矿井压气等熵膨胀与节流膨胀降温效果对比研究_邱冠豪
第10卷第4期
2014年4月中国安全生产科学技术JournalofSafetyScienceandTechnologyVol．10No．4Apr．2014文章编号：1673－193X（2014）－04－0059－06
矿井压气等熵膨胀与节流膨胀降温效果对比研究
邱冠豪，吴
摘*超，黄山果长沙410083）（中南大学资源与安全工程学院，湖南要：压缩空气是矿山井下常用动力，压气绝热膨胀能够吸收风流中的热量，因而可用于改善井
下作业环境与气候条件。通过理论与实例分析比较高压气体等熵膨胀和节流膨胀温度随压力变
化情况及降温效果，得出等熵膨胀原理更适合用于高温矿井或掘进面降温。通过分析压气与引入
气流质量比对井下热工作面空气温度、湿度、含氧量的影响，得出压气等熵膨胀降温后矿井气候变
化与压气百分比的数学关系式，并将关系式应用于实例中。以矿山具体实例分析了矿井采用压气
等熵膨胀制冷后空气质量的变化以及采用压气制冷的成本。同时与冰制冷系统的效果与成本比
较，得出选用压气制冷效果好、成本低，可为我国深井局部降温的一种可供选择的方法。
关键词：矿井降温；高温工作面；压缩气体；等熵膨胀
中图分类号：X936文献标志码：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
据不中国是世界上高温热害矿井最多的国家，
收稿日期：2013－12－14完全统计，我国已有130多对矿井的采掘工作面温度风流温度超过30℃，同时已探明的煤炭储量中，1000m以下深处的煤炭储量占总储量的53.2%。压缩空气降温是基于气体绝热膨胀过程（某些相关研究将其当作多变过程处理）吸热原理的空气制冷
技术，目前已广泛的应用于航空、制氧、石油等工业*基金项目：国家安监总局安全科技“四个一批”项目，安
〔2012〕142号监总厅科技
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1.31.3.1
等熵膨胀与节流膨胀的比较及结论制冷效果的理论公式比较将式（3）与式（4）比较，得：
μS=μJ+
V
CP
第10卷
另外将井下作业用压缩空气作为膨胀工质的领域，
［4］
矿井空气制冷系统在国内外也有发展。目前关于矿井高压气体制冷的研究，只是简单的提出能够采用压气用于矿井制冷。在压气制冷效果方面，仅考虑了压气膨胀制冷的两种方式中的节流膨胀及其吸热量。在采用压气降温成本及效果方面，在未与其他降温方式比较的情况下就得出压气降温成本低效果好。本文通过分析与比较压气的等熵膨胀与节流膨胀方式，得出压气等熵膨胀更适合矿井制冷。建立了压气等熵膨胀后压气质量与混合后气体的温度、湿度、含氧量的数学公式，并且通过实例比较得出压气等熵膨胀制冷效果好成本低。
（5）
V＞0，Cp＞0，1）对于任何气体，所以μs－μJ的
值恒大于零。这就证明在相同条件下，等熵膨胀系数恒大于节流膨胀系数。
2）对于任何气体，V＞0，CP＞0，（V/T）
P
＞0，所
以μs恒大与零。证明任何气体在任何状态下经等熵绝热膨胀，都可以制冷。而节流膨胀过程中恒有dp＜0，节流膨胀后气体的温度是升高还会降低取决于μJ的正负。
3）在绝热条件下体系膨胀做功的能量来自于体系热力学能的减少。这也就使得在矿井中可以应用气体膨胀减少的热能为井下设备提供能量，以减少井下热源。但是节流膨胀过程中只是与外部气体进行热交换并没有做功。1.3.2
实例制冷效果比较
通过矿井中的实例比较压气的节流膨胀与等熵膨胀制冷在矿井制冷中的实际效果。
某高温矿井压气站制造的压气为0.8MPa，经管道输送至各用气工作面。用作节流膨胀制冷经保温管道输送后，到达工作面前的压力为0.8－0.3MPa，温度为300K；用作等熵膨胀的压气经过无缝钢管输送后，到达工作面压力为0.8－0.3MPa，温度为310K。压气分别经过节流膨胀和等熵膨胀后，压力降为0.1MPa。压气在矿井中的节流膨胀（等焓膨胀）与等熵膨胀后温度与压力的关系可以通过查阅空气压焓图（Ｒ729）得出，其结果如图1所示。压气经节流膨胀后温度随着初始压力的减小而增大。而在压力为0.4MPa时与初始温度相同。而经等熵膨胀后温度也随初始压力减小而降低，但仍然比初始温度低的多，相比节流膨胀降温明显且达到相同降温所需压其压力小。
