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深井降温冰冷却系统的应用


2000 年第 30 卷第 4 期              ?7 6 ? 技术交流园地        

深井降温冰冷却系统的应用
河北建筑科技学院   王景刚 ☆       乔 华 冯如彬
提要   介绍了矿井降温用冰冷却系统 ,对系统所涉及的粒状冰和泥状冰的制备 、 输送及融 解等进行了研究和分析 ,提出了冰冷却系统应用的基本原则和

方法 。 关键词   矿井空调   冰冷却系统   制备   输送   融解

I c e c o o li n g f o r d e e p c o a l m i n e s
By Wang Jinggang ★ , Qiao Hua and Feng Rubin
A b s t r a c t  Di s c us s e s t h e i c e c o ol i n g s ys t e m f o r d e e p mi n e s , s t u di e s t h e p r o c e s s f o r i c e m a ki n g , t r a ns p o r t a t i o n a n d m e l t i n g , a n d p r e s e n t s t h e p r i n c ip l e s a n d p r o c e d u r e s of us i n g t h e i c e c o ol i n g s ys t e m. Ke yw o r d s  c o a l mi n e a i r c o n di t i o ni n g , i c e c o ol i n g s ys t e m , m a nuf a c t u r e , t r a ns p o r t a t i o n , me l t i ng
★ He bei Institute of Technology , China

0  引言 ①

传热机理可分为直接传热和间接传热两种 。采用的冰的状 态不同又决定了整个系统方式和设备的差异 。
1. 1   粒状冰及相应的系统形式

目前 ,矿井空调使用的冷水机组 ,通常布置在地面井口 附近或井下 ,随着众多矿井逐步向深部延伸和矿山热害的 日益严重 ,此类系统方式存在的问题也越来越突出 ,主要表 现为 : 随着矿井深度的增加 ,制冷机组的容量及设施越来越 大 ,系统初投资及年运行费用急剧上升 ; 井下空调设备安 装、 操作和维修困难 ,空调设备发热对井下空气环境影响越 来越大 ; 过高的静水压力和冷凝热的排放困难 ,使传统的制 冷空调系统越来越难以适应深井矿的降温需要 。鉴于上述 原因 ,80 年代初南非等国开始提出用冰冷却进行矿井降 温 ,并就此开始了对深井降温的冰冷却空调系统的应用研 究 [ 1~ 4 ] 。 所谓冰冷却空调系统 ,就是利用地面制冰厂制取的粒 状冰或泥状冰 ,通过风力或水力输送至井下的融冰装置 ,在 融冰装置内 ,冰与井下空调回水直接换热 ,使空调回水的温 度降低 。 作为一项矿井空调的新技术 ,冰冷却空调系统的应用 主要应考虑 : 冰冷却空调系统的具体方式 、 冰的制备 、 冰的 输送和冰的融解等问题 。
1  冰的制备和系统方式

粒状冰冷却系统所采用的冰粒形状有多种 ,如立方体 、 锥体 、 圆柱体 、 管状和片状等 ,其形状主要是由制冰机蒸发 器的几何形式所决定的 。制取粒状冰需要制冰机有较低的 ) 蒸发温度 ( - 15 ~ - 30 ℃ , 这使得制冰机的性能系数降 低 , CO P 约在2 . 0~3 . 5 范围之内 。比较而言 , 管状与片状 冰的制冰机 CO P 要比立方体 、 锥体等块状冰的制冰机高 。 粒状冰的优点是 ,较低的蒸发温度使得冰粒具有较大 的过冷度 ,从而可以减小输送过程中的冰融化损失 ,而且便 于输送 ,同时制冰设备制造技术也比较成熟 。 粒状冰制冰机的工作过程分为冻结和收冰两个阶段 。 制冰和收冰的时间影响着制冰机的性能 , 在空调冰冷却系 统中 ,一般制冰期为 10~20 min ,收冰期为 60~90 s[ 5 ] 。
1. 2   泥状冰的制备和系统方式

