矿井救生舱用空调净化一体机的研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 6 4 2.55MB 67 页 15积分
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摘 要
随着经济的快速发展，我国已经成为世界第一能源消耗国，而煤炭在我国能
源消耗中长期占据主导地位，与之相伴随的是，我国煤矿事故频发，平均每年造
成六千多人死亡，死亡数超过全国事故死亡人数的三分之一以上。在此背景之下，
就需要一种井下救援避险设备，来为井下遇险人员提供临时保护措施和生命保障
系统，以提高救援成功率。由此，矿井可移动式救生舱和避难硐室便应运而生。
空气调节和空气净化是可移动式救生舱和避难硐室的两项关键技术，其目的
是使救生舱和避难硐室内的空气环境维持在利于人体健康的状态，防止空气温度
过高并消除空气中的有毒有害气体。本课题研究并设计出一种矿井救生舱用空调
净化一体机，来解决以上两项关键技术问题。
经过分析论证，本课题采用二氧化碳开式制冷作为空调方式，以贮存在钢瓶
中的高压液态二氧化碳为能量来源和制冷剂，以液体气化吸热、高压气体膨胀制
冷为原理，实现对救生舱内空气温湿度的调节。同时将空气净化与空调系统结合，
在空调回风口设置空气净化装置，实现对救生舱内空气中的有毒有害气体的滤除。
根据设计条件，计算得到矿井救生舱空调系统冷负荷为 2000W，制冷剂二氧
化碳流量为 35.82Kg/h；选用碱石灰作为 CO2气体吸附剂，CO2气体净化负荷为
0.32Kg/h，在额定防护时间内至少需要储备 140.98Kg 碱石灰；计算得到 CO 气体
净化负荷为 0.012Kg/h；设计出的翅片式蒸发器最大允许压力为 12.4MPa，理论传
热系数为 71.52 W/（m2·K），阻力损失为 19.72 Pa；并对系统其它主要设备，如
节流结构、气动马达、风机等进行设计选型，并最终制成实验样机。
在空调焓差实验室中对空调系统性能进行测试实验，在标准工况下空调系统
的平均制冷量为 2029.68W，平均风量为 467.53m3/h，满足设计要求；在其它工况
下，机组运行平稳，系统各点的压力和温度变化较小；变工况运行时，当乘员舱
温度由 30℃提高到 38℃，制冷量下降约 13%，风量基本保持稳定。在空气净化
试验台上分多个工况对碱石灰 CO2气体吸附剂的性能进行测试，得到碱石灰吸附
剂的平均净化效率最低为 52.05%，最高为 61.20%，根据碱石灰吸附剂性能实验
的结果，在一定的范围内，适当降低截面风速可以提高碱石灰吸附剂的净化效率。
理论计算和实验研究表明，矿井救生舱空调净化一体机满足设计要求，运行稳定，
可为井下救生系统和设备的研发提供参考依据。
关键词：矿井救生舱 二氧化碳制冷剂 翅片式蒸发器 吸附剂 气动马
达 设计计算 实验研究
ABSTRACT
With the rapid economic development, China has become the world's first
consumer of energy, and coal has dominated China's energy consumption for a long
time, at the same time, coal mine accidents occurred frequently, more than 6,000
people were killed every year, the number of deaths has outpaced one-third of the
national accident -al deaths. In order to improve the success rate of rescue, it needs an
underground rescue hedging device to provide interim measures and life support
systems for underground persons in distress. As a result, the mine removable rescue
capsule and refuge chamber came into being.
Air-conditioning and air purification are two of the key technologies of the mine
removable rescue capsule and refuge chamber, which aims to make the indoor air
environment to maintain at the right state, it can prevent high air temperatures and
eliminate the toxic and harmful gases. This issue has researched and designed an air
conditioner and purifier AIO to solve the above technical problem.
After analysis and evaluation, according to the theory of absorbing heat when the
liquid vaporizes and high-pressure gas expands, this issue used an open carbon dioxide
refrigeration cycle as air conditioning to adjust the temperature and humidity of the air.
Aiming to eliminate the toxic and harmful gases, it set up an air purification device at
the location of return air to combine the air purification and air conditioning systems.
Based on design conditions, the cooling load of the air conditioning system is
2000W, the flow of the refrigerant is 35.82Kg/h; the soda lime was used as the
adsorbent of the CO2 gas, the load of CO2 gas purification is 0.32Kg/h, so it needs
more than 140.98Kg soda lime during the whole term of protection; the load of CO gas
purification is 0.012Kg/h; the maximum allowable pressure of the fin evaporator is
12.4MPa, the theoretical heat transfer coefficient is 71.52W/(m·K), and the air
resistance is 19.72Pa; the other major equipment, such as throttle structure, air motors
and fans were selected, and then the experimental prototype was manufactured.
