CN207554105U - 一种适用于矿井救生舱的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，包括汇流管及若干个二氧化碳高压气瓶，每个二氧化碳高压气瓶的出口均设有连接管，连接管均与汇流管相连，每个连接管上均设有截止阀，汇流管还依次连接有节流阀、换热器、膨胀机及气动风机，气动风机上设有风道，风道位于气动风机的出风口与换热器的迎风面之间，膨胀机与气动风机连接的管道上还设有流量计及旁通管，旁通管上还设有球阀，膨胀机的外部转轴连接有齿轮箱，齿轮箱还依次连接有液力变矩器及发电机。本实用新型使用的膨胀机能够输出机械功，再将机械功转化为电能用以应急供电，能够充分利用高温高压二氧化碳的过热蒸汽的能量。

Description

一种适用于矿井救生舱的制冷系统

技术领域

本实用新型属于制冷系统设备技术领域，具体涉及一种适用于矿井救生舱的制冷系统。

背景技术

我国年均能源需求量和能源消耗量巨大，其中煤炭资源占能源消费总量的比重达70.1％，其中90％的煤炭出自地下开采，地下作业有许多不安全的自然因素，如水、火、瓦斯、矿尘和冒顶等。煤炭量的高需求也使得煤矿事故频发，有数据显示，我国每年约有6000余人死于煤矿事故，超过全国安全事故死亡人数的三分之一。

目前世界主要产煤国已建立相对完善的标准来规范矿井用救生舱的生产与使用，目前也有部分设备厂及科研院所对矿井用救生舱及相关产品进行研发，矿井救生舱的功能为，在井下发生透水、瓦斯煤尘爆炸、冒顶等安全事故后，在逃生路径被阻和逃生不能的情况下，为无法及时撤离的人员提供一个安全的密闭空间。由于被困人员的呼吸热、人体产热、舱内仪器发热及外界环境向舱内的传热，均会导致舱内温度的持续升高，威胁舱内人员的生命安全，因而制冷系统成为救生舱生命保障系统的重要组成之一。

以现有资料来看矿井救生舱空气冷却装置可分为两类，一类为分体式空调，空调主机置于救生舱内部，制冷压缩机置于舱外，发生瓦斯爆炸或透水事故时，需考虑制冷压缩机等部件的防爆问题。另一类为蓄冷式防爆空调，该系统包括舱外防爆制冷机组和舱内空调装置。这两类空调设备均需要提供外部电力以维持空调系统正常运行，当发生矿井安全事故时，外部电力被切断，若只依靠蓄电池供电或蓄冷供冷，且需要空调系统维持较长时间运行，则需要储备大量的电能和蓄冰容量，进而使得救生舱空调设备占用体积过大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于矿井救生舱的制冷系统，能够在外界断电和无蓄电及蓄冰装置的情况下依旧能正常向舱内提供必要冷量，解决分体式空调断电下无法正常工作以及蓄冰空调制冷量随时长的延长制冷量下降的问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种适用于矿井救生舱的制冷系统，包括汇流管及若干个二氧化碳高压气瓶，每个二氧化碳高压气瓶的出口均设有连接管，连接管均与汇流管相连，每个连接管上均设有截止阀，汇流管还依次连接有节流阀、换热器、膨胀机及气动风机，气动风机上设有风道，风道位于气动风机的出风口与换热器的迎风面之间，膨胀机与气动风机连接的管道上还设有流量计及旁通管，旁通管上还设有球阀，膨胀机的外部转轴连接有齿轮箱，齿轮箱还依次连接有液力变矩器及发电机。

本实用新型的特点还在于，

汇流管与节流阀之间的管道上设有压力表。

换热器底部设有凝水盘，凝水盘上设有排水管。

气动风机包括气动马达，气动马达连接有风扇，风扇的上风口处设有二氧化碳吸收剂。

二氧化碳吸收剂为过氧化钠。

换热器为翅片式不锈钢换热器。

膨胀机为双缸滚动活塞式单级膨胀机。

本实用新型的有益效果是：

(1)与分体式空调和蓄冷式制冷相比，此制冷系统在救生舱外部无需设置任何部件，因此无需做任何防爆处理，使其可在矿井等易发生安全事故的危险场所中使用，无需外部供电，其排放至舱外的二氧化碳气体亦可隔绝瓦斯靠近舱体；

