本发明属于煤矿井下降温技术领域，特别是涉及一种高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置及方法。
背景技术：
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随着我国采矿工业的发展，煤矿开采深度的不断增加，高温矿井数目也随之增加，高温热害问题更加突出，深部矿井高温热害问题逐渐成为制约深部煤炭资源开采的重要因素，矿井降温问题是我国矿山开采面临的严峻问题，成为继顶板、瓦斯、水、火、粉尘后的第六大矿井自然灾害。
传统降温技术包括非机械制冷降温技术和机械制冷降温技术两大类。非机械制冷技术包括优化矿井开拓布置、优化通风网络、增大风量、受控循环风、压气动力、预冷煤层、全面填充法管理顶板、岩壁隔热、热水疏排管道隔热、地层储热；机械制冷包括水冷却系统、冰冷却系统、热-电-乙二醇低温制冷降温系统、矿井轻便空调室、冷却服等。从国内外应用情况来看，高温热害比较突出的矿井，采取机械制冷降温方式的居多。机械制冷降温技术经过几十年的发展已经成为一项比较成熟的矿井降温制冷技术，但是由于我国制冷设备仍依赖进口，而进口的制冷设备价格昂贵、功耗大等因素限制了矿井空调的推广。而且进口设备运行和维护成本非常高，造成一些煤矿企业引进的制冷设备缺少零部件甚至处于闲置状态。我国的矿井空调制冷降温技术并没有取得理想的效果。
利用液态CO2作为制冷介质，在取得较好降温效果的同时，可以减少CO2向大气中的排放量，达到节能减排的社会效益和环境效益；CO2熔点为-56.57℃，此时经过汽化作用转换为气态后温度达到20℃时放出冷量为411.94kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等优点，可以有效的提高制冷效率，达到降温的目的。
技术实现要素：
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针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置及方法，采用液态CO2制冷进行降温，降低生产成本，保护环境，大幅提高生产效率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置，包括通风机、风筒、液态CO2储存罐、液态CO2输送管、换热器和气态CO2排放管；
所述的液态CO2储存罐设有出口，所述的换热器设有液态CO2输入口和气态CO2排放口；
所述的通风机通过风筒与换热器一端连接，所述的换热器另一端通过风筒与采掘工作面连通，所述的液态CO2储存罐通过液态CO2输送管与换热器的液态CO2输入口连接，所述的换热器的气态CO2排放口通过气态CO2排放管与采空区连通；
所述的液态CO2输送管上，由液态CO2储存罐出口向换热器方向依次设有第一压力表和第一阀门，所述的气态CO2排放管上，由气态CO2排放口向采空区的方向依次设有第二阀门和第二压力表。
所述的换热器包括冷却盘管和壳体，所述的冷却盘管设置在壳体内，冷却盘管一端通过液态CO2输入口与液态CO2输送管连接，冷却盘管另一端通过气态CO2排放口与气态CO2排放管连接。
所述的冷却盘管按照蛇形盘管的方式布置，管路外型是星型换热肋片。
所述的第一阀门，用于控制液态CO2储存罐中液态CO2的流量。
所述的第一压力表，用于监测液态CO2储存罐出口处液态CO2的压力值。
所述的第二阀门，用于控制液态CO2输送管内压力及气态CO2的排放。
所述的第二压力表，用于监测排出气体CO2的压力值。
所述的高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置布置在巷道内，其中，所述的通风机安设在进风巷道，所述的风筒和换热器均通过挂钩吊挂在巷道顶板，所述的液态CO2输送管铺设在巷道壁。
所述的通风机为局部通风机。
所述的液态CO2输送管外层设有保温层。
所述的液态CO2输送管由若干单元输送管串联而成，各单元输送管之间通过法兰盘连接，法兰盘接口处安有垫圈。
所述的气态CO2排放管由若干单元排放管串联而成，各单元排放管之间通过快速接头连接。
所述的液态CO2输送管耐压强度在5MP以上，耐温下限不高于-57℃。
所述的通风机用于为整个制冷降温装置提供通风动力，同时也为采掘工作面提供风流。
所述的液态CO2输送管用于将液态CO2储存罐内的液态CO2输送到换热器的冷却盘管。
所述的液态CO2储存罐用于储存液态CO2。
所述的液态CO2用于作为整个制冷降温装置的制冷介质。
所述的风筒用于输送由通风机到换热器之间的风流以及从换热器到采掘工作面之间的风流。
所述的换热器用于将液态CO2转换为气态CO2，同时液-气两相转换过程中释放的冷量用于冷却由风筒输送到换热器内的风流，达到降低风流温度的目的。
所述的气态CO2排放管用于将液态CO2经过换热器后转换为的气态CO2排放到采空区。
采用所述的高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置进行降温的方法，包括以下步骤：
步骤1：启动通风机，风流通过风筒，经换热器输送至采掘工作面；
步骤2：打开第一阀门，液态CO2通过液态CO2输送管流动到换热器的冷却盘管，同时，通过第一压力表监测液态CO2储存罐出口处压力值，当液态CO2储存罐出口处的压力值低于0.52MPa时，更换液态CO2储存罐；
步骤3：流经换热器的风流，与冷却盘管的液态CO2进行换热降温，形成冷却风流，冷却风流通过风筒输送到采掘工作面，实现采掘工作面降温；
步骤4：冷却盘管内的液态CO2经与风流换热后发生相变，由液态CO2转变为气态CO2，并经气态CO2排放管输送至采空区。
