肖 濤，徐 鋒，劉利云，阮 煒

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

礦用救生艙是解決礦難事故的一個(gè)重要手段，通常情況下，救生艙應(yīng)具備安全防護(hù)、氧氣供給保障、空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、通訊、照明、動(dòng)力供應(yīng)、人員生存保障等基本功能。其中，空氣凈化與溫濕度調(diào)節(jié)主要依靠空調(diào)系統(tǒng)。由于礦難事故往往伴隨著電力中斷，為保證救生艙內(nèi)具有適宜的空氣質(zhì)量和溫濕度，一般采用被動(dòng)冷卻方式的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)生存環(huán)境的調(diào)節(jié)。在眾多被動(dòng)冷卻方式的空調(diào)系統(tǒng)中，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)因其技術(shù)成熟、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用，在中國(guó)各大商場(chǎng)、食品行業(yè)的應(yīng)用也日趨廣泛。

在礦用救生艙的空調(diào)系統(tǒng)研究中，關(guān)于冰蓄冷空調(diào)的應(yīng)用鮮有文獻(xiàn)述及。本文借鑒冰蓄冷空調(diào)的一些技術(shù)特點(diǎn)，將其應(yīng)用于礦井救生艙。通過(guò)對(duì)多種空調(diào)系統(tǒng)的分析比較，對(duì)冰蓄冷空調(diào)應(yīng)用于礦用救生艙的合理性進(jìn)行了分析。然后，對(duì)冰蓄冷空調(diào)的工作原理、結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，對(duì)一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 礦井空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用

現(xiàn)有礦井下應(yīng)用的空調(diào)系統(tǒng)冷卻方式根據(jù)原理可分為兩種：被動(dòng)冷卻方式和主動(dòng)冷卻方式[1]。

主動(dòng)冷卻方式均需持續(xù)的電力供應(yīng)，由于礦難發(fā)生時(shí)隨即必然伴隨著電力供應(yīng)的缺失，因此該種冷卻方式不宜應(yīng)用于在礦用救生艙制冷方式。

被動(dòng)冷卻方式可分為蓄能、蓄冷和強(qiáng)制換熱三種方式。由于礦難發(fā)生時(shí)，多伴有礦井救生設(shè)備(硐室和救生艙)外部的持續(xù)高溫，故強(qiáng)制換熱通常不宜作為礦井救生設(shè)備的制冷方式。蓄能方式主要通過(guò)電力或高壓氣體驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降溫功能，其優(yōu)點(diǎn)在于艙內(nèi)占用體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟，但是該方式需一定量的儲(chǔ)備電源供電，且設(shè)備冷凝器在艙外易在礦難發(fā)生時(shí)就被破壞致使空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法使用。蓄冷方式主要利用預(yù)先儲(chǔ)蓄的冷量實(shí)現(xiàn)降溫功能，雖然該方式需要較大體積的蓄冷設(shè)備，以及間歇性通電制冷，但它可以實(shí)現(xiàn)“零”電力需求，并可通過(guò)艙內(nèi)送風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到制冷效果，無(wú)需額外電力驅(qū)動(dòng)，因此具有相對(duì)較高的可靠性，對(duì)于處理礦難事故具有一定的優(yōu)越性。

蓄冷方式主要是利用預(yù)先存貯的制冷劑進(jìn)行制冷，從而達(dá)到避難硐室內(nèi)或救生艙內(nèi)空氣冷卻的目的[2-4]。蓄冷可采用蓄冷劑(如液氮、液態(tài)二氧化碳、R744、R22、R134a 等) 、蓄冰等。這種降溫方式優(yōu)點(diǎn)是不帶電，設(shè)備全在避難硐室或救生艙內(nèi)，系統(tǒng)安全可靠，適于我國(guó)礦井井下環(huán)境；缺點(diǎn)是需要高壓空氣作動(dòng)力，需要存貯大量制冷劑。蓄冰制冷，日常需要通電保持空調(diào)柜里蓄冰不被融化，日常維護(hù)費(fèi)用較高。

2 冰蓄冷空調(diào)應(yīng)用

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)分為一次循環(huán)形式和二次循環(huán)形式兩種，筆者結(jié)合礦井救生艙研制過(guò)程中的兩種冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)礦用救生艙空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理進(jìn)行分析比較，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)兩種空調(diào)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 二次循環(huán)形式

由于《礦井救生艙試用標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于救生艙內(nèi)人員的凈容積提出了一定的要求，在考慮盡量大的提高人員在救生艙內(nèi)所擁有的凈體積，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種為節(jié)約生活艙內(nèi)人員的凈占體積而形成的二次循環(huán)冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)形式。其原理如圖1所示。

圖1 二次循環(huán)形式原理圖

二次循環(huán)形式可將蓄冰槽與生活艙隔離，制冰機(jī)組管路布置于蓄冰槽內(nèi)循環(huán)制冰形成一次循環(huán)，乙二醇水溶液循環(huán)管路不至于蓄冰槽及生活艙內(nèi)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)形成二次循環(huán)，將蓄冷量帶至生活艙內(nèi)，艙內(nèi)換熱管路依靠艙內(nèi)風(fēng)機(jī)形成艙內(nèi)環(huán)境溫度換熱效果，從而控制艙內(nèi)環(huán)境溫濕度在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

