第10卷第4期

2014年4月中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)JournalofSafetyScienceandTechnologyVol．10No．4Apr．2014文章編號：1673－193X（2014）－04－0059－06

礦井壓氣等熵膨脹與節(jié)流膨脹降溫效果對比研究

邱冠豪，吳

摘*超，黃山果長沙410083）（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南要：壓縮空氣是礦山井下常用動力，壓氣絕熱膨脹能夠吸收風流中的熱量，因而可用于改善井

下作業(yè)環(huán)境與氣候條件。通過理論與實例分析比較高壓氣體等熵膨脹和節(jié)流膨脹溫度隨壓力變

化情況及降溫效果，得出等熵膨脹原理更適合用于高溫礦井或掘進面降溫。通過分析壓氣與引入

氣流質(zhì)量比對井下熱工作面空氣溫度、濕度、含氧量的影響，得出壓氣等熵膨脹降溫后礦井氣候變

化與壓氣百分比的數(shù)學(xué)關(guān)系式，并將關(guān)系式應(yīng)用于實例中。以礦山具體實例分析了礦井采用壓氣

等熵膨脹制冷后空氣質(zhì)量的變化以及采用壓氣制冷的成本。同時與冰制冷系統(tǒng)的效果與成本比

較，得出選用壓氣制冷效果好、成本低，可為我國深井局部降溫的一種可供選擇的方法。

關(guān)鍵詞：礦井降溫；高溫工作面；壓縮氣體；等熵膨脹

中圖分類號：X936文獻標志碼：Adoi：10.11731/j．issn．1673-193x．2014.04.010

Comparisonstudyoncoolingeffectofcompressedairisentropic

expansionandthrottlingexpansioninmine

QIUGuan-hao，WUChao，HUANGShan-guo

（SchoolofＲesourcesandSafetyEngineering，CentralSouthUniversity，ChangshaHunan410083，China）

Abstract：Compressedairiscommonlyusedaspowerinundergroundmine．Compressedairadiabaticexpansionisoftenusedforheatabsorptionwhileitisexpandedintosurroundings，soitiswidelytakenasaneffectivewaytoim-provetheundergroundworkingenvironmentandclimateconditions．Inordertovalidatethattheisentropicexpan-sionprincipleisbetterwhenitisusedinhightemperaturemineorexcavatingsurfacecooling，temperaturechangesofthehighpressuregasisentropicexpansionandthrottlingexpansionwiththepressureandcoolingeffectwereana-lysedandcompared．Throughtheanalysisoninfluenceofmassratiobetweencompressedairandhotworkingairtotheairqualityinundergroundhotface，somequantitativerelationshipsbetweenmassratioandairtemperature，hu-midityaswellasoxygencontentinthefaceaftercoolingwerestudied．Meaningwhile，thesequantitativerelation-shipswereappliedtopracticalcase．Theeffectandeconomicevaluationofcompressedairrefrigerationsystemandtheicecoolingsystemwerealsodiscussed．Thus，itshowedthatthetemperaturereductionbymeansofcompressedairrefrigerationhasabettereffectandspendsless，remainsaselectivemethodfordeep-wellcoolingpracticeinChinaatpresentstage．

Keywords：minecooling；high-temperatureworkingface；compressedair；isentropicexpansion

0引言

據(jù)不中國是世界上高溫熱害礦井最多的國家，

收稿日期：2013－12－14完全統(tǒng)計，我國已有130多對礦井的采掘工作面溫度風流溫度超過30℃，同時已探明的煤炭儲量中，1000m以下深處的煤炭儲量占總儲量的53.2%。壓縮空氣降溫是基于氣體絕熱膨脹過程（某些相關(guān)研究將其當作多變過程處理）吸熱原理的空氣制冷

技術(shù)，目前已廣泛的應(yīng)用于航空、制氧、石油等工業(yè)*基金項目：國家安監(jiān)總局安全科技“四個一批”項目，安

〔2012〕142號監(jiān)總廳科技

·60·中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)