泥状冰是指水或盐水中混合的小冰晶 ,制取时形成的 小冰晶从盐水中析出 ,冰会比生成它的溶液纯净 ,这个过程
☆ 王景刚 ,男 ,1962 年 12 月生 ,在读博士 ,副教授 ,系副主任 056038 河北邯郸市河北建筑科技学院城建系
(0310) 6020922 - 3038



   根据冰的形状可以分为粒状冰和泥状冰 ,根据制冰的
 3 本课题为煤炭科学基金资助项目 ( 编号 92 安 11008)

收稿日期 :1998 - 12 - 07 稿件修回日期 :2000 - 03 - 13

              暖通空调 HV &AC          技术交流园地 ?7 7 ?
叫做冰冻除盐 。 用于空调的大规模泥状冰的制备有以下 3 种方法 : ① 间接传热法 。水或者盐水通过浸没于制冷剂的管 子 ,在水流的内部产生小的冰晶核 ,从而形成水和冰晶核共 存的泥冰状态 。 ② 真空制冰法 。在一个密闭的容器内 , 通 过不断地抽出含有盐分的水蒸气 , 达到沸腾与凝结同时存 在的三相点状态 ,在该状态 ,冰 、 液体水和水蒸气共存 ,通过 不断搅拌 ,冰泥可持续不断地产生 。就一般情况而言 ,每产 生 7. 5 kg 的冰泥 ,约需抽放 1 kg 的水蒸气 [ 5 ] 。 ③ 直接传热 制冰法 。盐水和不溶性冷剂液体的混合液通过喷嘴在密闭 容器内雾化 ,混合液被冷剂的蒸发所冷却 ,形成冰晶核和盐 水共存的泥状冰状态 。 盐分对冰泥的形成具有重要的影响 ,对空调系统而言 , 适宜的含盐浓度为 5 %~10 %[ 5 ] 。 不同形式的冰冷却系统各有其优缺点 ,综合考虑各种 因素 ,推荐采用粒状冰中的管状冰和片状冰以及利用真空 制冰法的泥状冰 。 2  冰的输送 冰一般通过管道输送 ,由于在相同的冷负荷下输送的冰 量只占输送冷冻水量的 1/ 4~ 1/ 5 ,所以冰输送管径比冷冻 水管径要小 。冰的输送方法有传送带输送 、 风力输送 、 水力 输送和重力输送几种 。不同形状冰和不同的输送位置应采 用不同的输送方式 。 2. 1   粒状冰的输送 粒状冰从制冰厂到竖井井口可采用传送带或风力输 送 ,竖井内以及井下到融冰槽的水平段可采用重力输送 。 风力输送属于管道输送的一种方式 , 压缩空气的压力应保 持在 150 kPa 以上 ,实际应用时可达到 400 kPa 。空气温度 宜在 8 ℃ 以下 [ 6 ,7 ] 。 冰粒在井筒立管中的流动状态基本有两种 ,一种是稀 释状态 ,冰粒基本保持原形 ,并持续均匀地移动 ; 一种是浓 稠状态 ,冰粒呈团状间断地流动 ,如果冰 — 风比 ( 输冰量与 风量之比) 过高 ,极易形成浓稠流动状态 , 伴随着冰块的挤 压 ,管道有阻塞的危险 。在实际运行过程中应随时调整输 冰速度和压缩空气量 ,防止冰块过于密集 ,导致管道阻塞或 破裂 。 由于片状冰的表面积 — 质量比比较大 , 较之管状冰更 容易相互粘连 ,而导致管道阻塞 ,所以实际应用中应首选管 状冰 。对于管状冰 , 其安全输送的冰 — 风比宜控制在 3. 0 以下 。 工业实验表明 , 使用非塑性聚氯乙烯管道 ( U PVC) 比 钢管更有利于粒状冰的输送 。为保证冰粒在竖井井底车场 能依靠其垂直降落的势能作用而水平移动到数百 m 远的 融冰地点 ,管道的曲率半径应大于 3 m ;管径的大小根据输 冰量和冰的设计流速确定 ,实际应用中 ,冰的流速宜保持在 0. 5~2. 5 m/ s之间 。 2. 2   泥状冰的输送 泥状冰只能采用水力输送 ,对管道和泵都没有特殊要 求 ,其优点是可以直接利用改造后的冷水管道进行输送 。为 了减轻过高的静水压力对井下设备的影响 ,可采用高低压换 热器 ,也可安装水轮机等水能回收装置 ,以减少输送能耗 。 3  冰的融化 为了保证冰的融化速度 ,必须在井下设置专门的融冰 装置 。根据文献 [ 1 ,3 ,5 ]和笔者所进行的融冰实验[ 8 ] ,提出 了以下融冰槽的结构形式 : 为了保证进入融冰槽水流的均 匀 ,融冰槽上方应设置一个布水器 ,通常是由多孔板或多孔 管道做成的 ; 融冰槽的主体是叠层冰床 , 一般做成圆形断 面 ,冰床高度应满足出水温度的要求 ; 融冰槽的底部为冷水 池 ,冰床与水池之间设有多孔板或支撑网板 。