专利名称：一种矿用救生舱制冷装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种矿用救生舱制冷装置和方法，属于密闭空间安全救生及环境控制领域。
背景技术：
针对国内矿井安全生产事故频发的严峻现状，相关监管部门要求地下矿井在2013年6月之前必须完善生产安全设施，完成紧急避险等六大装置的安装，以应对各类突发危险，减少事故及人员伤亡。矿用救生舱作为一种新型的紧急避险装备，可为不能及时撤离的井下遇险人员提供一个安全的避难场所，对改变单纯地依赖外部救援的矿难应急救援模式，由被动待援到外部救援与主动自救相结合，使救援工作科学、有效地进行起到了至关重要的作用。 国内矿井安全形势严峻，发展救生舱已刻不容缓。舱内空间封闭，人体代谢湿热负荷若不及时消除，将危及生命，所以救生舱的降温除湿能力是其关键性能指标之一，其降温除湿技术的可操作性及可靠性将直接影响到产品的总体性能，决定其能否实现应急救生的功能。目前适用于救生舱的制冷方式主要有蓄冰制冷、蓄电制冷、高压气源制冷。蓄冰制冷的制冰装置故障率较高且长期使用维护成本高。对于蓄电制冷，其制冷性能受外界环境影响较大，且大功率防爆蓄电池存在安全隐患而得不到矿用许可证。以二氧化碳为制冷剂的高压气源开放式制冷技术由于其制冷性能稳定可控，制冷剂价格低廉且绿色环保，设备维护成本低，并可在无任何外部动力的情况下实现制冷、除湿、净化一体化，优点突出，已成为矿用救生舱制冷方式的首选。但是高压二氧化碳开放式制冷装置同样也面临较多的技术问题。装置运行压力高；所需液化气体体积较大，存储用钢瓶占用空间较大；二氧化碳中含有水分，容易造成管路冰堵；随着液态二氧化碳流量的减小，其释放的冷量不足以平衡舱内的热负荷，舱内的温湿度会逐渐上升，所以考虑到实际的制冷效率，传统的制冷装置中钢瓶内的二氧化碳一般只有70% 75%得到利用，这无疑造成了能源和空间的浪费。因此，在保证良好的制冷效果的基础上如何达到安全稳定、节能经济的效果是装置设计的关键。
发明内容
有鉴于此，本发明针对矿用救生舱的特殊使用环境和要求，提供了安全可靠、性能稳定、调节灵活、操作方便的矿井救生舱制冷装置和方法。本发明的矿用救生舱制冷装置包括二氧化碳钢瓶、管路、一级旁通阀、一级减压节流阀、一级毛细管蒸发器、二级减压节流阀、二级联通阀、二级毛细管蒸发器、排气调节阀和气动风机。所述一级减压节流阀和二级减压节流阀中均设置有压力表。其连接关系为所有二氧化碳钢瓶均接入管路，管路通过一级减压节流阀接入一级毛细管蒸发器。一级毛细管蒸发器通过二级减压节流阀与二级毛细管蒸发器相连。二级毛细管蒸发器与气动风机相连。一级旁通阀跨接在一级减压节流阀的进口和二级减压节流阀的出口之间。二级旁通阀跨接在二级减压节流阀的进口和气动风机的进口之间。排气调节阀的进口端与二级毛细管蒸发器的出口连通，排气调节阀的出口端直接向外排气。该装置进一步包括一级温度仪和二级温度仪。所述一级温度仪设置在一级减压节流阀的出口处。二级温度仪设置在二级减压节流阀的出口处。通过上述压力表和温度仪测得的压力值和温度值调节各个减压节流阀的开度，能够实现二氧化碳介质的压降分配与制冷温度的良好匹配，从而充分利用二氧化碳的冷量。基于上述系统的矿用救生舱制冷方法包括一级蒸发和二级蒸发两种工况在制冷初期，采用二级蒸发，开启一级减压节流阀和二级减压节流阀，关闭一级旁通阀、二级旁通阀和排气调节阀。所述一级毛细管蒸发器和二级毛细管蒸发器串联运行。当二级温度仪测得的温度值达到设定值时，进入一级蒸发状态打开一级旁通阀、二级旁通阀、排气调节阀，关闭二级减压节流阀。所述一级毛细管蒸发器和二级毛细管蒸发器并联运行。
