专利名称：一种矿井用压缩空气输冷降温系统及其降温方法
技术领域：
本发明涉及矿井降温系统，尤其涉及压缩空气输冷矿井降温系统。
背景技术：
随着矿井开采深度的不断增加及开采机械化程度的不断提高，矿井热害成为制约矿井开采深度的决定性因素。对于采深超过800米的深部矿井，由于热害问题比较突出，仅靠采用增大矿井通风量等非人工制冷的技术措施，不可能从根本上达到矿井热害的控制目标。因此，目前多采用人工降温系统控制矿井的热害问题。矿井的人工降温系统通常由大型的制冷站、大型空气处理设备、冷媒输送系统及相关辅助设备组成。根据制冷机组安装地点的不同，矿井降温系统可以分为制冷机组安装在地面，制冷机组安装在井下，地面及地下同时安装制冷机组等不同类型。制冷机组安装在地面的矿井降温系统，按照冷媒的不同，可以分为水输冷系统和冰输冷系统两种类型。由于制冷机组及排热冷却塔均设在地面，这两种系统制冷效率比较高。但对于水输冷系统，由于水的静压问题，输水管道的底部静压可达上百公斤，常规管道和常规的空冷器均难以承 受，而采用耐高压的管道和空冷设备，则会大大提高工程投资，并大幅度降低空冷器的传热效果及冷量的利用效率。若采用分级串联供冷，虽然可以解决上述问题，但由于每级换热均存在换热温差，则冷水输送至底部空冷器可能产生10°C以上的温升，因而造成大部分的冷量损耗在冷量输送过程中。对于冰输冷系统，需要实现地面制冰、片冰、地面及井下输冰、井下融冰、井下冷水输送等多种功能，系统复杂，投资费用及运行成本高，冷量浪费大，系统启动缓慢，且系统一旦启动，则必须连续运行。制冷机组安装在井下的矿井降温系统，按照排热冷却塔安装位置的不同，分为井下排热系统和地面排热系统两类。井下排热系统的冷却塔一般设置在回风巷道内。由于回风巷内的温度湿度均较高(相对湿度多在90%以上)，冷却能力小，冷却效果极差，从而导致制冷机组的制冷效率很低。而地面排热系统虽然解决了排热问题，但由于冷却水在制冷机组处产生较大静压，需配置耐压能力高达数百公斤的高压冷凝器的制冷机组，或在冷却水管路上设置高低压换热器。这两种措施都大幅度都降低了制冷机组的制冷效率。地面及井下同时安装制冷机组的矿井降温系统，其实质上是两级制冷机组串联制冷。两级制冷效率低，冷损大，且需要设置冷凝器可耐高压的制冷机组及高低压换热器，系统复杂，安全性差。以上三类矿井降温系统还有一个共同特点，即在需要降温的地点(采掘面、泵房等)设置空冷器。由于井下环境煤尘浓度高、湿度大、还有多种腐蚀性气体，所以空冷器具有易结尘、易腐蚀、传热效果差、防爆要求高等缺点。与本发明最接近的现有技术是在《矿业安全与环保》2004年第31卷第3期公开的“采用压气供冷的新型矿井集中空调系统”一文。在该文中公开了以下技术，即利用压缩空气作为供冷介质，直接向采掘工作面喷射制冷；系统主要由制冷机组、空压机、输气管、中间换热器和送风气等几部分组成，其主要特点是，空压机安装在地面上，制冷机组及附属设备、中间换热器等安装在井下硐室内；地面空气被地面空压机压缩后，由输气管道输送至井下中间换热器(中间换热器的低温介质为来自制冷机组的冷冻水)进行降温处理后，通过输冷管道送至采掘工作面，在工作面上由送风器射出，形成冷风射流；冷风射流经过膨胀、卷吸、掺混等作用与工作面风流发生热交换，从而达到工作面降温的目的。该文献中公开的矿井降温系统存在如下两方面的问题:①空气被压气机压缩后，内能增加，温度升高(通常比环境温度高30°C 60°C)。导致矿井降温系统的制冷负荷和运行费用大幅度提高；②制冷机组及排热设备均设置在井下硐室内，导致系统排热困难，制冷机组运行效率降低，且必须采用防爆型设备，安全性较差，投资成本高。
发明内容
