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冰在矿井降温冷却的应用介绍

时间:2015-01-31 13:47:29来源:制冰机 矿井降温 介绍 浏览次数:1128

适合矿井空调的制冰机制出来冰的形式为管冰、片冰以及由真空制冰法形成的泥状冰;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;粒状冰宜采用风力输送,泥状冰只能采用水力输送;融冰槽的结构设计应保证出水温度和冰量调节的要求;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。


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。 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   

根据冰的形状可以分为粒状冰和泥状冰,根据制冰的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

 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,COP约在2.0~3.5范围之内。比较而言,管状与片状冰的制冰机COP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10~20min,收冰期为60~90s[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7.5kg的冰泥,约需抽放1kg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150kPa以上,实际应用时可达到400kPa。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(UPVC)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3m;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0.5~2.5m/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8~10mm,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1m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1~2m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。(王景刚 乔 华 冯如彬 )