随着矿井开采深度的增加和对环境重视程度的加大,对深部高温矿井制冷成为一个普遍的需求。
矿井有多种不同的降温应用措施。制冷是利用热交换法将一定数量的某种能量(通常为电能或柴油)输入用于产生热交换热量从一种介质(通常为水或空气)交换到另一种不同位置的介质。
如果冷却系统建立在地表并且输入制冷设备的电能和交换热量直接排入空气中,那么只需要为井下考虑直接输入制冷量和冷源位置即可(例如在地表井口位置设置制冷器,或在井下风路设置冷却水喷雾站和冷却塔)
如果制冷站全部设置在井下,制冷设备的散热就要按照显热源单独设置。这些热源应包括在相对制冷量值中考虑的等价值,加上输入到制冷站的电能及柴油功率。
通风设计本质上该热量当然不应该重新进入到冷却风流中,并要有足够的风流能够带走热量。
矿井制冷站模拟的设计类型可以总结分为如下3种不同的方式:
1.BAC(集中制冷设备),部分或全部进入矿井空气在地面或近地面进行冷却。制冷站设在地表,只需将制冷部分输入模拟中。集中制冷站有设计在地面和散热的优势,但也有传送至指定位置时沿途损失制冷效率的劣势。
2.井下制冷站点。制冷站或设备设置在井下只为矿井某一个部分提供定点降温。模拟需要将冷源和热源单独输入到模型中,代表产生冷却和释放热量。
热扩散必须包括输入到制冷站的输入功率。制冷站点有冷却需要冷却空气的优势,但也有需要回风单独散发热量的缺点。另外,鉴于井下环境的尺寸限制制冷点要求设备要小同时也很难运行和维护。
3.井下冷却水。冷却站设在地表,但冷却水交换位于井下。这种情况下,只需要输入冷源模拟。冷却水系统有能为冷却需要处提供制冷的优点,但同时也有在矿井中需 要用管路和泵抽放和分配冷却水的缺点。
最后,制冷功率(热交换)与输入电功率(或机械功率)的比值称为制冷性能系数(COP)可以在“设置>热”中定制。
尽管该系数不直接参与模拟过程(最终制冷交换冷量KW由用户设置,并非输入功率),该设置将有助于Ventsim系统计算整个模型电功率消耗。
制冷性能系数(COP)通常从2.5到5.0不等(制冷功率比输入功率)并且与制冷站设计及站点输入与输出温度参数相关。直接模拟这些参数甚至已经超出了Ventsim系统模拟的研究范围。
Ventsim 系统设置到风路上的项目进行解算时都将按照项目图标所在位置来进行相关模拟。
因此,当在一个竖井中部放置一个空气制冷器时,系统将假定空气致冷器放置在竖井进口以下一半长度的位置,实际上往往和事实不符。
这样的假设会导致空气密度和温度值的轻微偏差,实际制冷器是放置在靠近地表位置。
所以,我们建议在风网中设置风机或热模拟对象时,尽可能的考虑这些对象的实际位置。
或者可以在竖井上部构造一条较短的风路(垂直的或者水平的)用来放置致冷装置,这样系统计算时将能采用较正确的环境参数。
Ventsim系统假定风路内的所有气流是均匀冷却或者加热的。
实际上如果只有部分气流被冷却(其余部分在下游混合),正是由于部分冷却导致混合风流的最终结果可能与通常冷却的风流在湿度性能上有本质的不同。
然而这两种风流状况都可以得到相似的热消减(西格马热和热焓组成)报告。在风流非均匀冷却时,冷却部分的温度要低很多,导致冷凝的增多和随后的除湿。
结果,与均匀冷却的气流相比较,混合气流温度一般要稍高些,但是由于相对湿度较低而更加干燥。
制冷装置无论是安装在地面还是井下,如果制冷装置只冷却风流的一部分,那么确保用一条独立的风路来代表冷却部分。
下面的例子说明这两种情况下的下游风流温度的重大区别。

图20-2 制冷器冷却全部气流

图20-3 制冷器冷却40%的气流
讨论:两种情况下从空气中移除的热量均为3500kw。在制冷风路的下游风路上,非均匀冷却的湿度值相对均匀冷却来说减小了。
非均匀冷却情况下的干燥暖和空气将加大潮湿风路的蒸发冷却,产生潜在制冷和加湿的效果,同时冷湿空气流将加大与岩石表面的地热转换从而减少蒸发冷却。
而远离冷却源的空气温度可能不会有多大差异。
冷却装置类型 冷却装置的类型对于空气温度和湿度的影响非常小。例如,由于空气与水蒸气的机械接触,封闭板式冷却塔相比喷雾室产生不同的相对湿度,尤其是在没有达到空气的露点温度或者是空气非常干燥的情况下。
另外,电动机和制冷设备的也会给风流传递热量,对于井下安装制冷装置的情况是这样的,但地面安装就没有此类问题。
冷却设备的性能 Ventsim 系统只考虑设备的制冷输出,该输出设备性能与模拟无关(尽管根据所要治理的环境温度不同制冷站会表现出不同的性能)。
对应工作温度设计制冷站输出功率也是Ventsim 系统研究范围以外的重要范畴。进行更深入的工程研究整体考虑经济有效性通风回路也是非常重要的。
另外,在选择制冷设备尺寸并考虑制冷设备的使用周期时,还应考虑污垢的积累和制冷设备的老化。