第10卷第4期

2014年4月中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)JournalofSafetyScienceandTechnologyVol．10No．4Apr．2014文章編號(hào)：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(duì)比研究

邱冠豪，吳

摘*超，黃山果長(zhǎng)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(dòng)力，壓氣絕熱膨脹能夠吸收風(fēng)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(shí)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(jìn)面降溫。通過分析壓氣與引入

氣流質(zhì)量比對(duì)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(shí)例中。以礦山具體實(shí)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(shí)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(guó)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(hào)：X936文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)是世界上高溫?zé)岷ΦV井最多的國(guó)家，

收稿日期：2013－12－14完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已有130多對(duì)礦井的采掘工作面溫度風(fēng)流溫度超過30℃，同時(shí)已探明的煤炭?jī)?chǔ)量中，1000m以下深處的煤炭?jī)?chǔ)量占總儲(chǔ)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(dāng)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(xiàng)目：國(guó)家安監(jiān)總局安全科技“四個(gè)一批”項(xiàng)目，安

〔2012〕142號(hào)監(jiān)總廳科技

·60·中國(guó)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(guó)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(jiǎn)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(shí)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(duì)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(duì)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(huì)降低取決于μJ的正負(fù)。

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(jìn)行熱交換并沒有做功。1.3.2

實(shí)例制冷效果比較

通過礦井中的實(shí)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(shí)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(dá)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(wú)縫鋼管輸送后，到達(dá)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?jí)毫Φ臏p小而增大。而在壓力為0.4MPa時(shí)與初始溫度相同。而經(jīng)等熵膨脹后溫度也隨初始?jí)毫�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(dá)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(shí)例分析兩個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)于一定組成的單項(xiàng)體系，自由度為2的氣體進(jìn)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(huì)降低，根據(jù)氣體狀

第4期中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)·61·

會(huì)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?jǐn)?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(duì)濕度，%；φ2為礦濕量，

%；φ3為混合氣體的相對(duì)濕井空氣的相對(duì)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(jìn)工作面降溫

的通風(fēng)方法及實(shí)例分析

壓氣等熵膨脹原理用于掘進(jìn)工作面混合通風(fēng)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(jī)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(jī)中混合�；旌虾罂照{(diào)送風(fēng)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(duì)外做功的一個(gè)重要熱力過程，旋渦式高壓氣體膨脹機(jī)、噴嘴、擴(kuò)壓管則是實(shí)現(xiàn)接近等熵膨脹過程的一種有效設(shè)備。將礦井掘進(jìn)工作面的混合式通風(fēng)方式中的風(fēng)機(jī)用渦旋式高壓氣體膨脹機(jī)代替。在高壓氣體膨脹機(jī)中氣體膨脹能對(duì)進(jìn)入風(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)行冷卻降溫，同時(shí)氣體膨脹做功也能夠代替電能推動(dòng)風(fēng)機(jī)工作既減少了耗電量也減少了一個(gè)對(duì)進(jìn)風(fēng)流進(jìn)行加熱的熱源，有利于對(duì)風(fēng)流的降溫。3.2

局部通風(fēng)降溫方案效果的理論分析

掘進(jìn)工作面是新掘進(jìn)的巷道巖面與風(fēng)流強(qiáng)烈地進(jìn)行熱交換的地方。為了預(yù)測(cè)采用新的通風(fēng)降溫方案后掘進(jìn)工作面的氣溫、含氧量、濕度，從局扇進(jìn)風(fēng)口開始，順風(fēng)流流向逐段預(yù)測(cè)計(jì)算。3.2.1