一种利用回风的深部采场通风制冷系统

1.本发明涉及深部金属矿采场降温技术领域，具体设计一种利用回风的深部金属矿采场通风降温系统，可有效降低矿井下的环境温度，减少井上制冷系统的高压换热设备，提高系统的安全性和稳定性。


背景技术：

2.深井采矿过程中，井下热环境恶化问题十分突出。随着矿井采深度增加，进入深部之后，矿山工作面开始受高温影响，这不仅制约矿山的安全生产建设，也威胁矿工的身体健康。我国《金属非金属矿山安全规程》规定：生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃，当上述两工作地点的空气温度超过30℃和34℃时必须停止作业。与此同时，由于工艺过程的需要，采矿过程会产生大量温度稳定的矿井废水。以某黄金矿井为例，现有的深井作业区（深度＞500m）主要以通风冷却为主，井下温度高（29℃），相对湿度大（＞96%），冷却效果差，热环境非常恶劣。为保证矿井安全生产和职工身体健康，必须针对性地采取有效措施，降低环境温度，治理高温热害。
3.国内外采用的深井冷却技术有：布置通风系统、工人冷却服、在井上、井下增设制冷机等。存在的问题有：通风系统随着作业深度的增加效果变差；工人冷却服成本高，作业过程并不方便；井下制冷机存在排热困难，以空气为散热介质导致降温效果差、运行费用高等问题。
4.利用流体诱导传热元件振动实现强化换热是被动强化换热的一种形式，可将换热器内对流体振动诱导的严格防止转变为对振动的有效利用，使传动元件在低流速下的对流换热系数大幅度的提高，并利用振动抑制传热元件表面污垢，减低污垢热阻，实现复合强化传热。
5.换热器及其相关技术经过近几十年的迅速发展，取得了令人鼓舞的进步，然而一些长期未能解决的问题更加凸现出来。换热器内流体诱导振动和传热表面积垢，是世界公认的亟待解决的突出问题。流体诱导振动会导致剧烈的噪声与传热管束的损坏，传热管束表面积垢会造成巨大的能量与资源损失。在换热器内完全防止管束振动是不可能的，而通过增加传热管束的强度来防止振动从而避免管束的损坏与噪声，并不总是有效的。利用流体诱导传热管束的振动实现强化换热是无源强化换热的一种形式，通过对振动的有效利用，可在实现强化换热的同时抑制传热表面积垢，降低污垢热阻，实现复合强化换热。
6.我国金属矿资源开采已转向深部，随着开采深度的不断增加和采掘机械化程度的提高，矿井热害日益严重，对安全高效生产将产生严重影响，成为金属矿行业亟待解决的重大科技问题。井下高温、高湿的工作环境会使人感到不舒适，从而降低劳动生产率，增大事故率，影响矿井的安全生产。人在高温条件下从事繁重体力劳动时，如果周围环境的冷却能力不足以吸收人体散发的热量，就会使人体产热量和散热量之间的热平衡受到破坏，从而引起人体不良的生理、心里反应，过高的热环境可以使人体的温度调节机能失调。
7.深井热害是矿山深部开采的关键问题，制约着金属矿山的深部开采能力。在井下
热害治理方面，通风技术因其作用范围广、运行维护成本低，是热害防治的首选技术。与此同时，随着千米以下矿山开采深度的增加，通风系统冷却能力将接近极限，通风降温已无法解决深部开采面临的热害问题，因而需要发展制冷通风技术。但是矿井深度大、井下换热环境复杂，中央空调系统投资费用高，不灵活，无法对矿山复杂的工况做出快速反应，水冷塔系统供水管路铺设长度长，压差大，在深部矿山使用有较大供水困难，并且地下水往往水质较差，在使用冷却水制冷过程中容易造成冷却装置堵塞和污染，不便于维护，同时缩短设备使用寿命。因此传统的制冷系统已不能满足矿井生产需求。