(2)使用翅片式不锈钢换热器代替铜制式换热器，在总传热热阻相近的情况下，翅片式不锈钢换热器其换热管壁较厚，强度较大，杜绝了高压下管壁泄露的隐患，安全性较好，其次两者所用材料质量相当且均可使用，但铜材价格较高，因此换热器的造价比不锈钢换热器高出一倍，若考虑到批量生产，不锈钢换热器在成本上具有明显的优势；

(3)与传统蓄电池供电或无供电装置的救生舱相比，本制冷系统中使用的膨胀机能够输出机械功，再将机械功转化为电能用以应急供电，能够充分利用高温高压二氧化碳的过热蒸汽的能量；

(4)该二氧化碳跨临界制冷系统具有较高的制冷系数，设计适宜的换热面积就能满足整个舱体的冷负荷，满足人体生存的基本环境参数，无需提供外部动力就能使得舱内空气得以循环且能够补充氧气的消耗量，具有补氧机制；

(5)此供冷系统运行平稳，有效制冷时间较长；舱体大小型号固定的情况下，与分体式和蓄冷式空调救生舱相比，有效减少设备间的空间占比，增加人员避险空间，增加避险人员容纳数量；亦能解决救生舱供氧量不足的问题；并且能解决救生舱不能自身提供应急供电或供电时长较短的问题。

附图说明

图1是本实用新型一种适用于矿井救生舱的制冷系统的结构示意图。

图中，1.二氧化碳高压气瓶，2.截止阀，3.汇流管，4.压力表，5.节流阀，6.换热器，7.凝水盘，8.膨胀机，9.旁通管，10.球阀，11.流量计，12.气动马达，13.风扇，14.风道，15.二氧化碳吸收剂，16.齿轮箱，17.液力变矩器，18.发电机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供了一种适用于矿井救生舱的制冷系统，如图1所示，包括汇流管3及若干个二氧化碳高压气瓶1，每个二氧化碳高压气瓶1的出口均设有连接管，连接管均与汇流管3相连，每个连接管上均设有截止阀2，汇流管3还依次连接有节流阀5、换热器6、膨胀机8及气动风机，气动风机上设有风道14，风道14位于气动风机的出风口与换热器6的迎风面之间，膨胀机8与气动风机连接的管道上还设有流量计11及旁通管9，旁通管9上还设有球阀10，膨胀机8的外部转轴连接有齿轮箱16，齿轮箱16还依次连接有液力变矩器17及发电机18。

汇流管3与节流阀5之间的管道上设有压力表4。

换热器6底部设有凝水盘7，凝水盘7上设有排水管。

气动风机包括气动马达12，气动马达12连接有风扇13，风扇13的上风口处设有二氧化碳吸收剂15。

二氧化碳吸收剂15为过氧化钠。

换热器6为翅片式不锈钢换热器。

膨胀机8为双缸滚动活塞式单级膨胀机。

其工作流程具体如下：适用于矿井救生舱的制冷系统采用开式二氧化碳制冷形式，由于二氧化碳的临界温度为31℃，临界压力为7.372MPa，根据矿井救生舱空调制冷技术要求，救生舱温度调节系统应使舱内空气体感温度不高于35℃，但矿井内环境空气温度可能长时间处于50℃以上，故矿井用救生舱空调制冷系统运行时环境温度常在二氧化碳临界温度之上。依据矿井内安全要求，发生安全事故时无电力提供，故可考虑使用开式二氧化碳跨临界制冷形式。

储存在钢瓶内的液态高压二氧化碳制冷形式无需压缩机和冷凝器，二氧化碳高压气瓶1摆放在设备间内并将气瓶倾斜放置，保证70％以上的液体顺利流出，每个气瓶的出口有一个连接管，并将所有连接管与一个直径为30mm的汇流管3相连，汇流管3的作用是将所有气瓶中流出的液体汇集之后进入节流阀5，这样有利于保证气源的稳定性，并在节流阀5之前设置压力表4，实时测量管路压力，避免超压或压力过低无法正常运行。从二氧化碳高压气瓶1流出的高压低温液态二氧化碳经过节流阀5节流降压后成为气液两相状态，压力维持在3MPa左右，气液两相状态的二氧化碳制冷剂进入换热器6，在换热器6管道内吸收管壁传入的舱内循环空气的热量后变成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽由换热器6出口连接管流出直接进入膨胀机8降温降压后从膨胀机8出口流出，然后进入气动风机推动风机做功，压力降低后排入外环境中。而在换热器6中冷凝产生的凝结水则通过换热器6底部凝水盘7所连接的排水管排到舱外。