1.31.3.1

等熵膨脹與節(jié)流膨脹的比較及結(jié)論制冷效果的理論公式比較將式（3）與式（4）比較，得：

μS=μJ+

V

CP

第10卷

另外將井下作業(yè)用壓縮空氣作為膨脹工質(zhì)的領(lǐng)域，

［4］

礦井空氣制冷系統(tǒng)在國內(nèi)外也有發(fā)展。目前關(guān)于礦井高壓氣體制冷的研究，只是簡單的提出能夠采用壓氣用于礦井制冷。在壓氣制冷效果方面，僅考慮了壓氣膨脹制冷的兩種方式中的節(jié)流膨脹及其吸熱量。在采用壓氣降溫成本及效果方面，在未與其他降溫方式比較的情況下就得出壓氣降溫成本低效果好。本文通過分析與比較壓氣的等熵膨脹與節(jié)流膨脹方式，得出壓氣等熵膨脹更適合礦井制冷。建立了壓氣等熵膨脹后壓氣質(zhì)量與混合后氣體的溫度、濕度、含氧量的數(shù)學(xué)公式，并且通過實例比較得出壓氣等熵膨脹制冷效果好成本低。

（5）

V＞0，Cp＞0，1）對于任何氣體，所以μs－μJ的

值恒大于零。這就證明在相同條件下，等熵膨脹系數(shù)恒大于節(jié)流膨脹系數(shù)。

2）對于任何氣體，V＞0，CP＞0，（V/T）

P

＞0，所

以μs恒大與零。證明任何氣體在任何狀態(tài)下經(jīng)等熵絕熱膨脹，都可以制冷。而節(jié)流膨脹過程中恒有dp＜0，節(jié)流膨脹后氣體的溫度是升高還會降低取決于μJ的正負。

3）在絕熱條件下體系膨脹做功的能量來自于體系熱力學(xué)能的減少。這也就使得在礦井中可以應(yīng)用氣體膨脹減少的熱能為井下設(shè)備提供能量，以減少井下熱源。但是節(jié)流膨脹過程中只是與外部氣體進行熱交換并沒有做功。1.3.2

實例制冷效果比較

通過礦井中的實例比較壓氣的節(jié)流膨脹與等熵膨脹制冷在礦井制冷中的實際效果。

某高溫礦井壓氣站制造的壓氣為0.8MPa，經(jīng)管道輸送至各用氣工作面。用作節(jié)流膨脹制冷經(jīng)保溫管道輸送后，到達工作面前的壓力為0.8－0.3MPa，溫度為300K；用作等熵膨脹的壓氣經(jīng)過無縫鋼管輸送后，到達工作面壓力為0.8－0.3MPa，溫度為310K。壓氣分別經(jīng)過節(jié)流膨脹和等熵膨脹后，壓力降為0.1MPa。壓氣在礦井中的節(jié)流膨脹（等焓膨脹）與等熵膨脹后溫度與壓力的關(guān)系可以通過查閱空氣壓焓圖（Ｒ729）得出，其結(jié)果如圖1所示。壓氣經(jīng)節(jié)流膨脹后溫度隨著初始壓力的減小而增大。而在壓力為0.4MPa時與初始溫度相同。而經(jīng)等熵膨脹后溫度也隨初始壓力減小而降低，但仍然比初始溫度低的多，相比節(jié)流膨脹降溫明顯且達到相同降溫所需壓其壓力小。

1壓氣膨脹降溫原理和效果的比較

壓氣絕熱膨脹分為等熵膨脹、自由膨脹、節(jié)流膨脹三種情況，而自由膨脹不適合用于礦井制冷。從原理及實例分析兩個方面比較節(jié)流膨脹與等熵膨脹，尋求更加適合于高溫礦井或高溫工面降溫效果方式。

1.1等熵膨脹

等熵過程的溫度隨壓力的變化率用等熵效應(yīng)系數(shù)來衡量：

μs=

()

T�礟

（1）

S

為了判斷等熵制冷的可能性，對于一定組成單相體系，自由度為2，熵是溫度和壓力的函數(shù)S=f（P，T）對于等熵過程：

dS=�礢dT+�礢dP=0

�礟T�礣P

聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

()()