The performance of the air-conditioning system was tested in the HVAC
enthalpy lab, the average cooling capacity is 2029.68W, and the air volume is
457.53m3/h, which was got in the standard conditions; in other conditions, the unit
operated smoothly, the pressure and temperature test points had little change; in the
variable conditions, the cooling capacity decreased by approximately 13% when the
temperature increased from 30 ° C to 38 ° C, but the air volume remained stable. The
performance of soda lime was tested on the air purification bench, the average
purification efficiency is at least 52.05% up to 61.20%, the experiment results show
that, the purification efficiency will be improved when the velocity of the
cross-sectional wind is reduced. As the result of theoretical calculation and
experimental studies, the air conditioner and purifier AIO can satisfy the demand, and
operated stable, this will provide a reference for the research and development of
related field.
Key Word: Mine rescue capsule, Refrigerant of CO2, Fin evaporator,
Adsorbent, Air motor, Design & calculation, Experiment research
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1
1.1 课题研究的背景和意义 ................................................................................... 1
1.2 研究课题的提出 ............................................................................................... 3
1.3 国内外研究和发展现状 ................................................................................... 5
1.3.1 矿井救生舱空气调节技术国内外研究和发展现状 ............................ 5
1.3.2 矿井救生舱空气净化技术国内外研究和发展现状 ............................ 6
1.4 本文主要研究内容 ........................................................................................... 7
第二章 救生舱空调与净化的理论分析及计算 ............................................................ 9
2.1 矿井救生舱空调方式的确定 ........................................................................... 9
2.1.1 矿井空调常用方式介绍 ........................................................................ 9
2.1.2 矿井救生舱空调方式的选择 ................................................................ 9
2.2 开式二氧化碳制冷分析及计算 ..................................................................... 10
2.2.1 二氧化碳制冷剂的性质 ....................................................................... 10
2.2.2 开式二氧化碳制冷理论分析 .............................................................. 12
2.2.3 矿井救生舱空调负荷计算 .................................................................. 14
2.2.4 矿井救生舱空调送风量和送风参数的确定 ...................................... 15
2.3 矿井救生舱空气净化方式的确定 ................................................................. 17
2.4 空气净化原理分析及净化负荷计算 ............................................................. 18
2.4.1 碱石灰吸收 CO2气体的原理 .............................................................. 18
2.4.2 救生舱 CO2气体净化负荷及碱石灰消耗量的计算 .......................... 19
2.4.3 救生舱 CO 气体净化负荷的计算 ...................................................... 20
2.5 矿井救生舱用空调净化一体机整体方案的确定 ......................................... 22
2.6 本章小结 ......................................................................................................... 23
第三章 系统各部件的设计与选型 .............................................................................. 24
3.1 开式二氧化碳制冷循环热力计算 ................................................................. 24
3.2 蒸发器的设计计算 ......................................................................................... 25
3.2.1 蒸发器的选型与设计要求 .................................................................. 25
3.2.2 蒸发器的设计计算 .............................................................................. 26
3.3 其它设备的选型 ............................................................................................. 36
3.3.1 节流机构 .............................................................................................. 36
3.3.2 风机 ...................................................................................................... 39