气动马达12出口的二氧化碳气体直接排到救生舱体外部，起到隔绝瓦斯的作用。空气流路由气动马达12带动风扇13强制换热，在风扇13的负压带动下，先经过过氧化钠吸收CO₂后再进入换热器6换热，换热器6出口的冷风直接吹向舱体内部进行制冷。由于救生舱气密性较好，在救生舱投入使用前为避免过氧化钠失效应对其固体进行密封处理，安放至矿井后可将密封装置取下。

对于常规气动马达，其额定气压不大于0.6MPa，由于换热器6阻力很小，二氧化碳流经其内部压降不大，如果此时的二氧化碳流入气动风机，其压力远远高于气动风机的额定气压值，极易损坏风机。因此，系统中设置膨胀机8，膨胀机8出口连接排气管，排气管设置旁通管9并通过球阀10控制，排气管另一端连接到气动风机，气动风机与膨胀机8之间的管道上设有流量计11，流量计的作用在于控制流过气动风机的气体不超过其额定耗气量，一旦超过额定耗气量，则打开旁通管上的球阀10，多余气体从该通道流出。

换热器6迎风面积较大，而气动风机风口较小，当风机直接吹过换热器6时，只有中心部分风速较大，而四周部分风速较小，这对空气侧的换热产生不利的影响，也是导致管壁结霜的原因之一。解决办法是从气动风机出风口到换热器6迎风面之间设置风道14，风道14上下侧为倾斜风道中间部分为直风道，使风均匀吹过换热器表面，通过引入风道使得换热器6换热更充分，换热器6内各点的温度分布较为合理。

膨胀机8是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度和压力降低的原理以获得能量的机械。由换热器6流出的过热二氧化碳气体进入膨胀机8降压时气体推动内部转子转动同时输出机械功。外部转轴连接齿轮箱16，带动齿轮传动，加装可调式液力变矩器与齿轮箱刚性连接，液力变矩器17的泵轮与发动机18的飞轮是刚性连接的是属于啮合齿连接，与行星传动相配合，利用差动和功率分流的原理使变化的转速能同步发电机转速能恒定输入，保证发电机18输出电压与频率稳定，不必配置大功率的逆变装置。发电机18产生的电流可用于密闭的救生舱内部应急供电或供给至呼救设备向外界发出求救信号。

如下对部分部件及设备进行详细叙述。换热器6为翅片式不锈钢换热器，不锈钢导热系数为15W/(m·k)，紫铜的导热系数为398W/(m·k)，但以换热器6壁厚1mm为例，其总传热热阻为0.01，同样厚度和同样翅片的紫铜换热器的总传热热阻也近似为0.01，虽然不锈钢导热系数低于紫铜，管壁热阻较紫铜换热器大，但总传热热阻两者相当。而采用换热器6其换热管壁较厚，强度较大，杜绝了高压下管壁泄露的隐患，安全性较好，若从批量生产的角度考虑，也能够降低生产成本。

为满足人员生存的要求，紫铜翅片管的管壁承压太低，而该换热器最终将应用于一个完全封闭的人员生活环境中，从安全性的角度考虑，此换热器不适用于该制冷系统，紫铜光管换热器和不锈钢翅片换热器承压能力均达到要求，两者所用材料质量相当且均可使用，但紫铜的价格较高，因此换热器的造价比不锈钢换热器高出一倍，若考虑到批量生产，不锈钢换热器在成本上具有明显的优势。

翅片形式为平翅片，换热管外径不宜过大，16mm左右较为合适，管排数为2排，管列数由具体矿井救生舱实际大小确定其负荷后计算得出，不锈钢换热器的面积亦可计算得到。不锈钢换热器迎风面积较大，而气动风机风口较小，当风机直接吹过换热器时，只有中心部分风速较大，而四周部分风速较小，这对空气侧的换热产生不利的影响，也是导致管壁结霜的原因之一。解决办法是从风机出风口到换热器迎风面之间引一个通风道，使风均匀吹过换热器表面，通过引入风道使得不锈钢换热器换热更充分，换热器内各点的温度分布较为合理。

