施例中，空调房7的底部安装便于移动的履带16，以便于随着采煤面的移动而移动。
在上述实施例中，气相出口8设置在空调房7的顶部，液相出口9设置在空调房7的底部，便于空调房7内气液分离。
为了进一步更好的解释说明上述发明，还提供一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调的制冷方法，包括以下步骤：
步骤一：将煤矿井内压缩空气通入过滤器1，除去压缩空气带有的颗粒物、水分杂质，并通过导气管进入减压阀2，将压力降低到涡流室3工作的最佳匹配压力；
步骤二：将减压后的高压气体在喷嘴内膨胀加速，然后沿切线方向以自由涡流形式进入涡流室3，在涡流室3内高速旋转产生强旋湍流流动，从而产生能量分离效应，最终分离成中心部位的冷气流和外层部位的热气流，再通过温度控制阀11调节冷热气流的比例，得到不同的制冷效果；
步骤三：冷气流通过冷气管6喷洒在空调房7内排出，并与空调房7内气体进行热量交换，换热后的气体通过空调房7顶部的气相出口8排出，冷凝水从空调房7底部的液相出口9排出；
步骤四：空调房7内排出的废气和冷凝水通过气水分离装置10，除去废气中的水蒸气，再将废气与涡流室3中的热端管4气流混合，降低热端管4气流温度；
步骤五：由热端管4外部连接的气体收集装置13、回收利用装置14和排空装置15将换热后的冷端气与涡流管热端气流混合，降低热端气流温度，减小排气口噪音，将排气口排出的干燥空气进行收集，与新的压缩空气混合，进行下一次制冷，形成循环过程；
步骤六：根据使用需求，通过履带16在煤矿巷道内自由移动，履带16的传动方式采用液压传动。
在上述实施例中，步骤二中温度控制阀11的温度控制范围为25℃-27℃，并可手动进行温度调节，进而改变冷热流的比例。
在上述实施例中，涡流室3内的涡流管的进口端设置有喷嘴，喷嘴与减压阀2的出口管道连通。
在上述实施例中，涡流室3入口处的压缩空气具有取用方便，成本低廉，压缩性好、无自燃性、洁净无污染、无需考虑回收等诸多优点，它不但可作为制冷驱动力，而且还能稀释井下有毒有害气体；为保证压缩空气的质量，首先需要将压缩空气通入过滤器1除去不溶性杂质和水分，当压缩空气压力过高还需要通过减压阀2进行减压操作，以便与涡流管入口处所需压力相适应。
在上述实施例中，涡流室3内的涡流管由喷嘴、冷端管5、热端管4、温度控制阀11以及消音器12组成，结构简单、小巧；涡流室3外壳和空调房7外壳由304不锈钢真空保温材质，耐腐蚀、易清洁；本套涡流管制冷系统底部安装履带16，以便于随着采煤面的移动而移动；只要通入气源，涡流管就能工作，因此能适应深井煤矿的恶劣环境。
工作原理：本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，采用涡流管气动制冷方法，实现了安全高效绿色制冷，相对传统的深井降温系统，采用压缩空气在涡流室3内高速旋转而产生能量分离效应，最后形成冷热气流的方法，依靠压缩气体作为驱动力，避免因传统深井降温系统使用电力而引起瓦斯爆炸的灾害；相对传统的氟利昂制冷系统，本发明采用矿井下现成的压缩空气实现制冷，不会产生温室影响环境，是一种绿色无污染且成本低的制冷方式；相对传统的地面制冷系统，本发明一方面结构简单，尺寸较小，底部安装履带16，方便移动，另一方面本发明安装温度控制阀11，通过调节温度控制阀11的开度，进而改变冷热流的比例，温度控制范围为25℃-27℃，可手动进行温度调节。