1压气膨胀降温原理和效果的比较
压气绝热膨胀分为等熵膨胀、自由膨胀、节流膨胀三种情况，而自由膨胀不适合用于矿井制冷。从原理及实例分析两个方面比较节流膨胀与等熵膨胀，寻求更加适合于高温矿井或高温工面降温效果方式。
1.1等熵膨胀
等熵过程的温度随压力的变化率用等熵效应系数来衡量：
μs=
()
TP
（1）
S
为了判断等熵制冷的可能性，对于一定组成单相体系，自由度为2，熵是温度和压力的函数S=f（P，T）对于等熵过程：
dS=SdT+SdP=0
PTTP
联立式（1）和式（2）可得：
()()
P
（2）
TVT
μs=
CP
1.2
节流膨胀
()
（3）
为判断节流膨胀制冷的可能性，对于一定组成的单项体系，自由度为2的气体进行节流膨胀。经节流膨胀后，温度随压力的变化率称为节流膨胀系数，可以表示：
μJ=
2
湿度、含氧量高压空气等熵膨胀后温度、
变化
空气绝热等熵膨胀温度变化
()
TP
H
TV－VTP
=
CP
()
2.1
（4）
有气体绝热膨胀过程原理可知，气体在绝热膨胀的过程中，空气的压力和温度会降低，根据气体状
第4期中国安全生产科学技术·61·
会吸收空气中的热量，从而有一定的降温效果。
P为大气压力，式中，取p=101325Pa；a为混%；d空为压缩空气合空气中压缩空气的质量分数，
%；d井为井巷中原来空气含氧量，%；d混含氧量，
%；d1为压缩空气含湿量，g/为混合后空气含氧量，
kg；d2为矿井中空气含湿量，g/kg；d3为混合气体的g/kg；φ1为压缩空气的相对湿度，%；φ2为矿湿量，
%；φ3为混合气体的相对湿井空气的相对湿度，
%；PS1为压缩空气的饱和水蒸汽分压力，Pa；PS2度，
Pa；PS3为混合气为矿井空气的饱和水蒸汽分压力，
图1
压气等熵膨胀和节流膨胀温度与压力的关系
Pa。体的饱和水蒸气分压力，
压缩气体在绝热膨胀过程符合：态过程，
k－1
T2P2=T1P1
()
3
（6）
3.1
（7）
压气等熵膨胀原理用于掘进工作面降温
的通风方法及实例分析
压气等熵膨胀原理用于掘进工作面混合通风方式的构成
则膨胀前后气体温度差△t为：
Δt=
(T
1
－T2)=T11－
[
](PP)
21
k－1Pa；T1为压式中：P1为压缩空气膨胀前的压力，
K；P2为压缩空气膨胀缩空气膨胀前的热力学温度，
Pa；T2为压缩空气膨胀后的热力学温度，后的压力，
K；k为压缩空气的绝热膨胀系数，k=1－1.4。2.2
井下空气含氧量和湿度变化
采用高压气体等熵膨胀降温还可以改善降温区域内空气的含氧量。膨胀机出来的空气来自地面，与井巷中原来含氧量为d井的空气在含氧量为d空，
涡旋式高压气体膨胀机中混合。混合后空调送风中含氧量d混为：
d混=ad空+(1－a)d井
Δd622
=
ad1
+
（1
－
a）d2
－
d3
（8）=
则混合后空气的含湿量的变化可用式（9）表示
气体等熵膨胀是获得低温的重要手段，也是对外做功的一个重要热力过程，旋涡式高压气体膨胀机、喷嘴、扩压管则是实现接近等熵膨胀过程的一种有效设备。将矿井掘进工作面的混合式通风方式中的风机用涡旋式高压气体膨胀机代替。在高压气体膨胀机中气体膨胀能对进入风机的空气进行冷却降温，同时气体膨胀做功也能够代替电能推动风机工作既减少了耗电量也减少了一个对进风流进行加热的热源，有利于对风流的降温。3.2
局部通风降温方案效果的理论分析
掘进工作面是新掘进的巷道岩面与风流强烈地进行热交换的地方。为了预测采用新的通风降温方案后掘进工作面的气温、含氧量、湿度，从局扇进风口开始，顺风流流向逐段预测计算。3.2.1
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