本發(fā)明屬于煤礦井下降溫技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置及方法。

背景技術(shù)：
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隨著我國采礦工業(yè)的發(fā)展，煤礦開采深度的不斷增加，高溫礦井?dāng)?shù)目也隨之增加，高溫?zé)岷栴}更加突出，深部礦井高溫?zé)岷栴}逐漸成為制約深部煤炭資源開采的重要因素，礦井降溫問題是我國礦山開采面臨的嚴(yán)峻問題，成為繼頂板、瓦斯、水、火、粉塵后的第六大礦井自然災(zāi)害。

傳統(tǒng)降溫技術(shù)包括非機(jī)械制冷降溫技術(shù)和機(jī)械制冷降溫技術(shù)兩大類。非機(jī)械制冷技術(shù)包括優(yōu)化礦井開拓布置、優(yōu)化通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)、增大風(fēng)量、受控循環(huán)風(fēng)、壓氣動(dòng)力、預(yù)冷煤層、全面填充法管理頂板、巖壁隔熱、熱水疏排管道隔熱、地層儲(chǔ)熱；機(jī)械制冷包括水冷卻系統(tǒng)、冰冷卻系統(tǒng)、熱-電-乙二醇低溫制冷降溫系統(tǒng)、礦井輕便空調(diào)室、冷卻服等。從國內(nèi)外應(yīng)用情況來看，高溫?zé)岷Ρ容^突出的礦井，采取機(jī)械制冷降溫方式的居多。機(jī)械制冷降溫技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)成為一項(xiàng)比較成熟的礦井降溫制冷技術(shù)，但是由于我國制冷設(shè)備仍依賴進(jìn)口，而進(jìn)口的制冷設(shè)備價(jià)格昂貴、功耗大等因素限制了礦井空調(diào)的推廣。而且進(jìn)口設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本非常高，造成一些煤礦企業(yè)引進(jìn)的制冷設(shè)備缺少零部件甚至處于閑置狀態(tài)。我國的礦井空調(diào)制冷降溫技術(shù)并沒有取得理想的效果。

利用液態(tài)CO₂作為制冷介質(zhì)，在取得較好降溫效果的同時(shí)，可以減少CO₂向大氣中的排放量，達(dá)到節(jié)能減排的社會(huì)效益和環(huán)境效益；CO₂熔點(diǎn)為-56.57℃，此時(shí)經(jīng)過汽化作用轉(zhuǎn)換為氣態(tài)后溫度達(dá)到20℃時(shí)放出冷量為411.94kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效的提高制冷效率，達(dá)到降溫的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置及方法，采用液態(tài)CO₂制冷進(jìn)行降溫，降低生產(chǎn)成本，保護(hù)環(huán)境，大幅提高生產(chǎn)效率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置，包括通風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒、液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐、液態(tài)CO₂輸送管、換熱器和氣態(tài)CO₂排放管；

所述的液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐設(shè)有出口，所述的換熱器設(shè)有液態(tài)CO₂輸入口和氣態(tài)CO₂排放口；

所述的通風(fēng)機(jī)通過風(fēng)筒與換熱器一端連接，所述的換熱器另一端通過風(fēng)筒與采掘工作面連通，所述的液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐通過液態(tài)CO₂輸送管與換熱器的液態(tài)CO₂輸入口連接，所述的換熱器的氣態(tài)CO₂排放口通過氣態(tài)CO₂排放管與采空區(qū)連通；

所述的液態(tài)CO₂輸送管上，由液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐出口向換熱器方向依次設(shè)有第一壓力表和第一閥門，所述的氣態(tài)CO₂排放管上，由氣態(tài)CO₂排放口向采空區(qū)的方向依次設(shè)有第二閥門和第二壓力表。

所述的換熱器包括冷卻盤管和殼體，所述的冷卻盤管設(shè)置在殼體內(nèi)，冷卻盤管一端通過液態(tài)CO₂輸入口與液態(tài)CO₂輸送管連接，冷卻盤管另一端通過氣態(tài)CO₂排放口與氣態(tài)CO₂排放管連接。

所述的冷卻盤管按照蛇形盤管的方式布置，管路外型是星型換熱肋片。

所述的第一閥門，用于控制液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐中液態(tài)CO₂的流量。

所述的第一壓力表，用于監(jiān)測(cè)液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐出口處液態(tài)CO₂的壓力值。

所述的第二閥門，用于控制液態(tài)CO₂輸送管內(nèi)壓力及氣態(tài)CO₂的排放。

所述的第二壓力表，用于監(jiān)測(cè)排出氣體CO₂的壓力值。

所述的高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置布置在巷道內(nèi)，其中，所述的通風(fēng)機(jī)安設(shè)在進(jìn)風(fēng)巷道，所述的風(fēng)筒和換熱器均通過掛鉤吊掛在巷道頂板，所述的液態(tài)CO₂輸送管鋪設(shè)在巷道壁。