本发明的目的是克服上述压缩空气矿井降温系统的缺点，通过技术改进，提供一种经济节能、安全高效的矿井用压缩空气输冷系统。这种降温系统是将制冷及排热设备均安装在地面上，采用人工降温与自然冷源降温相结合的制冷方式。为达到上述目的，本发明系统由设置在地面的空气压缩机、自然冷源子系统、人工冷源子系统以及设置在井下工作面的压缩空气喷射送风装置三部分通过压缩空气输送管道依次连接而成；其中:所述的自然冷源子系统是由一级冷却塔和一级冷却喷淋室通过管道连接而成的用于压缩空气预冷却的水循环冷却通路；所述的人工冷源子系统是由二级冷却塔、二级冷却喷淋室和制冷机组通过管道依次连接而成的用于压缩空气人工冷却的水循环冷却通路。利用本发明降温系统对矿井用压缩空气进行降温的方法如下:第一步:压缩空气的预冷却由空气压缩机制备出来的压缩空气通过自然冷源子系统的一级冷却喷淋室，与一级冷却喷淋室内的循环冷却水进行热交换后，温度可降低至与环境空气温度大致平衡的状态，实现压缩空气的预冷却；同时由一级冷却塔流出的冷却水，在一级冷却喷淋室内吸收压缩空气的大部分热量后，流回一级冷却塔5，实现压缩空气预冷却水的循环冷却。第二步:压缩空气的人工冷却通过自然冷源子系统预冷却后的压缩空气进入人工冷源子系统的二级冷却喷淋室，与二级冷却喷淋室内的循环冷却水进行热交换，进一步冷却至要求的低温；同时，由制冷机组的蒸发器供应的循环冷冻水，进入二级冷却喷淋室吸收压缩空气的热量后，流回制冷机组，实现人工冷源冷冻水的循环冷却；由二级冷却塔流出的冷却水进入制冷机组冷凝器，吸收制冷剂释放的热量后，流回二级冷却塔，实现制冷机组冷却水的循环冷却。第三步:低温压缩空气的输送经人工冷源子系统冷却后的低温压缩空气，通过压缩空气保温管道及附件输送至井下工作面，由喷射送风口喷出，经过膨胀、卷吸及掺混作用，实现工作面的降温作用。本发明的优点是:(I1)利用自然冷源对压缩空气进行预冷却，能够大幅度降低人工制冷设备的制冷负荷，在冬季或过度季甚至可以不运行人工制冷系统(此时，二级冷却喷淋室只作为压缩空气的输送通道)，从而大幅度降低矿井降温系统的运行费用。
(2)压缩空气的人工冷却设备均设置在地面上，可采用非防爆型设备，建设费用低、制冷效率高。(3)压缩空气体积比热大、输冷能力强，体积流量小，所以管道断面小，投资低，便于布置和保温。
图1是本发明实施例的示意图。图中:1-空气压缩机，2- 一级冷却塔，3- 一级冷却喷淋室，4- 二级冷却塔，5-制冷机组，6- 二级冷却喷淋室，7a_ —级冷却压缩空气输送管道，7b_ 二级冷却压缩空气输送管道，7c-完全冷却压缩空气保温管道，8-井筒，9-井下工作面，10-压缩空气喷射送风装置，11-工作面进风平巷。
具体实施例方式下面结合附图和本发明的工作流程说明其具体实施方式
。如图1所示，本发明系统由设置在地面的空气压缩机1、自然冷源子系统、人工冷源子系统以及设置在井下工作面的压缩空气喷射送风装置10四部分通过压缩空气输送管道依次连接而成；其中:所述的自然冷源子系统是由一级冷却塔2和一级冷却喷淋室3通过管道连接而成的压缩空气预冷却水循环冷却通路；所述的人工冷 源子系统是由二级冷却塔4、制冷机组5和二级冷却喷淋室6通过管道依次连接而成的制冷机组冷却水循环冷却通路。从图中可以看出:自然冷源子系统的工艺流程为:由一级冷却塔2流出的冷却水，经供水管、循环水泵及附件进入一级冷却喷淋室3，吸收压缩空气的大部分热量后，再经回水管及附件流回一级冷却塔2，实现压缩空气预冷却水的循环冷却。人工冷源子系统的工艺流程为:由二级冷却塔4流出的冷却水，经制冷机组循环冷却水供水管、循环水泵及附件，进入制冷机组5的冷凝器，吸收制冷剂释放的热量后，再经制冷机组循环冷却水回水管及附件，流回二级冷却塔4，实现制冷机组冷却水的循环冷却；由制冷机组5的蒸发器供应的循环冷冻水，经二级冷却喷淋室6的供水管、循环水泵及附件，进入二级冷却喷淋室6，进一步吸收压缩空气的热量后，再经二级冷却喷淋室6的回水管及附件流回制冷机组5，实现人工冷源冷冻水的循环冷却.
