局扇出口风温t2

高压气体膨胀推动涡旋式高压气体膨胀机转动，吸进贯穿风流井巷中的风流。高压气体在膨胀推动涡旋风机转动后压力降至井下大气压，并与井下风流混合到达t2。为简化涡旋式高压气体膨胀机

［5］

管内的流动，引入4点假设。

1）涡旋式高压气体膨胀机中气体为理想气体，

[

(1－a)φ2PS2aφ1PS1φ3PS3

（9）+－

P－φ1PS1P－φ2PS2P－φ3PS3

1）若△d＞0则混合空气在降温过程中有水从

]

空气中分离出来，空气总含水量变小但相对湿度为100%；

2）若△d=0则混合空气在降温过程中总的含湿情况没有变化，空气总含水量不变；3）若△d＜0则混合空气在降温过程中相对湿度降低，相对湿度小于100%，在进入制冷工作面的过程中能从矿内空气吸收水分，水分在蒸发过程中

比热容为常数。

2）忽略通过管壁的热传导，认为管壁同外界为绝热的。

·62·中国安全生产科学技术

3.3

应用实例与分析

第10卷

3）忽略涡旋式高压气体膨胀机内能量分离具体的物理机制。

4）忽略气体因管道摩擦或局部阻力而产生的熵增。

气体自由膨胀后的温度差△t可由式（7）计算出。气体等熵绝热膨胀后吸收的热量等于引入气流放出的热量，同时必须考虑到旋涡式高压气体膨胀机的绝热效率即，所以风机出口处温度t2可有式（10）计算：

t2=t1－ηΔt

m1m2

（10）

以某矿山矿床深部某掘进巷道为例，该独头巷

2

已掘进450m，采用常规压抽混合式道断面为6m，

局部通风系统，原局扇型号JK58－2No．4，现在用涡

旋式高压气流膨胀机代替。采用柔性风筒（D1=V1=500mm，x=400m，K=6.9kJ/（m2·hK），16.2m/s），压入式风筒出口离作业面约50m。经测

风筒出口处定，巷道口局扇风口的气温t1=306K，巷道断面的平均温度ts=315K。高压喷气输出的空

气压力一般为0.7－0.8MPa，假定压缩空气到达送风面与空气接触的压力是0.3MPa，风机绝热效率为80%。地面空气含氧量21%，测得井下空气含氧量为18%。

由式（7）得：△t=82.6K带入数值并化简式（10）得：

t2=306－66.08

m1m2

（14）

kJ/（kg·K），式中：Cp为空气的比热容，取Cp

=1.005kJ/（kg·K）；t1为井巷中气体的温度，同时假设高压气体膨胀前的温度为井巷中气体的温度，K；t2为高压气体膨胀后气体与井巷中气体混合后K；P1为压缩空气膨胀前的的温度及风机出口温度，

Pa；P2为压缩空气膨胀后的压力，Pa；K为压压力，

缩空气的绝热膨胀系数，取k=1.4；η为风机的绝kg/h；m2为%；m1为膨胀气体的质量流量，热效率，

kg/h。从井巷中吸入气体的质量流量，3.2.2

局扇风筒出口的风流温度t3

风流流过风筒时，会与风筒壁发生热交换，局扇风筒出口的风流温度t3可按式（11）计算：

t3=t－(t－t2)e

，

，

－Ax

－4

由式（13）得：A=7.848×10

由式（12）得：t'=315.4－315.8k，现取t'=

315.6K=42.6℃

将式（14）及已知数值也带入式（11）得：

m1

t3=308.59－48.24

m2

（15）

（11）

t3与m1/m2的根据式（14）和式（15）可得到t2、

见图2

。线性关系图，

t为井筒外巷道风流的平均温度，K；对于式中，

岩温大于30℃的井巷，其值用式（12）估算：

t，=ts+

(0.

1－0.2)x

100

（12）

式中：ts为风筒出口处巷道断面的平均温度，K；x为风筒的长度，m。

A可由式（13）求得：A

=

KB

=

K

πD1

()

πD2VρC×3600

111P

4

=

K

900D1V1ρ1CP

（13）

图2t3与m1/m2的线性关系t2、

K为风筒的传热系数，KJ/（m2hK）；D1为式中，

mm；V1为风筒内风流平均风速；ρ1为风风筒直径，

3

筒内风流的密度，取1.2kg/m；Cp为空气的比热

可根据实际情况确定所需风筒出口温度t3，已

若取t3选择合适的压缩空气与引进气流的质量比，=300K=27℃，m1/m2=0.178。经计算风筒内总风

3

m2=15.7kg量为19.1kg，则m1=3.4kg=34m/min，

kJ/（kg·K），容，取Cp=1.005kJ/（kg·K）。

第4期中国安全生产科学技术

3.4.2

·63·

=157m3/min。根据矿山常用各种启动机械及其所需压气量和压气大小，可知压气的应用量相当于4台PZ－5A型砼喷机的用气量。Δd＞0，则风筒出口处空气的相对湿度为100%，有水从空气中分离空气的绝对含湿量降低。混合后矿井中空气含氧量为18.5%。如果末端的压气为0.5MPa，则m1/m2=0.15，所需压气量为28.65kg/min，所需压气减少了5.35kg/min。根据上述分析和计算，比较采用旋涡式高压气体膨胀机代替传统的电风机得到表1。

