涡流管制冷技术在井下高温岗点的应用

王龙江 赵仁宝

（山东能源临矿集团郭屯煤矿，山东 郓城 274700）

1 引言

受开采深度、天气环境、煤层氧化、巷道涌水、机械散热等多种因素影响，郭屯煤矿井下采掘工作面环境温度较高，采用机械制冷降温的方式无法满足正常生产的降温需求，尤其是采区回风巷道、各岗点硐室最高环境温度可达30℃，岗点高温已严重影响着作业人员的身体健康及工作效率。为改善井下硐室及采掘局部地点的高温环境，通过广泛调研目前矿井的各种制冷方式利用涡流管制冷原理，接入井下压风管路，加工制作“空调屋”，达到给井下高温岗点作业人员降温、消暑的目的。

2 涡流管制冷原理

井下的空气通过涡流管的压缩进而进行一定程度的冷却处理进入到喷嘴内，空气在喷嘴中会发生膨胀，同时空气的速度也会提高至音速，空气进入涡流室的方向大致为切线，这样就产生自由涡流。由于自由涡流旋转角速度的不同，分布规律通常为越靠近中心的角速度越大，由此在自由涡流每相邻两层进行摩擦，通过能量的传递将中心部分的能量传递给外层。通过反复循环，涡流管中心的气流逐渐能量降低，温度相应的也会下降。制冷气流通过涡流管从涡旋室左端排出，同时涡流管边缘的气体能量会提高，温度会相应的上升，热气流会从涡旋室右侧排出，可以通过控制阀，调节冷热两股气流的流量和温度。如图1 所示。

图1 涡流管制冷原理图

利用购置涡流管，加装消音器、供风阀门、排气阀门，组合成为降温制冷装置。利用薄钢板焊接制作简易“空调屋”，“空调屋”部分区域采用亚克力透明塑料板替代钢板作为窗口。将涡流管主体（进风及排气端）安装在“空调屋”外壁，悬挂处开一圆孔。将涡流管冷气出口接入屋内，达到降温制冷效果，可供高温岗点人员休息、避暑。

涡流管制冷性能评价的主要参数：

（1）涡流管制冷温度效应

式中：

Ti-涡流管入口气体温度，K；

Tc-冷气流出口温度，K。

（2）涡流管的冷流率

式中：

Gc-冷气流出口流量，kg/s；

Gi-涡流管入口气体流量，kg/s。

（3）涡流管的总制冷量

式中：

Cp-定压比热，kJ/（kg.K）。

（4）单位入口气体流量的制冷量

（5）涡流管制冷效率

式中：

R-气体常数，J/（kmol.K）；

Pi-涡流管入口气体压力，MPa；

Pc-冷气流出口压力，MPa。

3 涡流管制冷应用

以郭屯煤矿采区变电所为例，对其进行近2 个月的热力参数观测，观测结果见表1。

表1 郭屯煤矿采区变电所温度观测结果表

由表1 可以看出：（1）采区变电所内温度在32℃以上，最高时能达到35.8℃。（2）采区变电所内部的温度会随着进风流温度变化而变化，大致趋势为进风温度越高，变电所内的温度越高。（3）采区变电所的进风风流温度密切影响着变电所内的空气温度，同时与变电所配风量有一定关系。（4）随着变电所供风量的不断提高，采区变电所内温度呈现出逐渐下降的趋势。变电所的进风量在156～178m3/min 范围内浮动，变电所内空气的温度随着供风温度的变化而变化，大致范围在5.2～9.1℃之间。

用普通钢板焊接成2.5m×1.5m、高度为2m 的封闭“空调屋”，并预留出气孔，将改装后的涡流管悬挂在“空调屋”侧壁，冷气端置于房间内部，热气出口置于房间外部，将热气流通过管路导入水沟内。空调屋设计图如图2 所示。

图2 空调屋设计图

该项目初次在四采区煤仓上口皮带机头硐室推行试用，取得了良好效果。四采区煤仓上口因通风条件差，加之生产过程中设备散热等因素，该地点生产过程最高温度达到33℃，对作业人员的人身安全及工作效率造成较大影响。安装涡流管降温装置后，现场实测硐室环境温度为30℃，房间内温度为28℃，降温效果明显。

4 结论

煤矿井下有一些特殊作业场所（皮带机头硐室、泵房等），由于其工作场所内设备运行时产生大量的热量，不易通过通风排出，通过利用涡流管制冷的技术对此类地点进行降温。涡流管制冷技术避免了机械制冷的缺点，成本投入少，现场使用条件满足，经济性强。该降温装置效果明显，大大改善了高温岗点作业人员的工作环境，可在井下所有高温岗点区域推广使用，不仅能消除高温环境作业人员的中暑隐患，还可提高作业人员的工作效率，对矿井安全生产具有重要的现实意义。