高温高湿度矿井局部制冷系统及方法与流程

本发明涉及高温矿井内的降温技术以及余热余压回收技术领域，具体涉及一种高温矿井局部制冷系统及方法。

背景技术：

随着经济与社会的快速发展，人类对能源的需求量处于并将长期处于增长的趋势。尽管在可再生能源(如、太能能、风能等)的利用技术得以快速发展的前提下，我国对煤炭的需求量仍然占据了全国一次能源总能耗的70％左右。在煤炭资源一定的情形下，煤炭需求量的不断增大就必然伴随着煤矿开采深度的增加，而随着矿井内深度的增加，井下环境的温度和湿度会越来越高，如部分掘进工作面的温度已经超过40℃，相对湿度接近100％。显然，井下高温高湿度的环境严重影响工人的身心健康以及部分设备的运作条件，劳动生产率也随之大大降低。

目前，用于高湿度空气的除湿有多重方式,包括冷却除湿，干燥剂除湿、吸附剂除湿等多种方式，除湿设备复杂程度不尽相同，而井下一般更强调空气温度问题，还没有考虑空气除湿的问题。对于局部空间的冷却降温问题，目前矿井主要通过利用集中式冷源对各个井下的设备、工作人员及工作面进行局部或全局降温的方式来解决井下环境的高温缺陷。高温矿井的局部降温方式主要包括蒸汽压缩式制冷机的局部制冷以及基于相变的冰块局部制冷等。蒸汽压缩式制冷机组存在占据空间大、设备初投资成本高、运行维护不方便、冷凝器排热困难等缺陷。基于相变的冰块局部制冷方式需要不断地从地上向井下输送冰块，经常会发生堵塞等问题，而且还存在输送成本高的缺陷。鉴于井下环境的空气温度普遍较高，需要的制冷量往往很大，局部制冷技术亟待进一步改善。

技术实现要素：

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何在实现对高温高湿度的井下环境的有效制冷的前提下，提高制冷效率和制冷应用的灵活性，以及减少地面空气的输送量。

解决方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的一实施例，提供了一种高温高湿度矿井局部制冷系统。该局部制冷系统包括地上单元和井下单元；其中：

地上单元包括：

空气压缩机组，用于对地面空气进行压缩；

冷却机组，其与所述空气压缩机组相连接，用于回收经所述空气压缩机组处理后的地面空气中的热能；以及

水气分离器，其设于所述冷却机组的下游，用于对经所述冷却机组处理后的空气流进行除湿；

井下单元包括膨胀机、引射器、局部通风机以及表冷器：

所述膨胀机与所述冷却机组相连接，用于回收冷却机组处理后的地面空气中的压力能；

所述膨胀机经所述表冷器与所述引射器的喷射入口相连接，用于将所述膨胀机处理后的地面空气送至引射器；

局部通风机经所述表冷器还与所述引射器的引射入口相连接，用于将除湿后的井下新风送至引射器；

地面空气和井下新风在所述引射器内混合之后送至需风地点。

对于上述高温矿井局部制冷系统，在一种可能的实施方式中，所述膨胀机连接有发电机，所述发电机与井下环境中的负载相连接。

对于上述高温矿井局部制冷系统，在一种可能的实施方式中，该局部制冷系统还包括控制部，所述控制部包括控制器与所述控制器通讯的发电机和局部通风机，

通过调整所述发电机的励磁电流来改变通过所述膨胀机的地面空气的流量，以及

通过调整所述局部通风机的转速来改变进入所述表冷器的井下新风的流量。

对于上述高温矿井局部制冷系统，在一种可能的实施方式中，所述控制部还与空气压缩机组和所述冷却机组分别通讯，用于设定所述空气压缩机组的出口压力和所述冷却机组的出口温度。