步骤2所述的液态CO2，由于液态CO2具有高压力，第一阀门打开后，液态CO2通过液态CO2输送管主动流动到换热器的冷却盘管。
本发明提供的一种高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温方法是利用液态CO2转化为气态CO2过程中释放的冷能来降低流经换热器的风流温度，以此来降低采掘工作面的风流温度，为工作人员提供舒适的工作环境。
本发明的有益效果：
1、工业生产中CO2尾气排放量较大，通过压缩提纯后成为工业生产的副产品。将其应用于煤矿井下制冷降温，可以减少CO2向大气中的排放量，缓解温室效应，具有良好的环境效益；
2、液态CO2是工业生产的副产品，成本较低，价格低廉，应用于煤矿井下制冷降温，可以大幅度缩减制冷降温费用，降低煤矿的生产成本，具有良好的经济效益；
3、液态CO2熔点为-56.57℃，此时经过汽化作用转换为气态后温度达到20℃时放出冷量为411.94kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等优点，可以有效提高制冷效率；
4、本发明的制冷降温技术，是针对煤矿高温采掘工作面进行局部降温，目的是为工作人员提供舒适的工作环境，保障身体健康，提高劳动生产率，相比于传统的空调制冷设备对全风流降温所产生的巨额制冷费用，具有明显的优势。
附图说明：
图1为本发明的高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置结构示意图；
其中，1-局部通风机；2-液态CO2储存罐；3-风筒；4-第一压力表；5-液态CO2输送管；6-第一阀门；7-换热器；8-气态CO2排放管；9-冷却盘管；10-壳体；11-第二压力表；12-第二阀门。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1所示，高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置，包括局部通风机1、风筒3、液态CO2储存罐2、液态CO2输送管5、换热器7、气态CO2排放管8；
所述的液态CO2储存罐2设有出口，所述的换热器7设有液态CO2输入口和气态CO2排放口；
所述的局部通风机1通过风筒3与换热器7一端连接，所述的换热器7另一端通过风筒3与采掘工作面连通，所述的液态CO2储存罐2通过液态CO2输送管5与换热器7的液态CO2输入口连接，所述的换热器7的气态CO2排放口通过气态CO2排放管8与采空区连通；
所述的液态CO2输送管5上，由液态CO2储存罐出口向换热器方向依次设有第一压力表4和第一阀门6，所述的气态CO2排放管8上，由气态CO2排放口向采空区的方向依次设有第二阀门12和第二压力表11。
所述的第一阀门6，用于控制液态CO2储存罐2中液态CO2的流量。
所述的第一压力表4，用于监测液态CO2储存罐2出口处液态CO2的压力值。
所述的第二阀门12，用于控制液态CO2输送管5内压力及气态CO2的排放。
所述的第二压力表11，用于监测排出气体CO2的压力值。
所述的换热器7包括冷却盘管9和壳体10，所述的冷却盘管9设置在壳体10内，冷却盘管9一端通过液态CO2输入口与液态CO2输送管5连接，冷却盘管9另一端通过气态CO2排放口与气态CO2排放管8连接。
所述的高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温装置布置在巷道内，其中，所述的局部通风机1安设在进风巷道，所述的风筒3和换热器7均通过挂钩吊挂在巷道顶板，所述的液态CO2输送管5铺设在巷道壁。
所述的冷却盘管9按照蛇形盘管的方式布置，管路外型是星型换热肋片。
所述的液态CO2输送管5外层设有保温层。
所述的液态CO2输送管5由若干单元输送管串联而成，各单元输送管之间通过法兰盘连接，法兰盘接口处安有垫圈。
所述的气态CO2排放管8由若干单元排放管串联而成，各单元排放管之间通过快速接头连接。
所述的液态CO2输送管5耐压强度在5MP以上，耐温下限不高于-57℃。
所述的局部通风机1用于为整个制冷降温装置提供通风动力，同时也为采掘工作面提供新鲜风流。
所述的液态CO2输送管5用于将液态CO2储存罐2内的液态CO2输送到换热器7的冷却盘管9。
所述的液态CO2储存罐2用于储存液态CO2。
所述的液态CO2用于作为整个制冷降温装置的制冷介质。
所述的风筒3用于输送由局部通风机1到换热器7之间的风流以及从换热器7到采掘工作面之间的风流。
所述的换热器7用于将液态CO2转换为气态CO2，同时液-气两相转换过程中释放的冷量用于冷却由风筒3输送到换热器7内的风流，达到降低风流温度的目的。
所述的气态CO2排放管8用于将液态CO2经过换热器7后转换为的气态CO2排放到采空区。
本实施例的高温采掘工作面液态CO2相变制冷降温方法，包括以下步骤：
步骤1：启动局部通风机1，风流通过风筒3，经换热器7输送至采掘工作面；
步骤2：打开第一阀门6，液态CO2由于具有高压力，因此通过液态CO2输送管5主动流动到换热器7的冷却盘管9，同时，通过第一压力表4监测液态CO2储存罐2出口处压力值，当液态CO2储存罐2出口处的压力值低于0.52MPa时，更换液态CO2储存罐2；
步骤3：流经换热器7的风流，与冷却盘管9的液态CO2进行换热降温，形成冷却风流，冷却风流通过风筒3输送到采掘工作面，实现采掘工作面降温；
步骤4：冷却盘管9内的液态CO2经与风流换热后发生相变，由液态CO2转变为气态CO2，并经气态CO2排放管8输送至采空区。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。