局扇出口風(fēng)溫t2

高壓氣體膨脹推動渦旋式高壓氣體膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動，吸進(jìn)貫穿風(fēng)流井巷中的風(fēng)流。高壓氣體在膨脹推動渦旋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動后壓力降至井下大氣壓，并與井下風(fēng)流混合到達(dá)t2。為簡化渦旋式高壓氣體膨脹機(jī)

［5］

管內(nèi)的流動，引入4點假設(shè)。

1）渦旋式高壓氣體膨脹機(jī)中氣體為理想氣體，

[

(1－a)φ2PS2aφ1PS1φ3PS3

（9）+－

P－φ1PS1P－φ2PS2P－φ3PS3

1）若△d＞0則混合空氣在降溫過程中有水從

]

空氣中分離出來，空氣總含水量變小但相對濕度為100%；

2）若△d=0則混合空氣在降溫過程中總的含濕情況沒有變化，空氣總含水量不變；3）若△d＜0則混合空氣在降溫過程中相對濕度降低，相對濕度小于100%，在進(jìn)入制冷工作面的過程中能從礦內(nèi)空氣吸收水分，水分在蒸發(fā)過程中

比熱容為常數(shù)。

2）忽略通過管壁的熱傳導(dǎo)，認(rèn)為管壁同外界為絕熱的。

·62·中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)

3.3

應(yīng)用實例與分析

第10卷

3）忽略渦旋式高壓氣體膨脹機(jī)內(nèi)能量分離具體的物理機(jī)制。

4）忽略氣體因管道摩擦或局部阻力而產(chǎn)生的熵增。

氣體自由膨脹后的溫度差△t可由式（7）計算出。氣體等熵絕熱膨脹后吸收的熱量等于引入氣流放出的熱量，同時必須考慮到旋渦式高壓氣體膨脹機(jī)的絕熱效率即，所以風(fēng)機(jī)出口處溫度t2可有式（10）計算：

t2=t1－ηΔt

m1m2

（10）

以某礦山礦床深部某掘進(jìn)巷道為例，該獨頭巷

2

已掘進(jìn)450m，采用常規(guī)壓抽混合式道斷面為6m，

局部通風(fēng)系統(tǒng)，原局扇型號JK58－2No．4，現(xiàn)在用渦

旋式高壓氣流膨脹機(jī)代替。采用柔性風(fēng)筒（D1=V1=500mm，x=400m，K=6.9kJ/（m2·hK），16.2m/s），壓入式風(fēng)筒出口離作業(yè)面約50m。經(jīng)測

風(fēng)筒出口處定，巷道口局扇風(fēng)口的氣溫t1=306K，巷道斷面的平均溫度ts=315K。高壓噴氣輸出的空

氣壓力一般為0.7－0.8MPa，假定壓縮空氣到達(dá)送風(fēng)面與空氣接觸的壓力是0.3MPa，風(fēng)機(jī)絕熱效率為80%。地面空氣含氧量21%，測得井下空氣含氧量為18%。

由式（7）得：△t=82.6K帶入數(shù)值并化簡式（10）得：

t2=306－66.08

m1m2

（14）

kJ/（kg·K），式中：Cp為空氣的比熱容，取Cp

=1.005kJ/（kg·K）；t1為井巷中氣體的溫度，同時假設(shè)高壓氣體膨脹前的溫度為井巷中氣體的溫度，K；t2為高壓氣體膨脹后氣體與井巷中氣體混合后K；P1為壓縮空氣膨脹前的的溫度及風(fēng)機(jī)出口溫度，

Pa；P2為壓縮空氣膨脹后的壓力，Pa；K為壓壓力，

縮空氣的絕熱膨脹系數(shù)，取k=1.4；η為風(fēng)機(jī)的絕kg/h；m2為%；m1為膨脹氣體的質(zhì)量流量，熱效率，

kg/h。從井巷中吸入氣體的質(zhì)量流量，3.2.2

局扇風(fēng)筒出口的風(fēng)流溫度t3

風(fēng)流流過風(fēng)筒時，會與風(fēng)筒壁發(fā)生熱交換，局扇風(fēng)筒出口的風(fēng)流溫度t3可按式（11）計算：

t3=t－(t－t2)e

，

，

－Ax

－4

由式（13）得：A=7.848×10

由式（12）得：t'=315.4－315.8k，現(xiàn)取t'=

315.6K=42.6℃

將式（14）及已知數(shù)值也帶入式（11）得：

m1

t3=308.59－48.24

m2

（15）

（11）

t3與m1/m2的根據(jù)式（14）和式（15）可得到t2、

見圖2

。線性關(guān)系圖，

t為井筒外巷道風(fēng)流的平均溫度，K；對于式中，

巖溫大于30℃的井巷，其值用式（12）估算：

t，=ts+

(0.