8.因此，本发明针对现有深井井下集中式制冷系统存在的不足，提供一种新的采矿循环制冷系统，并在原系统上进行一定的改进，非常适合深井作业使用。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明要解决的技术问题是1）传统水冷塔的供冷方式存在的供水困难和水污染问题；2）传统供冷方式管道长，管路所要承受的压力过大的问题；3）传统中央空调技术投资费用高，管路冗杂，面对复杂多变的采场环境不够灵活的问题。
10.本发明是通过以下技术方案来实现的：一种利用回风的深部金属矿采场通风降温系统，其特征在于，包括风井、回风空冷塔、制冷机组、采场空冷器，新鲜风由风井输入到矿井中，然后回风经过回风空冷塔进行热交换，空冷塔中冷却的热水与制冷机组的冷凝端进行热交换，制冷机组冷凝端的制冷剂被冷却后与来自采场空冷器的热水进行热交换，对来自空冷器的热水进行冷却，来自空冷器中热水冷却后进入采场空冷器中，对进入采场空冷器中的空气进行冷却，冷却后的空气输送到采场中，从而完成采场环境降温的效果。
11.作为优选，所述回风冷却塔位于制冷机组上部，采场空冷器位于制冷机组的下部，采场位于采场空冷器下部。
12.作为优选，制冷机组和采场空冷器之间的流体流动由变频泵进行驱动，每个采场中所需要的风量由变频风机先送到各个采场空冷器中冷却，再由通风软管对每个采场进行运输。
13.作为优选，包括水箱，所述水箱设置在制冷机组和采场空冷器之间，制冷机组冷却由采场空冷器送上来的热水，在制冷机组中被冷却的水被汇集到水箱中，冷量被储存在了水箱中。
14.作为优选，采场空冷器出来的空气进入空气分配器，在空气分配器中出来的空气分为多路，分别进入采场的不同位置，空气通道分配器包括水平箱体，水平箱体一端是进风口，另一端是空气出口，空气出口是多个；在水平箱体的内部设置导流板，所述导流板为直板，设置为两块，两块导流板从水平箱体左右方向的两个侧壁向水平箱体的内部的空气流动方向延伸，其中两块导流板在水平箱体内部是错开布置。
15.作为优选，导流板与侧壁之间的锐角夹角是θ，导流板长度为s，两个导流板的最低端点距离空气出口的入风口的距离为h；两侧壁之间的距离为l；（s*cosθ）/h=a*(（s*sinθ）/l)
2-b*（（s*sinθ）/l） c,其中cosθ、sinθ是θ角的余弦和正弦函数，a,b,c是参数，其中9.915《a《9.920，6.149《b《6.153,1.075《c《1.085。
16.本发明的有益效果在于：
1、使用回风系统提供冷量代替了水冷塔系统，避免了供水困难和水污染的问题。
17.2、空冷塔和制冷机组之间高度差较大，来自空冷塔的冷却水被运输到制冷机组位置时，压力较高，为避免此高压水对制冷机组造成损害，使用中间换热器将高压水和制冷机组隔开，保证了制冷机组的安全性。
18.3、回风的位置位于地下，缩短了系统的管道长度和高度差，使系统整体承压降低。
19.4、采场空冷器放置于距离采场较近的采场巷道中，每组采场空冷器和风机单独为一个采场供冷，且采场空冷器和采场之间的管道比较短，其目的是精细化管路，在采场发生变动时，可将对应该采场的空冷器，风机以及管道快速拆卸和重新安装，面对复杂的矿山内部环境，可以实现随着开采采场的变动，将已不需要制冷的采场的设备，快速转移到新开掘的采场，提高系统的灵活性。
20.5、针对深部矿井中高压的工作环境，通过添加过渡补水箱，将原本低压的补充水加压到与冷却回路相同压力，再将加压后的补充水送入冷却水回路中。该发明不仅可以满足补水需求，同时避免水泵直接将常压水送入高压环境，减小了泵的功耗，提高了泵的使用寿命，降低了事故发生率，提高了系统的稳定性。