对于上述高温矿井局部制冷系统，在一种可能的实施方式中，所述控制部还包括与所述控制器通讯的传感器组，所述传感器组包括：

流量传感器，用于检测通过所述膨胀机的空气流的流量；

压力传感器，用于检测所述膨胀机下游端的空气流的压力；

第一温度传感器，用于检测所述膨胀机下游端的空气流的温度；以及

第二温度传感器，用于检测所述引射器下游端的空气流的温度。

对于上述高温矿井局部制冷系统，在一种可能的实施方式中，所述发电机至少与所述控制器相连接，用于对控制器供电。

对于上述高温矿井局部制冷系统，在一种可能的实施方式中，所述冷却机组的出口连接至热能回收单元。

为了解决上述技术问题，根据本发明的另一实施例，提供了一种高温矿井局部制冷方法。该局部制冷方法包括：

地面空气经所述空气压缩机组压缩后，转换为高压高温空气流；该高压空气流经冷却机组换热后，转换为高压低温气流；

且该高压低温气流经水气分离器对其进行除湿；

除湿后的高压低温气流经膨胀机回收压力能，回收的压力能通过发电机将其转换为电能；

局部通风机将井下新风送入表冷器对其进行除湿后，与经膨胀机回收压力能之后的地面空气在引射器内混合之后，送入需风地点。

对于上述高温矿井局部制冷方法，在一种可能的实施方式中，该局部制冷方法还包括：

控制部通过控制发电机的励磁电流以改变发电机的转速来改变膨胀机的转速，进而通过改变排出膨胀机的空气流的压力来间接地调整空气流的流量和温度；以及

控制部通过控制局部通风机的转速以改变进入引射器内的井下新风的流量，并通过表冷器对该井下新风进行除湿。

有益效果

本发明的高温高湿度矿井局部制冷系统利用冷却机组回收空气的热能，通过膨胀机回收空气压力能，并通过发电机将其转化为电能；通过引射器将除湿之后的低温低压空气与井下新风混合之后，再送至需风地点，再对井下的局部地点进行降温，减少了地面空气的输送量。

此外，本发明的高温高湿度矿井局部制冷系统具有结构简单、设计紧凑、操作灵活以及制造成本低的优点，可用于各种规模以及深度的高温矿井的局部制冷。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1示出本发明一实施例的高温高湿度矿井局部制冷系统的结构示意图一(控制器与空气压缩机组、冷却机组通讯)；

图2示出本发明一实施例的高温高湿度矿井局部制冷系统的结构示意图二(控制器不与空气压缩机组、冷却机组通讯)。

附图标记说明

10、控制器；11、温控器；12、阀门；13、流量传感器；14、压力传感器；15、第一温度传感器；16、第二温度传感器；20、过滤器；21、空气压缩机组；22、冷却机组；23、水分离器；24、热水罐；30、膨胀机；31、发电机；32、引射器；33、喷射入口；34、引射入口；35、整流逆变器；36、表冷器；37、局部通风机；38、地面空气入口；39、地面空气出口；40、井下新风入口；41、井下新风出口。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法和手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

本发明的一个实施例，提供了一种高温高湿度矿井局部制冷系统，主要在能量回收的前提下，对井下的高温高湿度环境实现有效的局部制冷。

如图1所示，该局部制冷系统主要包括地上单元、井下单元和控制部。其中：

地上单元主要用于提供接近地上环境温度的、干燥的高压空气流，并将该压空气流通往井下单元。

井下单元主要用于将地上单元提供的高压空气流膨胀降温，并使膨胀降温的空气与干燥后的井下新风混合，产生可通往需风地点的空气流，可用于冷却人体或者局部空间等。

控制部则分别与地上单元和井下单元通讯，主要用于对地上单元和井下单元的参数进行调节，以使得井下单元下游端的空气流的温度、湿度以及流量(如可以以公斤/分钟为单位来描述)达到需风地点(如可以是人员硐室、设备硐室、掘进巷道以及掘进工作面等)的标准。

1)地上单元主要包括依次相连接的空气压缩机组21、冷却机组22和水气分离器23。地上环境的新鲜空气经空气压缩机组21压缩之后得到高温高压空气；高温高压空气经冷却机组22换热之后，得到高压低温空气。水气分离器23主要用于将该高压低温空气中的水分分离出来并排出，对空气流进行除湿、干燥。

由于地面空气的湿度相对较小，因此本实施例是通过水气分离器23对地面空气进行除湿，且是根据需风地点的除湿指标主要对空气流的温度和流量进行控制。在一种可能的实施方式中，也可以采用对水气分离器23的除湿水平进行量化，如采用若干个水气分离器对地面空气进行除湿，并可以在膨胀机30的出口处设有湿度传感器对其进行监测，控制器10根据湿度值进一步调整局部通风机的流量和/或水气分离器23的换热除湿水平，直至水气分离器23出口的地面空气达到设定的湿度水平，且该湿度水平可以由控制器设定。

在一种可能的实施方式中，可以在空气压缩机组21的上游设有过滤器20，地上环境的新鲜空气先经由过滤器20进行过滤，滤掉空气中较大的颗粒以及其它杂质等，之后通过风管进入空气压缩机组21。

在一种可能的实施方式中，冷却机组22换热的方式可以包括：

在如冬季等气温较低的情形下，采用气冷原理，如直接利用环境空气经冷却气体入口对空气压缩机组22出来的高温高压空气进行处理，气冷之后加热的空气排出冷却气体出口后，进入热能回收单元，如可以直接用于地上单元的就地取暖、室内供暖等。