有益效果(I)本发明与现有的二氧化碳开放式制冷装置相比，由于一二级蒸发器在放冷后期可由串联操作改为并联操作，即在二氧化碳液体干度无法满足两级蒸发器串联制冷，释冷功率明显降低的情况下，通过改变阀门的开闭，使两级蒸发器并联，增大液态二氧化碳的流量继续制冷，如此可允许将钢瓶内存储的二氧化碳最大限度地释放，有效提高了二氧化碳的冷量利用率，并有助于减少钢瓶的数量或体积，节省有限的舱体空间。(2)在本发明中两级节流减压阀出口处设置温度仪，可更直观地监测关键位置温度的变化，配合调节节流减压阀的开度以控制蒸发器的温度和压力，使液态二氧化碳在蒸发器中充分吸热，并协助避免管路冰堵和蒸发器结霜现象。
图I为本发明矿井救生舱制冷装置的结构示意图；图2为气动风机的工作原理图。图中，I-二氧化碳钢瓶；2-管路；3_—级旁通阀；4_一级减压节流阀；5_ —级温度仪；6_—级毛细管蒸发器；7_ 二级减压节流阀；8_ 二级旁通阀；9_ 二级温度仪；10-二级毛细管蒸发器；11_排气调节阀；12_气动风机。
具体实施例方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。本实施例针对矿用救生舱的特殊使用环境和要求，提供一种矿用救生舱制冷装置。该装置包括两个或两个以上二氧化碳钢瓶I、管路2、一级旁通阀3、一级减压节流阀4、一级温度仪5、一级毛细管蒸发器6、二级减压节流阀7、二级联通阀8、二级温度仪9、二级毛细管蒸发器10、排气调节阀11和气动风机12。其连接关系为所有二氧化碳钢瓶I均接入管路2，管路2通过一级减压节流阀4接入一级毛细管蒸发器6。一级毛细管蒸发器6通过二级减压节流阀7与二级毛细管蒸发器10相连。二级毛细管蒸发器10与气动风机12相连。一级旁通阀3跨接在一级减压节流阀4的进口和二级减压节流阀7的出口之间。二级旁通阀8跨接在二级减压节流阀7的进口和气动风机12的进口之间。排气调节阀11的进口端与二级毛细管蒸发器10的出口连通，排气调节阀11的出口端直接向外排气。一级减压节流阀4的出口处设有一级温度仪5 ;二级减压节流阀7的出口处设有二级温度仪9。该矿井救生舱制冷装置的制冷原理为当井下发生事故，避险人员进舱后，在制冷初期，由于制冷初期二氧化碳钢瓶I内储存的二氧化碳干度较高，采用二级蒸发。先开启一级减压节流阀4和二级减压节流阀7，关闭一级旁通阀3、二级旁通阀8和排气调节阀11。高压常温的液态二氧化碳由二氧化碳钢瓶I流入管路2，流经一级减压节流阀4变成中压低温的二氧化碳液体，进入一级毛细管蒸发器6，吸收舱内人员和设备产生的热负荷后沸腾气化，变为中压常温的二氧化碳气体，而后流经二级减压节流阀7变为低压低温的气体，进入二级毛细管蒸发器10继续放冷变为低压常温的二氧化碳气体，此时的二氧化碳气体仍具有一定的压力，将其导入气动风机12， 驱动气动风机12旋转,气动风机12的工作原理如图2所示,气动风机12旋转时,救生舱内的空气在气动风机12的作用下经过位于制冷装置进口的空气净化剂，实现救生舱内空气的净化，而后再依次经过两个毛细管蒸发器管道外围，与两个毛细管蒸发器管道中的二氧化碳气体进行热量交换，实现救生舱内空气的循环降温，而二氧化碳气体将直接被排出救生舱外，以用来隔离瓦斯。在保障时间后期若避险人员还未能获救，随着制冷过程的进行，钢瓶内的二氧化碳压力和干度逐渐降低，已经无法满足二级蒸发的用气要求，当二级温度仪9测得的温度值达到设定值时，进入一级蒸发状态。打开一级旁通阀3、二级旁通阀8、排气调节阀11，关闭二级减压节流阀7，此时一级毛细管蒸发器6和二级毛细管蒸发器10并联运行。