21.6、本发明提供了一种新的空气分配器，通过在空气分配器中设置多块相对设置的导流板，实现分配器出口空气温度均匀，以实现进一步降温需要，提高产品使用寿命。
22.7、本发明对空气分配器的导流板结构进行优化，以达到最优的出口空气均温效果。
附图说明
23.图1是系统的发明结构原理图；图2为背景技术的空气通道分配器的结构示意图；图3为本技术的空气通道分配器的结构示意图；图4为本技术的空气通道分配器的主视图；图5为本技术的空气通道分配器的参数示意图；图6是深部矿井采场冷却系统的高低压补水装置。
24.图中：1是回风空冷塔，2是中间换热器，3是制冷机组，4是水箱，5、6变频泵，7~12是变频风机，13~18是采场空冷器，19~24是采场。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施做进一步的描述。
26.图1展示了一种利用回风的深部金属矿采场通风降温系统。如图1所示，所述系统包括风井、回风空冷塔1、制冷机组3、采场空冷器13-18，新鲜风由风井输入到矿井中，然后回风经过回风空冷塔1进行热交换，回风在回风空冷塔1中将热水冷却，冷却后的热水与来自制冷机组3的制冷剂进行直接或者间接热交换，制冷机组3中的制冷剂被冷却后与来自采场空冷器13-18的热水进行热交换，对来自空冷器的热水进行冷却，来自空冷器中热水冷却后进入采场空冷器13-18中，对进入采场空冷器中的空气进行冷却，冷却后的空气输送到采场中，从而完成采场环境降温的效果。
27.本发明在金属矿采场使用回风系统提供冷量代替了水冷塔系统，避免了供水困难
和水污染的问题。
28.作为优选，所述系统还包括中间换热器2，冷却后的热水进入中间换热器2，在中间换热器2中与来自制冷机组3的制冷剂进行热交换，冷却由制冷机组3流进中间换热器2的制冷剂，然后制冷机组3中的制冷剂被冷却后与来自采场空冷器13-18的热水进行热交换。
29.空冷塔和制冷机组之间高度差较大，来自空冷塔的冷却水被运输到制冷机组位置时，压力较高，为避免此高压水对制冷机组造成损害，使用中间换热器将高压水和制冷机组隔开，保证了制冷机组的安全性。本发明通过使用中间换热器，将高压水和制冷机组隔开，保证了制冷机组的安全性。
30.作为优选，流出回风空冷塔的冷水由变频泵输送到中间换热器，用以冷却由制冷机组流到中间换热器的制冷剂。本发明使用中间换热器将高压水和制冷机组隔开，保证了制冷机组的安全性。
31.作为已选，制冷机组包括蒸发器、冷凝器、压缩机以及节流阀。
32.作为优选，制冷剂是水。
33.作为优选，所述回风冷却塔1位于地面下部以及制冷机组和中间换热器的上部，风井的入口和出口位于地面，回风通道位于地面下部。采场空冷器位于制冷机组和中间换热器的上部的下部，采场位于采场空冷器下部。本发明回风的位置位于地下，缩短了系统的管道长度和高度差，使系统整体承压降低。
34.作为优选，每组采场空冷器和风机单独为一个采场供冷。采场空冷器放置于距离采场较近的采场巷道中，每组采场空冷器和风机单独为一个采场供冷，且采场空冷器和采场之间的管道比较短，其目的是精细化管路，在采场发生变动时，可将对应该采场的空冷器，风机以及管道快速拆卸和重新安装，面对复杂的矿山内部环境，可以实现随着开采采场的变动，将已不需要制冷的采场的设备，快速转移到新开掘的采场，提高系统的灵活性。
35.作为优选，制冷机组3和采场空冷器之间的流体流动由变频泵进行驱动，每个采场中所需要的风量由变频风机先送到各个采场空冷器中冷却，再由通风软管对每个采场进行运输。
36.进一步，水箱中的热水在变频泵的作用下，被送到位于c深度的采场空冷器中，空气在变频风机的作用下，被输送到采场空冷器中，在采场空冷器中将冷量传递给空气，通过软管输送需要制冷降温的采场，从而达到了降低采场温度的作用。