該方式的優(yōu)勢(shì)十分明顯，不僅極大地節(jié)約了生活艙內(nèi)人員的活動(dòng)空間，其艙內(nèi)換熱器體積較蓄冰槽小很多，而且在一次循環(huán)管路出現(xiàn)故障的情況下，制冷介質(zhì)的泄露對(duì)艙內(nèi)人員的安全沒(méi)有任何影響。但是，它也存在一定的缺陷，比如爆炸時(shí)的高溫環(huán)境將加速消耗蓄冰槽內(nèi)的冷量，這些損失的能量極大的降低了空調(diào)系統(tǒng)的效率；另外，二次循環(huán)形式的雙換熱形式也極大降低了空調(diào)系統(tǒng)的效率；再者，通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，乙二醇水溶液配比不恰當(dāng)致使二次循環(huán)管路中冷媒水循環(huán)回路冷媒水介質(zhì)無(wú)法滿足在低溫環(huán)境下仍處于液態(tài)的情況，從而無(wú)法通過(guò)艙內(nèi)電機(jī)而形成二次循環(huán)，無(wú)法達(dá)到艙內(nèi)冷量供應(yīng)的目的。

2.2 一次循環(huán)形式

為提升系統(tǒng)效率，在綜合考慮各相關(guān)設(shè)備性能(配電系統(tǒng)設(shè)備，電氣系統(tǒng)設(shè)備)的情況下，同時(shí)在保證艙內(nèi)人員凈體積的前提下，形成了一種將蓄冰槽放置于生活艙內(nèi)的一次循環(huán)形式的空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)蓄冰槽內(nèi)部換熱風(fēng)道與外部供風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合，將冰槽內(nèi)蓄冷量帶到艙內(nèi)環(huán)境，從而達(dá)到控制艙內(nèi)溫濕度環(huán)境的目的。其原理見圖2。

一次循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于蓄冰槽處于生活艙內(nèi)，不受到外界高溫環(huán)境的影響，同時(shí)，一次循環(huán)的效率較二次循環(huán)效率高，從而極大提高了整體空調(diào)系統(tǒng)的換熱效率；相對(duì)二次循環(huán)形式，該形式的空調(diào)系統(tǒng)有效避免了二次循環(huán)換熱管道堵塞而無(wú)法完成系統(tǒng)功能的問(wèn)題；由于蓄冰槽處于艙室內(nèi)，該方式的自然換熱也是形成的艙內(nèi)溫度控制，通風(fēng)形式下的強(qiáng)制換熱形式是為完全滿足艙室內(nèi)的環(huán)境溫濕度控制，蓄冰槽內(nèi)蓄冷量基本全部完成了其實(shí)用價(jià)值，極大提高了系統(tǒng)環(huán)境溫度控制的效率；其次該種循環(huán)方式相對(duì)于二次循環(huán)形式設(shè)備及管系更加簡(jiǎn)約，極大的節(jié)約了系統(tǒng)成本并提高了設(shè)備安全性；由于蓄冰槽在人員生活艙內(nèi)，當(dāng)儲(chǔ)備水資源不足的情況下，冰槽內(nèi)的蓄水可滿足避難礦工相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的水資源供應(yīng)。

圖2 一次循環(huán)形式原理圖

同時(shí)，一次循環(huán)也存在其缺點(diǎn)，較二次循環(huán)形式，一次循環(huán)形式將蓄冰槽置于艙內(nèi)極大占用了艙內(nèi)空間，致使艙內(nèi)人員的凈體積大幅減少，同時(shí)制冷循環(huán)管路的破壞也存在一定的危險(xiǎn)性，需要對(duì)該制冷循環(huán)管路的艙內(nèi)部分進(jìn)行適量的保護(hù)。

考慮經(jīng)濟(jì)性方面的因素，由于一次循環(huán)的效率較低，在同等需求冷量的情況下需要的蓄冰槽體積更小，內(nèi)部銅管布置量更少；同時(shí)，一次循環(huán)形式采用無(wú)電力驅(qū)動(dòng)形式，較二次循環(huán)形式的艙內(nèi)電機(jī)的電力驅(qū)動(dòng)形式耗能方面更加低廉；另外，一次循環(huán)形式蓄冰槽處于生活艙內(nèi)，冰槽內(nèi)水可做應(yīng)急水源，較二次循環(huán)所需應(yīng)急水需另行儲(chǔ)備在艙內(nèi)。以上對(duì)比表明一次循環(huán)形式較二次循環(huán)形式的空調(diào)系統(tǒng)在建造成本上的經(jīng)濟(jì)性更好。

2.3 系統(tǒng)試驗(yàn)

基于一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)，筆者在試驗(yàn)室進(jìn)行多次空調(diào)系統(tǒng)的制冷及放冷試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，設(shè)定外部環(huán)境為50°左右的高溫環(huán)境。對(duì)救生艙內(nèi)溫度和濕度的控制效果如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出，在一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，艙內(nèi)溫度基本控制在26～37°之間，變化比較平緩，且大部分時(shí)間保證在30～34°之間，僅略高于正常的室內(nèi)常溫，一直處于人體可承受范圍之內(nèi)；艙內(nèi)濕度由于間接性的進(jìn)入艙內(nèi)調(diào)節(jié)加濕器加適量造成其波動(dòng)較大，基本維持在30%到60%之間，由于人體可承受濕度范圍較大，艙內(nèi)濕度也處于可接受范圍。

圖3 一次循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)第三次試驗(yàn)圖表

3 總結(jié)

本文對(duì)冰蓄冷空調(diào)在礦用救生艙中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了一次循環(huán)形式和二次循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，對(duì)兩種循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了深入分析。分析結(jié)果表明一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)具有更高的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，并通過(guò)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證了一次循環(huán)形式的冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的有效性。該研究對(duì)礦用救生艙的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義，下一步的工作將重點(diǎn)提高一次循環(huán)形式的效率，優(yōu)化該形式空調(diào)系統(tǒng)的制冷及放冷形式，努力控制整體系統(tǒng)設(shè)備的成本。

圖4 一次循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)第五次試驗(yàn)圖表

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