3.3.3 气动马达 .............................................................................................. 40
3.4 本章小节 ......................................................................................................... 43
第四章 空调净化一体机的实验研究及数据分析 ...................................................... 45
4.1 实验目的及方案 ............................................................................................. 45
4.1.1 实验目的 .............................................................................................. 45
4.1.2 实验方案 .............................................................................................. 45
4.2 实验数据处理与分析 ..................................................................................... 50
4.2.1 空调系统性能实验的数据处理与分析 .............................................. 50
4.2.2 空气净化系统性能实验的数据处理与分析 ...................................... 56
4.3 本章小结 ......................................................................................................... 57
第五章 结论与展望 ...................................................................................................... 58
5.1 课题研究成果 ................................................................................................. 58
5.2 需要进一步开展的工作 ................................................................................. 59
5.3 课题展望 ......................................................................................................... 59
参考文献 ........................................................................................................................ 60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 63
致 谢 .............................................................................................................................. 64
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
本章节从煤炭开采行业面临的实际问题出发，引出课题研究的背景和意义，
并从暖通空调专业的角度提出设计研究一种“空调净化一体机”来解决矿井救生
系统的两个关键技术障碍，即空气调节和空气净化，同时介绍了国内外相关课题
的研究发展状况，以及本文主要研究内容。
1.1 课题研究的背景和意义
随着经济的持续快速发展，我国已经成为世界第二大经济体，与之相伴的是
每年巨大的能源需求量和消费量。根据文献[1]数据显示，2009 年，中国一次能源
消费总量为 30.66 亿吨标准煤，成为世界第一能源消耗大国，而其中煤炭占能源
消费总量的比重达到 70.1%。如表 1-1 所示，2000 年至 2009 年间我国能源消费量
持续增长，而煤炭在一次能源消费中长期占据七成以上的比重，且在未来相当长
的时期内我国的能源结构仍是以煤炭为主。
表 1-1 2000 年至 2009 年我国一次能源消费总量及构成
年份
能源消费总量
（亿吨标准煤）
能源消费构成（%）
煤炭
石油
天然气
其它
2000
12.90
71.95
7.19
2001
13.74
71.80
8.23
2002
14.38
72.25
8.14
2003
16.38
75.07
7.30
2004
18.73
75.96
7.68
2005
20.59
76.50
7.70
2006
22.11
76.68
7.86
2007
23.54
76.60
8.20
2008
26.00
76.70
8.98
2009
30.66
70.10
7.35
作为一种不可再生的矿物资源，煤炭通常蕴藏在地表以下，在开采和使用过
程中伴随着对环境的污染与破坏；而与此同时，由于技术和管理等方面的原因，
时常发生的煤矿安全事故直接威胁着采矿工人的生命安全，并造成巨大的财产损
失。我国煤炭开采行业事故频发，截止到 2005 年，死亡人数过百的煤矿事故共发
矿井救生舱用空调净化一体机的研究
2
生22 起；以 2001 年至 2005 年的统计数据为例，五年间全国煤矿共发生事故 18516
起，共造成 31064 人死亡，平均每年发生各类事故约 3702 起，平均每年死亡 6213
人[2]-[6]；煤炭行业已经是我国工业生产领域中造成事故发生量最多、伤亡人数最
多的行业，其事故发生量占全国工矿商贸企业事故发生总量的四分之一左右，死
亡人数占全国工矿商贸企业事故死亡总数的三分之一以上[7]。表 1-2 为2001 年至
2005 年间我国煤矿各等级事故发生次数和比重，由表中数据可知煤矿事故已经成
为我国生产事故发生的重灾区，尤其是在全国各类特别重大事故中，由煤炭事故
引发的特别重大事故已经接近全国总量的六成。
表1-2 2001 年至 2005 年我国煤矿各等级事故发生次数和比重
共发生次数
（起）
年发生次数
（起/年）
占全国各类同等级
事故比重（%）
较大事故
（造成 3-9 人死亡）
1398
280
11
重大事故
（造成 10-29 人死亡）
214
43
36
特别重大事故
（造成 30 以上人死亡）
42
8
58
据有关文献统计，我国生产了世界 35%左右的原煤，然而因煤矿事故造成的
死亡人数竟达到世界煤矿死亡总人数的 80%以上 [8]。如图 1-1 所示，随着生产技
术和管理方式的进步，虽然我国煤炭行业每百万吨死亡人数已经从 2000 年的 6.10
下降至 2007 年的 1.49，但是仍远高于世界平均水平，2005 年我国每开采一百万
吨煤炭，发生事故死亡的人数约是南非的 17 倍，波兰的 10 倍，印度及俄罗斯的
7倍[7]。我国煤炭行业安全形势依然十分严峻。
图1-1 2000 年至 2007 年我国百万吨煤死亡率
鉴于我国煤炭开采行业事故发生率过高，且造成了严重的人员伤亡和财产损
失，已经影响到了行业的发展和社会的稳定，并有损于我国的国际形象，因此在
事故发生前如何减少甚至避免矿难，在事故发生时如何减少伤亡人数，事故发生
6.10
5.14
4.64
4.17
3.08
2.81
2.04
1.49
0
1
2
3
4
5
6
7
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
百
万
吨
死
亡
数
年份
摘要：

摘要随着经济的快速发展，我国已经成为世界第一能源消耗国，而煤炭在我国能源消耗中长期占据主导地位，与之相伴随的是，我国煤矿事故频发，平均每年造成六千多人死亡，死亡数超过全国事故死亡人数的三分之一以上。在此背景之下，就需要一种井下救援避险设备，来为井下遇险人员提供临时保护措施和生命保障系统，以提高救援成功率。由此，矿井可移动式救生舱和避难硐室便应运而生。空气调节和空气净化是可移动式救生舱和避难硐室的两项关键技术，其目的是使救生舱和避难硐室内的空气环境维持在利于人体健康的状态，防止空气温度过高并消除空气中的有毒有害气体。本课题研究并设计出一种矿井救生舱用空调净化一体机，来解决以上两项关键技术问题。经...

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