37.作为优选，所述系统包括水箱4，所述水箱设置在制冷机组和采场空冷器之间，制冷机组冷却由采场空冷器送上来的热水，在制冷机组中被冷却的水被汇集到水箱中，冷量被储存在了水箱中。新鲜风由风井输入到矿井中，在矿井中起到通风除尘和小幅度降温的作用，根据矿山环境，在合适深度处设置回风空冷塔提取回风中的冷量，回风在回风空冷塔中进行热交换，回风空冷塔的冷热流体呈叉流布置，此时风中蕴藏的冷量交换给空冷塔中。在空冷塔中，由换热器流向空冷塔的热水被冷却，而后又通过变频泵，将这部分水输送到中间换热器，中间换热器冷却由制冷机组流进中间换热器的热水，在变频泵的作用下，这部分水被送往制冷机组，并通过这部分水将冷量传递给制冷机组，在制冷机组中，由采场空冷器送上来的热水被冷却，冷水储存到水箱中，在变频泵的作用下，水箱中的冷水被送到了井下的采场空冷器，采场空冷器并联布置，由变频风机为每个采场空冷器供应风量，每个采场空冷器再分别为对应的采场供冷，采场空冷器中冷热流体呈叉流布置，冷水与流经采场空冷
器的热空气发生热交换，将冷量传递给流过采场空冷器的热空气，热空气在获得冷量后变为了冷空气，冷空气通过软管，向需要降温的采场里输送冷量，从而完成采场环境降温的效果。
38.作为优选，本发明还进一步研究和改进了通风降温系统的智能控制功能，针对图1的通风降温系统能够实现多面的全方位的智能控制。
39.作为一个改进，风井出口包括回风机，中间换热器和制冷机组之间设置泵，所述风井出口设置温度传感器，所述温度传感器和回风机与控制器数据连接，所述控制器根据测量的风井出口回风温度t和回风机频率p自动控制泵的功率。
40.作为优选，当检测的温度t降低，控制器控制泵的功率增加，当检测的温度t增加，则控制器控制泵的功率降低。
41.作为优选，当检测的回风机频率p降低，控制器控制泵的功率降低，当检测的回风机频率p增加，则控制器控制泵的功率增加。
42.作为优选，当（t-t）* p降低，控制器控制泵的功率降低，当检测的（t-t）* p增加，则控制器控制泵的功率降低。其中t是设定温度，优选20-25摄氏度。
43.本发明通过进一步的智能控制，实现回风温度以及回风功率与水泵的运行的相适用。
44.如图2所示，采场空冷器与采场之间设置风道，风道和采场出风口之间设置空气分配器38，空气分配器设置多个出口，分别对应采场的不同位置。
45.运行中，采场空冷器出来的空气进入空气分配器38，在空气分配器38中出来的空气分为多路，分别进入采场的不同位置。
46.如图2、3所示，空气通道分配器38包括水平箱体381，水平箱体381一端是进风口，另一端是空气出口，空气出口是多个，分别对应采场的不同位置。如图2所示，因为存在换热不均匀问题导致空气通道中的不同位置空气温度不同，导致在空气分配器尾部连接的多个空气出口中存在空气温度分布不均匀问题。例如图2的三个空气出口温度不均匀，最高温度和最低温度最大相差7-8摄氏度。
47.本发明对空气分配器进行了进一步的改进。作为一个改进，如图3所示，在水平箱体381的内部设置导流板81，所述导流板为直板，设置为两块，两块导流板从水平箱体381左右方向的两个侧壁向水平箱体381的内部的空气流动方向延伸，其中两块导流板81在水平箱体381内部是错开布置。如图4和图5所示，一块导流板设置在左方的侧壁上侧或者下侧，另一块设置与左方侧壁行对应的右方侧壁的下侧或者上侧，从而实现错开布置。
48.本发明通过设置两块导流板，使得进入分配器的空气一部分沿着导流板流动引导至相反的方向，与相反方向进入的空气充分混合，从而实现空气的温度均匀，避免出口空气不均导致的问题。