1－0.2)x

100

（12）

式中：ts為風(fēng)筒出口處巷道斷面的平均溫度，K；x為風(fēng)筒的長度，m。

A可由式（13）求得：A

=

KB

=

K

πD1

()

πD2VρC×3600

111P

4

=

K

900D1V1ρ1CP

（13）

圖2t3與m1/m2的線性關(guān)系t2、

K為風(fēng)筒的傳熱系數(shù)，KJ/（m2hK）；D1為式中，

mm；V1為風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流平均風(fēng)速；ρ1為風(fēng)風(fēng)筒直徑，

3

筒內(nèi)風(fēng)流的密度，取1.2kg/m；Cp為空氣的比熱

可根據(jù)實際情況確定所需風(fēng)筒出口溫度t3，已

若取t3選擇合適的壓縮空氣與引進(jìn)氣流的質(zhì)量比，=300K=27℃，m1/m2=0.178。經(jīng)計算風(fēng)筒內(nèi)總風(fēng)

3

m2=15.7kg量為19.1kg，則m1=3.4kg=34m/min，

kJ/（kg·K），容，取Cp=1.005kJ/（kg·K）。

第4期中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)

3.4.2

·63·

=157m3/min。根據(jù)礦山常用各種啟動機(jī)械及其所需壓氣量和壓氣大小，可知壓氣的應(yīng)用量相當(dāng)于4臺PZ－5A型砼噴機(jī)的用氣量。Δd＞0，則風(fēng)筒出口處空氣的相對濕度為100%，有水從空氣中分離空氣的絕對含濕量降低�；旌虾蟮V井中空氣含氧量為18.5%。如果末端的壓氣為0.5MPa，則m1/m2=0.15，所需壓氣量為28.65kg/min，所需壓氣減少了5.35kg/min。根據(jù)上述分析和計算，比較采用旋渦式高壓氣體膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電風(fēng)機(jī)得到表1。

購置設(shè)備費用

根據(jù)3.3中例子，采用壓氣降溫主要設(shè)備投資

為：螺桿式壓縮機(jī)、鋼管、旋渦式高壓氣體膨脹機(jī)。采用冰制冷降溫主要設(shè)備為：制冷壓縮機(jī)、片冰機(jī)、蒸發(fā)式冷凝器、保溫輸冰管、融冰池、空冷器。不論從設(shè)備的數(shù)量還是價格方面冰制冷系統(tǒng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓氣制冷系統(tǒng)。同時冰制冷系統(tǒng)設(shè)備多根據(jù)安全理論，其相應(yīng)的安全性要低于壓氣制冷系統(tǒng)。

4

表1

渦旋式高壓氣體膨脹機(jī)與電風(fēng)機(jī)用于掘進(jìn)面的比較設(shè)備

旋渦式高壓氣體膨脹機(jī)

電風(fēng)機(jī)

項目

產(chǎn)熱否是

除濕是否

增氧是否

制冷是否

耗電否是

結(jié)論

1）采用壓氣給井下高溫工作面降溫，減少溫室氣體的排放、無污染，并且降低了空調(diào)的能耗，減少對電力的需求。同時用壓氣給高溫工作面降溫充分利用了井下原有的高壓作業(yè)能源和設(shè)備，不需要另設(shè)管道，安裝方便簡單。

2）通過比較高壓氣體絕熱膨脹的兩種情況，得出等熵絕熱膨脹原理更適合用于井下高溫工作面或掘進(jìn)面的降溫。建立了壓氣量與工作面的溫度、濕度、含氧量等空氣狀況的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

3）通過旋渦式高壓氣體膨脹機(jī)替代傳統(tǒng)的電風(fēng)機(jī)用于掘進(jìn)面的混合通風(fēng)降溫這一事例，分析了這一方法用于井下掘進(jìn)工作面降溫的可行性。從制冷成本，制冷設(shè)備選購等方面與冰制冷系統(tǒng)比較后得出壓氣制冷系統(tǒng)優(yōu)于其他制冷方式。參考文獻(xiàn)

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3.43.4.1

采用高壓氣體降溫經(jīng)濟(jì)性分析

降溫費用

現(xiàn)以GB19153－2009中的螺桿式壓縮機(jī)為例，

規(guī)定中規(guī)定電動機(jī)額定輸出功率為45kW的螺桿壓縮機(jī)各能效等級的機(jī)組規(guī)定比功率值。排氣壓力為0.7MPa的風(fēng)冷螺桿壓縮機(jī)能效等級為3時每生產(chǎn)一個立方米壓縮空氣消耗的電度數(shù)：7.9÷60=0.1317kWh。

依照我國礦山平均電價0.71元/kWh計算，則

3

壓氣的單位成本為0.094元/m。如用冰制冷降溫

7］所列舉的平煤技術(shù)對礦井進(jìn)行降溫，參考文獻(xiàn)［六礦冰降溫系統(tǒng)。依照3.3中的實例比較壓氣降溫與冰制冷降溫的成本，得到表2。

表2

降溫種類壓氣冰水

井下壓氣制冷與冰制冷各項比較成本/（元·m－3）0.09462.51

溫差/℃82.620

相應(yīng)溫差的

－3吸熱量/（kJ·m）

100.4575.6

壓氣降溫的成本要遠(yuǎn)低于采根據(jù)表2可看出，

用冰水制冷的系統(tǒng)，同體積的壓氣吸熱量要高于冰水的，所以采用壓氣等熵膨脹對礦井降溫是不但是可行的，且其成本低效果好。

·64·

11（11）：96-98

中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)

2004社，

第10卷

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