从图中还可以看出，本发明系统工作时，环境空气经空气压缩机I压缩至一定压力后，由一级冷却压缩空气输送管道7a及附件，进入一级冷却喷淋室3进行预冷却；预冷却后的压缩空气由二级冷却压缩空气输送管道7b及附件进入二级冷却喷淋室6，进一步冷却至要求的低温后，再由敷设在地面上、井筒8、工作面进风平巷11内的完全冷却压缩空气保温管道7c及附件输送至井下工作面9，由喷射送风装置10喷出，经过膨胀、卷吸及掺混作用，实现工作面的降温作用。
权利要求
1.一种矿井用压缩空气输冷降温系统，其特征在于，它由设置在地面的空气压缩机、自然冷源子系统、人工冷源子系统以及设置在井下工作面的压缩空气喷射送风装置三部分通过压缩空气输送管道依次连接而成；其中: 所述的自然冷源子系统是由一级冷却塔和一级冷却喷淋室通过管道连接而成的用于压缩空气预冷却的水循环冷却通路； 所述的人工冷源子系统是由二级冷却塔、二级冷却喷淋室和制冷机组通过管道依次连接而成的用于压缩空气人工冷却的水循环冷却通路。
2.一种利用权利要求1所述的降温系统对矿井用压缩空气进行降温的方法，其特征在于，步骤如下: 第一步:压缩空气的预冷却 由空气压缩机制备出来的压缩空气通过自然冷源子系统的一级冷却喷淋室，与一级冷却喷淋室内的循环冷却水进行热交换后，温度可降低至与环境空气温度大致平衡的状态，实现压缩空气的预冷却；同时由一级冷却塔流出的冷却水，在一级冷却喷淋室内吸收压缩空气的大部分热量后，流回一级冷却塔5，实现压缩空气预冷却水的循环冷却； 第二步:压缩空气的人工冷却 通过自然冷源子系统预冷却后的压缩空气进入人工冷源子系统的二级冷却喷淋室，与二级冷却喷淋室内的循环冷却水进行热交换，进一步冷却至要求的低温；同时，由制冷机组的蒸发器供应的循环冷冻水，进入二级冷却喷淋室吸收压缩空气的热量后，流回制冷机组，实现人工冷源冷冻水的循环冷却；由二级冷却塔流出的冷却水进入制冷机组冷凝器，吸收制冷剂释放的热量后，流回二级 冷却塔，实现制冷机组冷却水的循环冷却； 第三步:低温压缩空气的输送 经人工冷源子系统冷却后的低温压缩空气，通过压缩空气保温管道及附件输送至井下工作面，由喷射送风口喷出，经过膨胀、卷吸及掺混作用，实现工作面的降温作用。
全文摘要
本发明公开了一种矿井用压缩空气输冷降温系统及其降温方法，它由设置在地面的空气压缩机、自然冷源子系统、人工冷源子系统以及设置在井下工作面的压缩空气喷射送风装置三部分通过压缩空气输送管道依次连接而成；其中自然冷源子系统是由一级冷却塔和一级冷却喷淋室通过管道连接而成的用于压缩空气预冷却的水循环冷却通路；人工冷源子系统是由二级冷却塔、二级冷却喷淋室和制冷机组通过管道依次连接而成的用于压缩空气人工冷却的水循环冷却通路。本发明利用自然冷源对压缩空气进行预冷却，能够大幅度降低人工制冷设备的制冷负荷，在冬季或过度季甚至可以不运行人工制冷系统，从而大幅度降低矿井降温系统的运行费用。
文档编号E21F3/00GK103216255SQ20131014019
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者徐文忠, 尚雅斐, 刘靖, 冯永华 申请人:河南理工大学