49.作为优选，每块导流板在侧壁相连的连接宽度是侧壁高度w的50%。
50.通过上述的尺寸设计，一方面能够尽量多的在空间内分配导流板，实现温度的充分均匀，而且还尅避免空气流动中出现短路现象，防止空气从一个方向流出，能够使得空气混合达到最优结构。
51.作为优选，导流板与侧壁连接的位置设置在靠近空气分配器的入口处。通过设置在靠近空气分配器的入口处，使得空气分配器内部空间足够大以满足充分混合均匀。
52.作为优选，所述的水平部分381是矩形横截面。
53.作为优选，导流板是直板。
54.导流板81与侧壁之间的锐角夹角是θ，导流板长度为s，两个导流板81的最低端点距离空气出口的入风口的距离为h；两侧壁之间的距离为l。
55.通过大量的数值模拟和实验研究发现，导流板81的布置方式应综合考虑分流、混合、阻力、振动等。夹角θ不宜太大，否则导流板表面静压力和动压力较高，流阻增大，不宜太小，会导致均温效果变差。空余段h不宜太大，导致结构太长，增加成本，也不宜太小，导致混合的气体无法充分混合，而且否则靠近出口处局部流速过高，不利于均温和流量均匀。导流板长度根据夹角的变化需要进行适用性变化，否则夹角过大情况下导流板过长，增加很大的阻力，夹角过小的情况下，导流板太短，混合效果很差。因此本技术通过数值模拟和实验研究确定了最佳的结构优化关系。
56.（s*cosθ）/h=a*(（s*sinθ）/l)
2-b*（（s*sinθ）/l） c,其中cosθ、sinθ是θ角的余弦和正弦函数，a,b,c是参数，其中9.915《a《9.920，6.149《b《6.153,1.075《c《1.085。
57.进一步优选，a=9.9175,b=6.151,c=1.080。
58.作为优选，2.11》s*cosθ/h》0.1, 0.25《s*sinθ/l《0.75，20
°
《θ《70
°
。
59.作为优选，随着角度θ的增加，导流板的长度s不断减小。
60.作为优选，随着l的增加，h不断增加。
61.作为优选，随着角度θ的减小，h不断增加。
62.为防止导流板的振动，作为优选，导流板的厚度不宜低于2mm。
63.作为优选，40《s《50mm，180《h 《200mm，70《l《80mm，22《w《27mm。
64.通过上述的导流板的设计，能够使得在满足换热要求情况下是，空气通道分配器的空气的温度达到最佳的均温效果。
65.作为改进，本发明还进一步公开了一种用于深部矿井采场冷却系统的高低压补水装置。如图6所示，本发明提供的在深部矿井中使用的高低压补水系统包括常压补水箱，过滤净水装置，低压端流量控制阀，低压水泵，水压预警系统，压力传感器，过渡补水箱，水位监测系统，液体加压装置，高压端流量控制阀，高压水泵。常压补水箱与过渡补水箱之间用管路相连，在常压补水箱与过渡补水管路中间依次设置有过滤净水装置、低压流量控制阀及低压水泵。低压流量控制阀与低压水泵相连，过渡补水箱与高压水泵通过管道相连，过渡补水箱与高压水泵相连管路中间依次设置有高压流量控制阀和高压水泵。高压水泵与矿井冷却回路相连。
66.所述补水装置还包括低压水流量控制系统、低压水泵控制系统、过渡补水箱水位监测系统、液体加压系统、压力控制系统、高压水流量控制系统、高压水泵控制系统。低压水流量控制系统，用于控制常压补水箱与过渡补水箱之间冷却水的流量；低压水泵控制系统，用于将常压补水箱中冷却水送至过渡补水箱；过渡补水箱水位监测系统，用于监测补水箱中水位变化，防止补水箱中水位过高；液体加压系统，用于将过渡箱中冷却水加压到与矿井冷却回路相同工作压力；压力控制系统，用于监测过渡水箱中水压的变化，防止水压过高，发生意外；高压水流量控制系统，用于调控过渡水箱与冷却回路之间冷却水的流量；高压水泵控制系统，用于将过渡水箱中加压后的冷却水送至冷却回路中。