在如夏季等气温较高的情形下，采用水冷原理，冷却水(如可以是池塘水、河水以及地下水等)经冷却液入口进入冷却机组22，与由空气压缩机组21通往冷却机组22中的高压空气进行换热，换热后被加热升温的冷却水经冷却液出口进入热能回收单元，如可以通入热水罐24直接供矿井工作人员洗浴等使用，也可以通过蓄热罐(具有保温功能)将包含热量的水体暂时储存。

可以看出，通过冷却机组22对高压空气中的热量得以有效回收，将空气压缩机组21出来的高压高温空气转变为高压低温空气。

2)井下单元主要包括膨胀机30、发电机31、表冷器36和引射器32和局部通风机37。膨胀机30与发电机31和表冷器36分别相连，局部通风机37经表冷器36连接至引射器32，用于将除湿后的井下新风送入引射器，膨胀机30也连接至引射器32，用于将膨胀机30的地面空气送入引射器32。作为“药引”的地面空气与相对容易获取的井下新风在引射器32内混合之后，将达标的空气流送往需风地点。

其中，膨胀机30主要用于回收冷却机组22出来的高压低温空气中的余压，将高压低温空气转变为低压低温空气。发电机31主要用于将回收的余压转化为电能，并可以通过调整其转速来调整流经膨胀机30的空气流的流量。局部通风机37主要用于对井下新风的压力进行提升。表冷器36属于间壁式换热器，经膨胀机30处理后的地面空气和经局部通风机37处理过的井下新风分别经地面新风入口38和井下新风入口40进入表冷器36，并在其中进行热交换之后，地面空气从表冷器36的地面新风出口39排出后进入引射器32，而井下新风从井下新风出口41排出后进入引射器32，主要用于对井下新风进行除湿。

由于井下新风的湿度相对较大，本实施例采用的是除湿水平较高的表冷器36来对其进行干燥、除湿。且是根据需风地点的除湿指标结合井下新风的含湿水平来主要控制空气流的温度和流量，在一种可能的实施方式中，也可以采用对表冷器36的除湿水平进行量化，如采用若干个表冷器36对地面空气进行除湿，并可以在引射器32的出口处设有湿度传感器对其进行监测，控制器10根据湿度值进一步调整局部通风机的流量和/或表冷器和或水气分离器23的换热除湿水平，直至井下新风、地面空气和/或引射器出口的混合气体达到设定的湿度水平，且该湿度水平可以由控制器设定。

低压低温的地面空气和除湿后的井下新风在引射器32混合之后，将获得的温度和流量达标的干燥空气流经送风口送至井下的需风地点，对人或者局部环境进行制冷。

在一种可能的实施方式中，膨胀机30连接至发电机31之后，发电机31可以进一步通过整流逆变器35与控制器10相连接，为控制器10供电，还可以与井下单元中的其他用电设备相连接，如可以包括照明灯、矿灯充电器、喷浆机、锚杆机、扒装机以及刮板运输机等。

3)控制部主要包括控制器10以及与控制器通讯的温控器11、阀门12以及传感器组。其中的传感器组包括流量传感器13、压力传感器14、第一温度传感器15和第二温度传感器16。

在一种可能的实施方式中，流量传感器13设于膨胀机30的上游，用于检测膨胀机30上游端的空气流的流量。压力传感器14和第一温度传感器15设于膨胀机30的下游，分别用于检测膨胀机30下游端的空气流的压力和温度。第二温度传感器16设于引射器32的下游，用于检测引射器32下游端的空气流的温度。

控制部主要根据井下单元的需风地点所需要的空气流的目标温度和流量，可以通过与空气压缩机组21通讯，直接设定出相应的空气压缩机组21的出口压力，以及可以通过与冷却机组22的温控器11通讯，设定出相应的冷却机组22的出口温度。

并且，井下单元的局部通风机37设于表冷器36的井下新风入口的前端，控制器10通过调整局部通风机37的转速来改变进入表冷器36内的井下新风的流量，进而改变进入喷射器32内的井下新风的流量。控制器10还与井下单元的发电机31通讯，通过调整发电机31的励磁电流来改变发电机31的转速，通过发电机31的转速调节来改变膨胀机30的转速，通过膨胀机30的转速改变来进一步调节膨胀机30下游端的空气流的压力，通过对空气流的压力的调节间接地调节通过膨胀机30的空气流的流量。

