[00131375]高温矿井冰浆制冷降温实验系统研究

应用领域或技术原理：　　本项目针对高温热害矿井降温系统中存在的问题，采用理论分析、现场实验、数值模拟对降温系统运行经济性、降温效果进行研究。冰浆输送是采用冰浆为载冷介质来实现冷量的输送。冰浆输送的冷量中带有潜冷，冷流密度大，单位体积流体输送的冷量也大，需要的管道尺寸与用冷水管输送相比，可得到大幅度缩小，实现供冷设备和末端装置小型化。同时，潜冷冷量传递过程几乎在恒温下进行，可提高空冷器的冷交换效率。通过搭建实验系统，掌握冰浆流动、传热特性，优化空冷器结构，实现矿井冰浆输送降温，提高矿井降温系统经济性和降温效果。该技术应用于矿井高温热害及其治理领域。　　性能指标：　　1）通过理论分析、现场测试得出热负荷计算方法及影响因素，偏差＜8%；　　2）通过现场测试，采用能量法和火用方法从不同的角度理论分析矿井降温空气调节系统的经济性，可有效提出改进系统运行性能的优化方案；　　3）冰浆输送制冷降温系统，可节省输送管路投资、运行电费30%；　　4）与冰浆输送制冷降温系统配套的空冷器换冷效果可提高30%以上。　　与国内外同类技术比较：　　针对高温热害矿井降温系统中存在的问题，通过检索国内相关文献发现，本项目与同类技术相比，具有以下领先之处：　　1）矿井热害产生的机理研究方面：　　国内同类研究：国内有对矿井热害产生的机理进行了研究，但没有具体针对具有平顶山矿区矿井下特点及工作面特征的研究。本项目：研究了影响矿井热害产生的各主要因素及其作用机理，分析了引起平顶山矿区热害形成原因及特点，得出了工作面降温所需的冷负荷的计算方法。　　2）高温矿井降温系统经济性理论研究方面：　　国内同类研究：国内有对高温矿井降温措施的经济性进行理论研究，但没有同时采用能量法和火用方法两种方法相结合进行研究。　　本项目：运用能量法和火用方法研究了平煤六矿和五矿两种不同类型的矿井降温系统经济性，首次采用能量的品质分析降温系统的经济性，并提出了改进措施。　　3）冰浆输送矿井降温实验系统研究方面：　　国内同类研究：国内有对冰浆输送的流动特性进行研究，但只是小管径、短管路的实验系统，对大管径、长管道、矿井降温系统中的冰浆输送还没有这方面的研究。　　本项目：创造性的提出了冰浆输送矿井降温的概念，设计并建立了国内第一个冰浆输送矿井降温空气调节实验系统，实验研究了冰浆浓度、流速、弯管阻力、管道倾角对流动特性的影响规律。　　4）空冷器结构设计及优化研究方面：　　国内同类研究：国内有对空冷器结构设计及优化进行了研究，但针对井下环境空冷器效率低等问题没有很好解决。　　本项目：实验研究了不同工况下不同载冷介质对空冷器换热性能的影响；利用固液两相流理论和湍流理论建立了冰浆流动的数学模型，并运用FLUENT数值模拟软件对实验结果进行模拟，研制开发的新型高效的冰浆式空冷器效率可以大幅度提高。成果的创造性、先进性：　　成果的创新点如下：　　（1）首次综合运用能量法和火用方法分析冷水机组、地面制冰－降温系统运行经济性，分析矿井热害产生的各主要因素及其作用机理，给出了降温工作面冷负荷的计算方法；　　（2）分析了冷水机组制冷降温、空气压缩式制冷和冰冷却空调降温系统存在问题，首次创造性地提出了矿井降温冰浆输送的概念；　　（3）设计并建立了国内第一个矿井降温冰浆输送实验系统，包括冰浆制备系统、冰浆输送系统、空气调节实验系统及测量系统四大部分，实现了管内冰浆输送；　　（4）成功进行了不同工况下冰浆在管内流动的特性实验，揭示了不同冰浆浓度、流速、管道倾角对流动特性的影响规律；　　（5）实验研究了不同工况下不同载冷介质对空冷器传热特性的影响，优化了空冷器结构设计，采用冰浆输送成功解决了输冷管路过长带来的空冷器进口载冷介质温度高的难题；　　（6）研制开发的新型高效的冰浆式空冷器效率可以大幅度提高。实验研究了不同工况下不同载冷介质对空冷器换热性能的影响；利用固液两相流理论和湍流理论建立了冰浆流动的数学模型，并运用FLUENT数值模拟软件对实验结果进行模拟，两者结论可以相互验证。　　作用意义（直接经济效益和社会意义）：　　该项目完成后，提出的冰浆输送制冷降温系统，对于指导矿井的降温具有重要的现实意义，具有非常广阔的推广应用价值和良好的社会、经济效益。　　经济效益：　　（1）根据《平煤六矿生产调度月报表》2007年4～11月份的统计情况，7月中旬降温系统正式运转以来，己17-23190采面空气温度与6月份相比平均降低5.1℃，采面产量8月份比7月份增加8049t。　　六矿原煤综合售价按288.69元/t，降温系统运行费按15万元/月考虑，根据六矿原煤成本表以及随产量而增加的可变成本为256.56元。　　则每月可实现净利润：　　{8049×（288.69-256.56）-150000}÷0.67=16.21万元/月　　可见，经济效益是十分可观的。　　（2）据统计，平煤六矿地面制冰－井下降温系统运行以后，工作面环境温度降低，矿工的出勤率和工作效率均提高10%以上，原煤产量不断提高，丁5-6-22260综采面空气温度降到30℃以下，才使产量得到较大提高。2007年7～11月份，丁5-6-22260工作面平均单产6.94万吨，与2006年5月～2007年6月平均单产相比提高了2.01万吨，年新增纯经济效益897.499万。　　社会效益：　　通过应用本项目的研究成果，不仅能极大地提高矿井的生产效率，减少劳保、医疗费用的支出，为企业带来直接的经济效益；而且能使企业创造出安全、高效的生产环境，有助于塑造良好的企业形象，具有积极的社会效益和广泛的推广价值。　　（1）实施降温后，不但满足工作面生产需求，同时降低了风流中的含尘量。工作面环境温度降低，矿工的出勤率和工作效率均提高10%以上，原煤产量不断提高；　　（2）随着矿井安全性能的提高，企业形象也能得到明显的改善；　　（3）中暑现象不再发生，并且由高温引起的疾病急剧减少，减少劳保、医疗费用的支出等，减少因职工心态受影响而出现工作效率降低的几率；　　（4）实施该项目减少职业伤害事故有利于社会稳定。　　实践证明，矿地面制冰－井下降温系统可以有效解决矿井高温问题，防止和减少了工作人员的中暑现象，提高了工作面的产煤效率。将这些技术和经验进行总结，为我国类似条件下实施矿井降温提供了借鉴，研究成果具有广阔的推广应用前景。