67.开始工作时，低压流量阀打开，高压流量阀关闭，低压冷却水经水泵由常压补水箱
进入过渡补水箱，后关闭低压流量控制阀低压冷却水在过渡补水箱中被加压装置加压至于矿井制冷系统回路相同压力，后打开高压流量控制阀，经高压水泵将加压后的冷却水送至矿井冷却系统。
68.开始工作时，高压流量控制阀关闭，高压泵关闭，补充水通过水泵，由补水箱送入管道，先经过滤净水装置将补充水中的杂质除去，改善补充水水质。接着低压流量控制阀打开，净化后的补充水由低压水泵送入过渡补水箱。
69.过渡补水箱水处设置有水位监测系统，当过渡补水箱水位达到标准水位，系统向控制柜发出信号，此时将低压流量阀关闭，低压水泵关闭，同时启动液体加压装置。
70.作为上述实施例的进一步改进，水位监测系统还包括报警功能，当过渡补水箱水位超过临界水位，水位监测系统向控制柜发出警报，强制停止进水，且打开泄水阀，提高系统稳定性。
71.作为上述实施例的进一步改进，过渡水箱还包括泄水阀。
72.过渡水箱设置有压力传感器，可监测过渡水箱中压力的变化，当过渡水箱中压力达到要求时，加压装置停止加压。
73.作为上述实施例的进一步改进，压力传感器与制冷回路压力系统相连，实时感应冷却回路中压力的变化，将信息反馈到控制台，控制台实时匹配压力，保证过渡水箱中压力满足压力需求。
74.当过渡水箱中压力过大时，压力预警装置向控制柜发出警报，过渡水箱紧急泄压，防止压力过大发生事故。
75.作为上述实施例的进一步改进，补水箱还包括安全阀，提高系统稳定性。
76.加压结束后，高压流量控制阀打开，高压水泵打开，将加压后的补充水送入冷却回路中。
77.作为优选，所述低压水流量控制系统、低压水泵控制系统、过渡补水箱水位监测系统、液体加压系统、压力控制系统、高压水流量控制系统、高压水泵控制系统；所述低压水流量控制系统，用于控制常压补水箱与过渡补水箱之间冷却水的流量；所述低压水泵控制系统，用于将常压补水箱中冷却水送至过渡补水箱；所述过渡补水箱水位监测系统，用于监测补水箱中水位变化，防止补水箱中水位过高；所述液体加压系统，用于将过渡箱中冷却水加压到与矿井冷却回路相同工作压力；所述压力控制系统，用于监测过渡水箱中水压的变化，防止水压过高，发生意外；所述高压水流量控制系统，用于调控过渡水箱与冷却回路之间冷却水的流量；所述高压水泵控制系统，用于将过渡水箱中加压后的冷却水送至冷却回路中。
78.作为优选，低压水流量控制系统还包括冷却水净化过滤装置，所述冷却水净化过滤装置置于补水箱与低压水泵之间，用于过滤冷却水中杂质。
79.作为优选，低压水泵与低压流量控制阀之间还包括协同控制系统，即低压流量阀打开时低压工作泵工作，流量阀关闭时，低压泵停止工作。
80.作为优选，过渡补水箱水位监测系统还包括预警系统和紧急制动系统，所述预警系统用于当过渡箱水位接近临界值时向系统发出警报，提示工作人员及时处理；所述紧急制动系统用于当过渡水箱水位达到或超过临界水位时，强制关闭低压水泵及低压流量控制阀，防止发生意外事故。
81.作为优选，压力控制系统与矿井冷却循环制冷系统相连，实时监测冷却水系统压力，保证低压水加压后与制冷回路的压力相同。
82.作为优选，高压水泵与高压流量控制阀之间还包括协调系统，即高压工作泵工作时高压流量阀打开，高压泵停止工作时流量阀关闭。
83.虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。