阀门12设于地上单元和井下单元之间，控制器10主要通过控制其开闭状态来打开或者切断进入膨胀机30的空气流。在阀门12为开的状态下，根据膨胀机30下游端的空气流的流量和温度(此处的空气流往往温度比需风地点需要的温度低，流量也相对较小，因此通过与流量可以调整的、温度较高的井下环境空气进行混合，使其“稀释”，以达到加量、升温的目的)。

经地上单元处理后得到的高压低温空气经阀门12进入膨胀机30，高压低温空气的膨胀使得膨胀机30旋转，膨胀机30旋转进一步带动发电机31旋转发电，从而得以将高压低温空气中的余压转化为电能。

发电机31回收的电能通过整流/逆变器35转换之后，将产生的直流电或者交流电为控制器10和/或其它电器提供电能，从而得以将回收的电能充分利用。

膨胀机30对干燥的高压低温空气的余压进行回收后，使得空气的温度得以降低，得到的干燥的低压低温地面空气经地面空气入口39进入表冷器36，与经井下新风入口40进入表冷器36的井下新风进行热交换，被除湿、干燥后的井下新风经由引射入口34进入喷射器32，与经由喷射入口33进入的地面空气进行充分混合，通过控制器10对发电机31的励磁电流和局部通风机37的转速的实时、反复的调节，直至引射器32下游端的空气流达到设定的目标温度和压力之后送至需风地点。

本发明的局部制冷系统通过冷却机组22回收了空气流的热能。通过膨胀机30回收了空气流的压力能，并通过发电机31进一步将其转换为电能。以及通过与井下环境空气的混合，减少了地面空气的输送量。并通过引入水气分离器23和表冷器36，使得需风地点获得干燥的、流量和温度达标的空气流。

实施例2

本发明的另一个实施例，提供了一种高温矿井局部制冷方法，该局部制冷方法主要是通过控制部对发电机31的励磁电流和局部通风机37的转速进行调节，以实现送至需风地点的空气流的温度和流量达标，从而达到提高制冷水平的效果。

具体地，当井下的需风地点需要提供设定温度和流量的空气流时，控制器10发送开启阀门12的信号，地上单元处理后的低压低温的空气流即可以经阀门12送入膨胀机30。控制器10接收(流量传感器13、压力传感器14、第一温度传感器15、第二温度传感器16)检测的膨胀机30上游端的空气流的流量、膨胀机30下游端的空气流的压力、膨胀机30下游端的空气流的温度以及引射器32下游端的空气温度的信号，并根据接收到的上述流量、压力以及温度信号对井下单元的发电机31的励磁电流进行调节，以使得引射器32上游端的空气流的温度和流量达标；同时控制器10向局部通风机37发送信号，通过调节局部通风机37的转速，通过将引射器32上游端的温度和流量达到控制器10的设定水平(具有一定压力，但是量少、温度低)的空气流与经局部通风机37进入引射器32的井下新风混合之后，以使得最终向井下的需风地点输出的空气流的温度和流量达标。

在一种可能的实施方式中，如可以根据需风地点对空气流的流量m3、干球温度t3和湿球温度ts3的需求，以及控制器10设定的地上单元的提供的空气流的温度(冷却机组22)和压力(空气压缩机组21)，测得膨胀机30入口处的空气的干球温度t1、湿球温度ts1，查空气焓湿图得到膨胀机30入口处的空气的比焓h1、含湿量d1；测得引射器32的引射入口34处的井下新风的干球温度t2、湿球温度ts2，查空气焓湿图得到膨胀机20入口处的空气的比焓h2、含湿量d2；查空气焓湿图得到需风地点所需新风的比焓h3和含湿量h3。可以通过水气分离器23以及表冷器36分别将冷却机组22下游端的空气和进入引射器32的井下新风的含湿量降低到需风地点需要的新风含湿量要求之下。然后根据公式(1)和公式(2)方程组求解所需的井上新风流量m1和井下新风的流量m2。

m3h3＝m1(h3-h1)+m2(h2-h3) (1)

m3＝m1+m2 (2)