配合一级温度仪5和二级温度仪9的显示的温度，调整一级减压节流阀4和二级减压节流阀8的开度，从而调整管路2中二氧化碳的压力以实现快速降温。此时从二氧化碳钢瓶I流出的二氧化碳将分成两个支路，一个支路流经一级旁通阀3和二级毛细管蒸发器10，另一支路流经一级减压节流阀4、一级毛细管蒸发器6和二级旁通阀8。两级蒸发器均能正常使用，有助于快速降温。当两支路汇流后，一部分二氧化碳气体将驱动气动风机12，另一部分二氧化碳气体将直接由排气调节阀11排出舱外。鉴于舱内不同的使用环境对制冷温度需求的差异，可根据实际情况依据温度仪和压力表所测的各部位的温度和压力的变化调节各个减压节流阀的开度，以实现二氧化碳介质的压降分配与制冷温度的良好匹配，充分利用二氧化碳的冷量。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种矿用救生舱制冷装置，其特征在于，该装置包括二氧化碳钢瓶(I)、管路(2)、一级旁通阀(3)、一级减压节流阀(4)、一级毛细管蒸发器(6)、二级减压节流阀(7)、二级联通阀(8)、二级毛细管蒸发器(10)、排气调节阀(11)和气动风机(12)； 其连接关系为所有二氧化碳钢瓶(I)均接入管路(2)，管路(2)通过一级减压节流阀(4)接入一级毛细管蒸发器(6);—级毛细管蒸发器(6)通过二级减压节流阀(7)与二级毛细管蒸发器(10)相连；二级毛细管蒸发器(10)与气动风机(12)相连；一级旁通阀(3)跨接在一级减压节流阀(4)的进口和二级减压节流阀(7)的出口之间；二级旁通阀(8)跨接在二级减压节流阀(7 )的进口和气动风机(12 )的进口之间；排气调节阀(11)的进口端与二级毛细管蒸发器(10)的出口连通，排气调节阀(11)的出口端直接向外排气。
2.如权利要求I所述的一种矿用救生舱制冷装置，其特征在于，进一步包括一级温度仪(5)和二级温度仪(9);所述一级温度仪(5)设置在一级减压节流阀(4)的出口处；二级温度仪(9 )设置在二级减压节流阀(7 )的出口处。
3.如权利要求I所述的一种矿用救生舱制冷系统，其特征在于，所述一级减压节流阀(4)和二级减压节流阀(7)中均设置有压力表。
4.一种矿用救生舱制冷方法，其特征在于，该方法包括一级蒸发和二级蒸发两种工况 在制冷初期，采用二级蒸发，开启一级减压节流阀(4)和二级减压节流阀(7)，关闭一级旁通阀(3)、二级旁通阀(8)和排气调节阀(11);所述一级毛细管蒸发器(6)和二级毛细管蒸发器(10)串联运行； 当二级温度仪(9)测得的温度值达到设定值时，进入一级蒸发状态打开一级旁通阀(3)、二级旁通阀(8)、排气调节阀(11)，关闭二级减压节流阀(7);所述一级毛细管蒸发器(6)和二级毛细管蒸发器(10)并联运行。
全文摘要
本发明公开了一种矿用救生舱制冷装置和方法，属于密闭空间安全救生及环境控制领域。该装置包括二氧化碳钢瓶、管路、一级减压节流阀、一级旁通阀、一级温度仪、一级毛细管蒸发器、二级减压节流阀、二级旁通阀、二级温度仪、二级毛细管蒸发器、排气调节阀和气动风机。该方法由于采用了一级毛细管蒸发器和二级毛细管蒸发器串并联布置切换元件，可有效提高制冷剂的冷量利用率，并减少冷量损失；此外通过设置一级温度仪和二级温度仪，提高了装置运行操作的可控性。本发明具有性能安全稳定、调节灵活方便、节能环保经济等优点。
文档编号E21F11/00GK102889095SQ20121039366
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者赵瀛, 李敏, 白振光, 韩志强, 原培胜, 王成伟, 陈现明 申请人:赵瀛, 李敏, 白振光, 韩志强, 原培胜, 王成伟, 陈现明