多孔板孔径 一般为 8 ~ 10 mm ,开孔率在 50 %左右 。为适应负荷和输 冰量的变动 ,融冰槽应保证一定的高度 ,兼作储冰仓用 。 实验表明 ,冰水之间的直接换热十分剧烈 , 对于 20 ℃ 左右的矿井空调回水 ,只要融冰槽冰床高度保持在 1 m 左 右 ,即可获得接近 0 ℃ 出水温度 [ 8 ] 。实际设计时 , 冰床高 度宜在 1~2 m 范围内 。融冰槽直径可根据所应满足的换 热能力加以确定 ,一般为 5 ~ 10 倍输冰管道直径 。由于井 上井下相距数百 m 甚至数千 m ,为确保输冰量和融冰量之 间的平衡 ,维持冰床一定的高度 , 必须对系统进行自动控 制 。同时 ,需调节制冰厂的制冰量 ,使输冰量和产冰量相平 衡。 4  结论 4. 1   适合矿井空调的冰的形式为管状冰 、 片状冰以及由真 空制冰法形成的泥状冰 ; 4. 2   粒状冰宜采用井下融冰的方式 ,泥状冰可采用高低压 换热器或直接输送到空冷器 ; 4. 3   粒状冰宜采用风力输送 ,泥状冰只能采用水力输送 ; 4. 4   融冰槽的结构设计应保证出水温度和冰量调节的要 求; 4. 5   系统的控制设计应保证产冰量 、 输冰量和融冰量之间 的平衡 。 参考文献
1  Sheer T J , Correia R M. Research into t he use of ice for cooling deep mines. In Third International Mine Ventilation Congress , Harrogate , 1984. 2  Middleton J V G , Muller A A. A surface ice plant for provision of ice for t he cooling of service water in an OFS gold mine. GOLD 100. Proceeding of t he International Conference on Gold. Gold Mining Technology , V1 Johannesburg , SAIMM ,1986. 3  Sheer T J , Chaplain E J , Correia R M. Some recent development in t he use of ice for cooling mines. Journal of t he Mine Ventilation Society of Sout h Africa , 1985 , (6) . 4  Dohmen A , Hagen G. Strategies for improvement of t he t hermal environment in deep coal mines. 4t h US Mine Ventilation Symposium , Berkeley , CA ( USA) ,1993. 5  Pherson M J . Subsurface ventilation and environmental engineering. Chapman & Hall ,1993. 6  Sheer T J . Pneumatic conveying of ice particles t hrough mine2shaft pipelines. Power Technology , 1995 ,85 (3) :203 - 219. 7  Fujita , Toshihiko . Hydraulic transport of ice2water mixtures. Trans of t he J AR ,1993 , 10 (3) :349 - 356 ,1993. 8  王景刚 , 等 . 深井降温冰冷却理论研究报告 . 煤炭科学基金资助 项目 ,1998.


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