P

（2）

T�礦�礣

μs=

CP

1.2

節(jié)流膨脹

()

（3）

為判斷節(jié)流膨脹制冷的可能性，對于一定組成的單項體系，自由度為2的氣體進行節(jié)流膨脹。經(jīng)節(jié)流膨脹后，溫度隨壓力的變化率稱為節(jié)流膨脹系數(shù)，可以表示：

μJ=

2

濕度、含氧量高壓空氣等熵膨脹后溫度、

變化

空氣絕熱等熵膨脹溫度變化

()

�礣�礟

H

T�礦－V�礣P

=

CP

()

2.1

（4）

有氣體絕熱膨脹過程原理可知，氣體在絕熱膨脹的過程中，空氣的壓力和溫度會降低，根據(jù)氣體狀

第4期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)·61·

會吸收空氣中的熱量，從而有一定的降溫效果。

P為大氣壓力，式中，取p=101325Pa；a為混%；d空為壓縮空氣合空氣中壓縮空氣的質(zhì)量分數(shù)，

%；d井為井巷中原來空氣含氧量，%；d混含氧量，

%；d1為壓縮空氣含濕量，g/為混合后空氣含氧量，

kg；d2為礦井中空氣含濕量，g/kg；d3為混合氣體的g/kg；φ1為壓縮空氣的相對濕度，%；φ2為礦濕量，

%；φ3為混合氣體的相對濕井空氣的相對濕度，

%；PS1為壓縮空氣的飽和水蒸汽分壓力，Pa；PS2度，

Pa；PS3為混合氣為礦井空氣的飽和水蒸汽分壓力，

圖1

壓氣等熵膨脹和節(jié)流膨脹溫度與壓力的關(guān)系

Pa。體的飽和水蒸氣分壓力，

壓縮氣體在絕熱膨脹過程符合：態(tài)過程，

k－1

T2P2=T1P1

()

3

（6）

3.1

（7）

壓氣等熵膨脹原理用于掘進工作面降溫

的通風方法及實例分析

壓氣等熵膨脹原理用于掘進工作面混合通風方式的構(gòu)成

則膨脹前后氣體溫度差△t為：

Δt=

(T

1

－T2)=T11－

[

](PP)

21

k－1Pa；T1為壓式中：P1為壓縮空氣膨脹前的壓力，

K；P2為壓縮空氣膨脹縮空氣膨脹前的熱力學(xué)溫度，

Pa；T2為壓縮空氣膨脹后的熱力學(xué)溫度，后的壓力，

K；k為壓縮空氣的絕熱膨脹系數(shù)，k=1－1.4。2.2

井下空氣含氧量和濕度變化

采用高壓氣體等熵膨脹降溫還可以改善降溫區(qū)域內(nèi)空氣的含氧量。膨脹機出來的空氣來自地面，與井巷中原來含氧量為d井的空氣在含氧量為d空，

渦旋式高壓氣體膨脹機中混合�；旌虾罂照{(diào)送風中含氧量d混為：

d混=ad空+(1－a)d井

Δd622

=

ad1

+

（1

－

a）d2

－

d3

（8）=

則混合后空氣的含濕量的變化可用式（9）表示

氣體等熵膨脹是獲得低溫的重要手段，也是對外做功的一個重要熱力過程，旋渦式高壓氣體膨脹機、噴嘴、擴壓管則是實現(xiàn)接近等熵膨脹過程的一種有效設(shè)備。將礦井掘進工作面的混合式通風方式中的風機用渦旋式高壓氣體膨脹機代替。在高壓氣體膨脹機中氣體膨脹能對進入風機的空氣進行冷卻降溫，同時氣體膨脹做功也能夠代替電能推動風機工作既減少了耗電量也減少了一個對進風流進行加熱的熱源，有利于對風流的降溫。3.2

局部通風降溫方案效果的理論分析

掘進工作面是新掘進的巷道巖面與風流強烈地進行熱交換的地方。為了預(yù)測采用新的通風降溫方案后掘進工作面的氣溫、含氧量、濕度，從局扇進風口開始，順風流流向逐段預(yù)測計算。3.2.1