然后通过控制器10的对发电机31的励磁电流和局部通风机37的转速的调节，使得引射器32下游端的空气流的温度和流量达标。调节方法主要包括：

1)对膨胀机30下游端的空气流的流量进行调节：

若流量传感器13检测到膨胀机30上游端的空气流的流量低于控制器10中设定的流量时，则控制器10向发电机31发送逐渐降低励磁电流的信号，以使得发电机31和膨胀机30的转速升高，伴随着膨胀机30转速的升高，通过膨胀机30的空气流的流量逐渐增加，直至膨胀机30下游端的空气流的流量达到控制器10中设定的流量为止；而若流量传感器13检测到膨胀机30上游端的空气流的流量高于控制器10中设定的流量时，则控制器10向励磁发电机31发送逐渐提高励磁电流的控制信号，以使得发电机31和膨胀机30的转速降低，伴随着膨胀机30转速的降低，通过膨胀机30的空气流的流量逐渐减小，直至膨胀机30下游端的空气流的流量至少达到控制器10中设定的流量为止。对于膨胀机30而言，其下游端和上游端的流量是相等的，由于该下游端的空气流的温度较低，所以将流量传感器置于膨胀机30的上游端。举例而言，上游端(膨胀机30入口)的空气流的温度接近或者稍低于地上单元的环境温度，而下游端(膨胀机30出口)的空气温度则会井下新风膨胀机出口时，对流量传感器的性能要求较高，会产生成本上的增加。

2)对膨胀机30下游端的空气流的温度进行调节：

若第一温度传感器15检测到的膨胀机30下游端的空气流的温度低于控制器10中设定的温度时，控制器10向发电机31发送的励磁电流控制信号不变；而若第一温度传感器15检测到的膨胀机30下游端的空气流的温度高于控制器10中设定的温度时，控制器10向励磁发电机31发送逐渐降低励磁电流的控制信号，直至膨胀机30下游端的的空气流的温度之多为控制器10中设定的温度为止。

3)对引射器32下游端的空气温度、湿度和流量进行调节：

当膨胀机30下游端的的空气流的流量不低于控制器10中设定的流量，以及空气流的温度不高于控制器10中设定的温度之后，需要进一步参照引射器32下游端的温度和流量(需风地点的需求)，通过“掺入”井下环境空气，对使得送风口处的空气流的温度和流量达标。

若第二温度传感器16检测到的引射器32下游端的空气流的温度低于控制器10中设定的目标温度时，控制器10向局部通风机37发送增大阀门开度的信号，直至引射器32下游端的空气流的温度和湿度达到控制器10中设定的目标温度为止；而若第二温度传感器16检测到的引射器32下游端的温度信号高于控制器10中设定的目标温度时，控制器10向局部通风机37发送降低阀门开度的信号，直至引射器32下游端的空气流的温度和湿度达到控制器10中设定的目标温度为止。

在井下环境不需要提供低温新鲜风流的情形下，则控制器10向阀门12发送关闭阀门的信号，切断空气流即可。

在一种可能的实施方式中，膨胀机30可以选用单螺杆膨胀机，换热器13可以选用板式换热器，阀门12和局部通风机37可以选用电控气动阀门，第一温度传感器15和第二温度传感器16可以选择热电偶，流量传感器13可以选用涡轮式流量计。

在实际应用中，首先启动向各阀门12供高压空气的控制器10，然后启动空气压缩机组21和冷却机组22，控制器10发送开启阀门12的信号，使得系统整体进入启动状态；在引射器32的引射入口33处的空气流的温度和流量达到控制器10设定的温度和流量水平之后，控制器10发送启动局部通风机37的信号，并通过调整局部通风机37的转速，使引射入口33处的低温空气和井下环境空气在引射器32内充分混合，直至引射器32下游端的空气流的温度和流量达到控制器10中设定的目标温度和目标流量。期间通过水气分离器23和表冷器36对进入引射器32的地面空气和井下新风分别进行除湿。通过控制器10对空气流的温度、压力和流量进行实时地检测，并通过控制器10对发电机31的励磁电流和局部通风机37的转速进行实时地调整，使得系统始终处于趋于稳定的运行状态。

需要说明的是，尽管以通过控制器10来设定空气压缩机组21的下游端的空气流的压力及冷却机组22下游端的空气流的温度作为示例介绍了局部制冷系统如上，但本领域技术人员能够理解，本发明应不限于此。事实上，用户完全可根据实际应用场景，灵活地设定上述压力和温度参数。如由于井下与地上的距离一般会有1km左右的垂直距离，因此控制器10与地上单元实现通讯并没有想象中的方便。所以在一种可能的实施方式中，也可以如图2所示，控制器10可以不与设定空气压缩机组21下游端的压力以及冷却机组22下游端的温度(即不与空气压缩机组21以及冷却机组22通讯)，而通过人工的方式在空气压缩机组21和冷却机组22的设备本身来设定的相应的压力和温度。如空气压缩机组21自身即具有设置和检测空气压缩机组21出口的空气压力的功能，以及冷却机组22自身即具有温度设置和检测的功能，通过控制冷却水泵或者风机的输入电频率改变冷却水(或者冷却风)的流量。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。