购置设备费用

根据3.3中例子，采用压气降温主要设备投资

为：螺杆式压缩机、钢管、旋涡式高压气体膨胀机。采用冰制冷降温主要设备为：制冷压缩机、片冰机、蒸发式冷凝器、保温输冰管、融冰池、空冷器。不论从设备的数量还是价格方面冰制冷系统都远远大于压气制冷系统。同时冰制冷系统设备多根据安全理论，其相应的安全性要低于压气制冷系统。

4

表1

涡旋式高压气体膨胀机与电风机用于掘进面的比较设备

旋涡式高压气体膨胀机

电风机

项目

产热否是

除湿是否

增氧是否

制冷是否

耗电否是

结论

1）采用压气给井下高温工作面降温，减少温室气体的排放、无污染，并且降低了空调的能耗，减少对电力的需求。同时用压气给高温工作面降温充分利用了井下原有的高压作业能源和设备，不需要另设管道，安装方便简单。

2）通过比较高压气体绝热膨胀的两种情况，得出等熵绝热膨胀原理更适合用于井下高温工作面或掘进面的降温。建立了压气量与工作面的温度、湿度、含氧量等空气状况的数学关系式。

3）通过旋涡式高压气体膨胀机替代传统的电风机用于掘进面的混合通风降温这一事例，分析了这一方法用于井下掘进工作面降温的可行性。从制冷成本，制冷设备选购等方面与冰制冷系统比较后得出压气制冷系统优于其他制冷方式。参考文献

［1］MiddletonJVG，MullerAA．Asurfaceiceplantforpro-visionoficeforthecoolingofservicewaterinanOFSgoldmine［A］．ProceedingoftheInternationalConferenceonGoldMiningTechnology，Johannesburg，SAIMM，1986［2］YangMinghua，MaXuejun．Influenceofthecompressed

airinthefactoryonheatload［J］．HeatVentilatingandAirConditioning（inChinese），1999，（1）：66-69［3］

ZhangJilong．Studyondevelopmentofminingsciencesandtechnologyofnonferrousmetals［J］．MiningandMet-allurgy（inChinese），1997，（6）：5-8

［4］褚召祥，辛嵩，王伟，等．矿井压气蒸发冷却降温技术

J］．矿业快报，2008，11（11）：96-98在煤矿的应用［

ZHUZhao-xiang，XINSong，WANGWei．Themineairevaporativecoolingtechnologyintheapplicationofcoalmine［J］．ExpressInformationofMiningIndustry，2008，

3.43.4.1

采用高压气体降温经济性分析

降温费用

现以GB19153－2009中的螺杆式压缩机为例，

规定中规定电动机额定输出功率为45kW的螺杆压缩机各能效等级的机组规定比功率值。排气压力为0.7MPa的风冷螺杆压缩机能效等级为3时每生产一个立方米压缩空气消耗的电度数：7.9÷60=0.1317kWh。

依照我国矿山平均电价0.71元/kWh计算，则

3

压气的单位成本为0.094元/m。如用冰制冷降温

7］所列举的平煤技术对矿井进行降温，参考文献［六矿冰降温系统。依照3.3中的实例比较压气降温与冰制冷降温的成本，得到表2。

表2

降温种类压气冰水

井下压气制冷与冰制冷各项比较成本/（元·m－3）0.09462.51

温差/℃82.620

相应温差的

－3吸热量/（kJ·m）

100.4575.6

压气降温的成本要远低于采根据表2可看出，

用冰水制冷的系统，同体积的压气吸热量要高于冰水的，所以采用压气等熵膨胀对矿井降温是不但是可行的，且其成本低效果好。

·64·

11（11）：96-98

中国安全生产科学技术

2004社，

第10卷

［5］童明伟，胡鹏．旋涡式高压气体膨胀机做功过程的热

J］．机械工程学报，2010，46（10）：139-143力学分析［

TONGMing-wei，HUPeng．Thevortextypehighpres-suregasexpanderthermodynamicanalysisoftheprocessofdoingwork［J］．JournalofMechanicalEngineering，2010，46（10）：139-143

［6］赵国彦，古徳生，李夕兵，等．压缩空气对井下热环境

J］．安全与环境学报，2001，1（12）：的降温效果研究［22-25

ZHAOGuo-yan，GUDe-sheng，LIXi-bing．Thecom-pressedaircoolingeffectresearchoftheundergroundthermalenvironment［J］．JournalofSafetyandtheEnvi-ronment，2001，1（12）；22-25

［7］菅从光，卫修君，乐俊．冰制冷降温系统经济性运行分

J］．矿业安全与环保，2008，35（8）：33-37析［

JIANCong-guang，WEIXiu-jun，LEJun．Icerefrigera-tioncoolingsystemefficiencyanalysis［J］．MiningSafety＆EnvironmentalProtection，2008，35（8）：33-37［8］肖衍繁，．天津：天津大学出版李文武．物理化学［M］

［9］杜卫新，郑光相．冰浆制冷降温系统在平煤六矿中的

J］．煤炭工程，2009，4（4）：63-65应用［

DUWei-xin，ZHENGGuang-xiang．Iceslurryrefrigera-tioncoolingsystemintheapplicationoflevelingsixore［J］．CoalEngineering，2009，4（4）：63-65

［10］胡春胜，周秀隆．压缩空气制冷技术在孟加拉国

Barapukuria煤矿的应用［J］．煤炭工程，2005，11（11）：35-37

HUChun-sheng，ZHOUXiu-long．ApplicationofthecompressedaircoolingtechnologyinBangladeshBarapukuriacoalmine［J］．CoalEngineering，2005，11（11）：35-37