[科普中国]-矿井制冷

简介

矿井制冷的制冷降温系统主要由制冷机、空气冷却器和冷却水塔组成。在制冷机内，通过制冷剂的蒸发吸热和压缩放热过程，在一端制冷，另一端散热。冷媒在制冷机的冷端冷却后，经管道送人空气冷却器，用于冷却空气。

矿山多采用蒸发压缩式制冷机。常用的制冷剂有氨和氟利昂。氨有臭味和毒性，不能在井下使用;氟利昂(商品名，化学名为卤代烃，是应用最广的制冷剂，常用的有氟利昂12(R12)、氟利昂22(R22)、氟利昂11(R一1)等。

布置方式矿井制冷降温系统的布置方式有三种:

(1)制冷机和冷却水塔设在地面，对矿井总进风进行冷却，这是一种早期的降温方法，降温效果不佳，只在夏季辅助制冷。

(2)制冷机和冷却水塔设在地面，冷媒通过隔热管道送到井下，空气冷却器设在各作业面的进风口处，只对作业面进风流降温。这种方法对作业面降温效果好，但输送冷媒冷损较大，适用于不太深的矿井。

(3)全部制冷降温系统均设在井下，中央制冷机站设在回风井附近，冷却水塔设在矿井回风流中，空气冷却器设在作业面的入风流处。这种方法应用广泛，对作业面降温效果好、冷损小、费用低，但管理困难，铜室开凿工程量大。此外，还可采用小型制冷降温装置，将其设在作业面附近，对进风流进行降温。这种制冷装置多用于分散、距离远的作业面。2

矿井制冷降温的研究意义为了保障煤矿生产的安全，改善井下工作人员的工作环境，有关矿井制冷降温的技术得以不断发展。由最开始的改善通风及减少热源放热这些非人工制冷降温技术发展到后来的空调制冷降温技术，但是非人工制冷降温技术并不能从根本上解决热害问题，因此，针对目前我国矿井热害情况，矿井制冷空调技术成为矿井降温主要手段。

矿井制冷的种类及原理目前矿井降温技术主要包括非人工制冷降温技术及空调制冷降温技术。
1、非人工制冷

非人工制冷的降温方法包括：改善通风及减少各种热源放热。

2、矿井空调制冷

根据载冷剂的不同将目前矿井空调制冷技术分为蒸汽压缩式、空气压缩式、人工制冷水以及人工制冰空调降温技术。

（1）蒸汽压缩制冷。利用低沸点的制冷剂在气化过程的吸热现象及液化过程的放热现象，借助压缩的抽吸增压、冷凝器的冷凝放热、节流阀的节流作用、蒸发器的吸热气化，且不停的循环上述过
程，使被冷对象温度下降。

（2）空气压缩制冷。空气用作为制冷装置的工质时，其吸热及放热过程为定压过程。外界消耗机械功驱动
压气机工作，来自冷藏库内换热器的空气被吸入压气机进行绝热压缩。从压气机出来的空气进入冷却器，在其中进行定压冷却，其温度降低到冷却介质的温度。然后，空气进入膨胀机，在其中进行绝热膨胀而降压、降温。温度低于冷藏库温度的空气被引入冷藏库内的换热器中，从其周围物体吸热，在定压下其温度升高到冷库温度，最后又被压气机吸出重复上述循环。

（3）人工制冷水。人工制冷水降温技术是矿井降温的主要手段，其主要包括以下几种形式：分布式、地面集中式、井下集中式、地面井下联合集中式。实践表明，负荷不同时采用不同形式的人工制冷水降温技术，能提高制冷效率：负荷小的矿井宜采用分布式，负荷大的矿井则宜采用集中式。而在采用集中式人工制冷水降温技术时，井下集中式的问题是冷凝水排放难，而地面集中式和地面井下联合集中式均须采用高低压转换设备，会遇到温度跃升的问题。各国研究机构都在致力于解决上述两个难题，经过几十年的发展，人工制冷水技术已经较为成熟，在未来，该项技术仍将是矿井降温技术的主流技术。

（4）人工制冰。人工制冰空调降温技术的主要原理为：利用冰的融化吸热，把水冷却至接近0度，然后把经过冰冷却的水输送至各个工作面。系统包括
三个主要组成部分：冰的制备，冰的运输和冰的溶解；其中冰的融化是系统中一个至关重要的环节，它关系到能否提供稳定的水流量和稳定的低温水。目前，冰冷却降温技术仍处在试验研究阶段，特别是冰的融化技术目前还很不成熟，具有较大的发展空间。

（5）人工制冷水与制冰相结合。将人工制冷水降温技术与人制冰技术相结合，在地面集中制冰，制冰的速度根据井下制冷量来确定，把冰输送至井下，然后再输送至各个工作面进行制冷。

该方法具有以下特点：1) 主要制冷设备在井上，便于维修，且不需进行防爆设计。2) 系统更加简单，省略了融冰过程，减少了能源的浪费。3) 冰降温系统比水降温系统的效率更高，且需要排往地面的水量大大减少，很好的解决了人工制冷水降温技术中冷凝水排放难的问题。

矿井制冷降温的专利基础状况分析世界矿井制冷降温技术处于领先地位的是德国，早期大部分矿井制冷降温设备都是从德国引进。中国矿井制冷降温技术经过近年来的迅猛发展，关于矿井制冷降温的专利申请量有了较大的提高。以国家知识产权局专利数据库为基础，对国内外在中国的矿井制冷降温专利进行分析。从图1中可以看出：中国的矿井制冷降温专利申
请量在该领域的申请量达到了458件，位于第一位，且申请量遥遥领先于其它国家，约占总量的30%，这与我国丰富的煤炭资源以及大力发展煤炭开采密切相关，同时，中国近些年对于知识产权的重视也促使了中国关于矿井制冷降温专利申请量的迅猛增长。德国在矿井制冷降温领域的申请量排在第二位，约占总量的15%，德国在该领域的起步较早，且技术发展较为成熟，对该领域的技术发展起到了巨大的推动作用。中国、德国、日本、美国等几个主要国家的申请量占到了总申请量的79%。

我国矿井空调制冷技术的发展趋势预计到2050年，煤炭资源占一次能源消费比例将不低于50%，也就是说，在未来的三十几年中，煤炭资源仍将作为主要能源。但是，随着我国浅部煤炭资源的开采殆尽，深部煤炭资源将成为主体能源，而矿井深部开采时面临的热害问题也将是以后需要重点关注并解决的技术难题，经过对我国矿井空调制冷技术的分析可知，我国的矿井空调制冷降温技术及相关设备的发展还有较大的空间，我国煤矿深部矿井空调制冷降温技术及相关设备将会朝着以下几个方向发展：

1)我国矿井空调制冷降温形式将保持井下局部、地面集中和井下集中三种不同的形式并存的格局，矿井空调制冷降温规模总量将逐年增加。

2)我国已经逐渐掌握了国外先进的技术及设备，矿井空调制冷降温成套装备将会逐渐实现国产化，从而大大降低矿井热害治理的成本。

3)节能减排新技术及新能源将被广泛应用。除了煤炭，煤矿中还蕴藏着许多宝贵的能源，例如回风热、地热、电站余热、水资源等，都可以被用于制冷降温，从而大大降低能耗并减少废热的排放。