综上所述：本发明提供的一种小型防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调及制冷方法，为了克服现有矿井制冷技术的缺陷和不足，为矿井工作人员提供舒适的休息环境，本发明利用矿井下现有的压缩空气作为工作工质，通过过滤器1过滤后进入涡流室3中的涡流管高速旋转，产生强旋湍流流动，从而产生能量分离效应，最终分离成中心部分的冷气流和外缘部分的热气流，将冷气流应用于制冷场合的空调房7中，其利用的压缩空气，具有来源方便、可压缩性好、无污染、无自燃等特点，能提高制冷效率，降低制冷系统成本；其次，涡流室3中的气动涡流管采用压缩空气高速旋转产生能量分离的原理来制冷，保障了矿井安全，避免因使用电力而引起瓦斯煤矿爆炸等煤矿灾害；另外，采用压缩空气而不是电作为制冷动力来源，对压缩空气压力要求低，0.3MPa及以上即可，整个空调装置的温度可以在25℃～27℃范围内调节，易拆卸，安装方便，结构简单、紧凑，能在矿井巷道内自由移动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调的制冷方法，所述防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调包括入口处压缩空气处理模块、涡流管制冷模块和出口排气处理模块；
其中，入口处压缩空气处理模块包含过滤器(1)和减压阀(2)，减压阀(2)安装在过滤器(1)的出口管道上；
涡流管制冷模块包括涡流室(3)，涡流室(3)的入口端与减压阀(2)的出口管道连通，在涡流室(3)内的涡流管一端连接冷端管(5)，另一端连接热端管(4)，热端管(4)的出口管道上安装温度控制阀(11)和消音器(12)；所述冷端管(5)的另一端与空调房内冷气管(6)连接，冷端气流通过冷气管(6)喷洒进入空调房(7)内并进行热量交换；
出口排气处理模块包括气水分离装置(10)、气体收集装置(13)、回收利用装置(14)和排空装置(15)，气水分离装置(10)的入口端分别通过管道与空调房(7)的气相出口(8)、液相出口(9)连接，气水分离装置(10)的出口端与热端管(4)连接，在热端管(4)的出口端还连通气体收集装置(13)，气体收集装置(13)的出口端分别与排空装置(15)、回收利用装置(14)连接，回收利用装置(14)的气体出口端通过管道连接至过滤器(1)的入口端；
其特征在于，所述制冷方法包括以下步骤：
步骤1)：将煤矿井内压缩空气通入过滤器(1)，除去压缩空气带有的颗粒物、水分杂质，并通过导气管进入减压阀(2)，将压力降低到涡流室(3)工作的最佳匹配压力；
步骤2)：将减压后的高压气体在喷嘴内膨胀加速，然后沿切线方向以自由涡流形式进入涡流室(3)，在涡流室(3)内高速旋转产生强旋湍流流动，从而产生能量分离效应，最终分离成中心部位的冷气流和外层部位的热气流，再通过温度控制阀(11)调节冷热气流的比例，得到不同的制冷效果；
步骤3)：冷气流通过冷气管(6)喷洒在空调房(7)内排出，并与空调房(7)内气体进行热量交换，换热后的气体通过空调房(7)顶部的气相出口(8)排出，冷凝水从空调房(7)底部的液相出口(9)排出；
步骤4)：空调房(7)内排出的废气和冷凝水通过气水分离装置(10)，除去废气中的水蒸气，再将废气与涡流室(3)中的热端管(4)气流混合，降低热端管(4)气流温度；
步骤5)：由热端管(4)外部连接的气体收集装置(13)、回收利用装置(14)和排空装置(15)对排气口排出的干燥空气进行收集、再压缩、回收利用；
步骤6)：根据使用需求，通过履带(16)在煤矿巷道内自由移动，履带(16)的传动方式采用液压传动。
2.如权利要求1所述的防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调的制冷方法，其特征在于，步骤2)中温度控制阀(11)的温度控制范围为25℃-27℃，并可手动进行温度调节，进而改变冷热流的比例。
3.如权利要求1所述的防爆压缩空气驱动的煤矿井下空调的制冷方法，其特征在于，涡流室(3)内的涡流管的进口端设置有喷嘴，喷嘴与减压阀(2)的出口管道连通。
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