矿井救生舱内空调负荷的主要来源有人体散热、围护结构传热及设备散热，利用人体散热和散湿公式计算得到不同人员数量下于96h舱内总散热量和散湿量，亦可依据人体新陈代谢量及国家救生舱标准规定计算得出不同人员数量下96h需氧量和二氧化碳排放量，常见救生舱最多容纳8～10人。送风口与回风口布置于救生舱设备间且紧靠设备间与生活间壁面，出风口设置于舱内分隔壁面的顶部，回风口设置于出风口的四周，形成中间出风四面回风。以能容纳8人的救生舱为例，使用过氧化钠吸收人员呼出的二氧化碳并能释放足够量的氧气，计算得到所需过氧化钠的体积为0.038m³。

本实用新型有如下优点：

(1)与分体式空调和蓄冷式制冷相比，此制冷系统在救生舱外部无需设置任何部件，因此无需做任何防爆处理，使其可在矿井等易发生安全事故的危险场所中使用，无需外部供电，其排放至舱外的二氧化碳气体亦可隔绝瓦斯靠近舱体；

(2)使用翅片式不锈钢换热器代替铜制式换热器，在总传热热阻相近的情况下，翅片式不锈钢换热器其换热管壁较厚，强度较大，杜绝了高压下管壁泄露的隐患，安全性较好，其次两者所用材料质量相当且均可使用，但铜材价格较高，因此换热器的造价比不锈钢换热器高出一倍，若考虑到批量生产，不锈钢换热器在成本上具有明显的优势；

(3)与传统蓄电池供电或无供电装置的救生舱相比，本制冷系统中使用的膨胀机能够输出机械功，再将机械功转化为电能用以应急供电，能够充分利用高温高压二氧化碳的过热蒸汽的能量；

(4)该二氧化碳跨临界制冷系统具有较高的制冷系数，设计适宜的换热面积就能满足整个舱体的冷负荷，满足人体生存的基本环境参数，无需提供外部动力就能使得舱内空气得以循环且能够补充氧气的消耗量，具有补氧机制；

(5)此供冷系统运行平稳，有效制冷时间较长；舱体大小型号固定的情况下，与分体式和蓄冷式空调救生舱相比，有效减少设备间的空间占比，增加人员避险空间，增加避险人员容纳数量；亦能解决救生舱供氧量不足的问题；并且能解决救生舱不能自身提供应急供电或供电时长较短的问题。

Claims (7)

1.一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，包括汇流管(3)及若干个二氧化碳高压气瓶(1)，每个二氧化碳高压气瓶(1)的出口均设有连接管，所述连接管均与汇流管(3)相连，每个连接管上均设有截止阀(2)，所述汇流管(3)还依次连接有节流阀(5)、换热器(6)、膨胀机(8)及气动风机，所述气动风机上设有风道(14)，所述风道(14)位于气动风机的出风口与换热器(6)的迎风面之间，所述膨胀机(8)与气动风机连接的管道上还设有流量计(11)及旁通管(9)，所述旁通管(9)上还设有球阀(10)，所述膨胀机(8)的外部转轴连接有齿轮箱(16)，所述齿轮箱(16)还依次连接有液力变矩器(17)及发电机(18)。

2.如权利要求1所述的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，所述汇流管(3)与节流阀(5)之间的管道上设有压力表(4)。

3.如权利要求1所述的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，所述换热器(6)底部设有凝水盘(7)，所述凝水盘(7)上设有排水管。

4.如权利要求1所述的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，所述气动风机包括气动马达(12)，所述气动马达(12)连接有风扇(13)，所述风扇(13)的上风口处设有二氧化碳吸收剂(15)。

5.如权利要求4所述的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，所述二氧化碳吸收剂(15)为过氧化钠。

6.如权利要求1所述的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，所述换热器(6)为翅片式不锈钢换热器。

7.如权利要求1所述的一种适用于矿井救生舱的制冷系统，其特征在于，所述膨胀机(8)为双缸滚动活塞式单级膨胀机。