所述的通風(fēng)機(jī)為局部通風(fēng)機(jī)。

所述的液態(tài)CO₂輸送管外層設(shè)有保溫層。

所述的液態(tài)CO₂輸送管由若干單元輸送管串聯(lián)而成，各單元輸送管之間通過法蘭盤連接，法蘭盤接口處安有墊圈。

所述的氣態(tài)CO₂排放管由若干單元排放管串聯(lián)而成，各單元排放管之間通過快速接頭連接。

所述的液態(tài)CO₂輸送管耐壓強(qiáng)度在5MP以上，耐溫下限不高于-57℃。

所述的通風(fēng)機(jī)用于為整個(gè)制冷降溫裝置提供通風(fēng)動(dòng)力，同時(shí)也為采掘工作面提供風(fēng)流。

所述的液態(tài)CO₂輸送管用于將液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐內(nèi)的液態(tài)CO₂輸送到換熱器的冷卻盤管。

所述的液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐用于儲(chǔ)存液態(tài)CO₂。

所述的液態(tài)CO₂用于作為整個(gè)制冷降溫裝置的制冷介質(zhì)。

所述的風(fēng)筒用于輸送由通風(fēng)機(jī)到換熱器之間的風(fēng)流以及從換熱器到采掘工作面之間的風(fēng)流。

所述的換熱器用于將液態(tài)CO₂轉(zhuǎn)換為氣態(tài)CO₂，同時(shí)液-氣兩相轉(zhuǎn)換過程中釋放的冷量用于冷卻由風(fēng)筒輸送到換熱器內(nèi)的風(fēng)流，達(dá)到降低風(fēng)流溫度的目的。

所述的氣態(tài)CO₂排放管用于將液態(tài)CO₂經(jīng)過換熱器后轉(zhuǎn)換為的氣態(tài)CO₂排放到采空區(qū)。

采用所述的高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置進(jìn)行降溫的方法，包括以下步驟：

步驟1：啟動(dòng)通風(fēng)機(jī)，風(fēng)流通過風(fēng)筒，經(jīng)換熱器輸送至采掘工作面；

步驟2：打開第一閥門，液態(tài)CO₂通過液態(tài)CO₂輸送管流動(dòng)到換熱器的冷卻盤管，同時(shí)，通過第一壓力表監(jiān)測(cè)液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐出口處壓力值，當(dāng)液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐出口處的壓力值低于0.52MPa時(shí)，更換液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐；

步驟3：流經(jīng)換熱器的風(fēng)流，與冷卻盤管的液態(tài)CO₂進(jìn)行換熱降溫，形成冷卻風(fēng)流，冷卻風(fēng)流通過風(fēng)筒輸送到采掘工作面，實(shí)現(xiàn)采掘工作面降溫；

步驟4：冷卻盤管內(nèi)的液態(tài)CO₂經(jīng)與風(fēng)流換熱后發(fā)生相變，由液態(tài)CO₂轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)CO₂，并經(jīng)氣態(tài)CO₂排放管輸送至采空區(qū)。

步驟2所述的液態(tài)CO₂，由于液態(tài)CO₂具有高壓力，第一閥門打開后，液態(tài)CO₂通過液態(tài)CO₂輸送管主動(dòng)流動(dòng)到換熱器的冷卻盤管。

本發(fā)明提供的一種高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫方法是利用液態(tài)CO₂轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO₂過程中釋放的冷能來降低流經(jīng)換熱器的風(fēng)流溫度，以此來降低采掘工作面的風(fēng)流溫度，為工作人員提供舒適的工作環(huán)境。

本發(fā)明的有益效果：

1、工業(yè)生產(chǎn)中CO₂尾氣排放量較大，通過壓縮提純后成為工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品。將其應(yīng)用于煤礦井下制冷降溫，可以減少CO₂向大氣中的排放量，緩解溫室效應(yīng)，具有良好的環(huán)境效益；

2、液態(tài)CO₂是工業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，成本較低，價(jià)格低廉，應(yīng)用于煤礦井下制冷降溫，可以大幅度縮減制冷降溫費(fèi)用，降低煤礦的生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益；

3、液態(tài)CO₂熔點(diǎn)為-56.57℃，此時(shí)經(jīng)過汽化作用轉(zhuǎn)換為氣態(tài)后溫度達(dá)到20℃時(shí)放出冷量為411.94kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高制冷效率；

4、本發(fā)明的制冷降溫技術(shù)，是針對(duì)煤礦高溫采掘工作面進(jìn)行局部降溫，目的是為工作人員提供舒適的工作環(huán)境，保障身體健康，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，相比于傳統(tǒng)的空調(diào)制冷設(shè)備對(duì)全風(fēng)流降溫所產(chǎn)生的巨額制冷費(fèi)用，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-局部通風(fēng)機(jī)；2-液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐；3-風(fēng)筒；4-第一壓力表；5-液態(tài)CO₂輸送管；6-第一閥門；7-換熱器；8-氣態(tài)CO₂排放管；9-冷卻盤管；10-殼體；11-第二壓力表；12-第二閥門。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置，包括局部通風(fēng)機(jī)1、風(fēng)筒3、液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2、液態(tài)CO₂輸送管5、換熱器7、氣態(tài)CO₂排放管8；

所述的液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2設(shè)有出口，所述的換熱器7設(shè)有液態(tài)CO₂輸入口和氣態(tài)CO₂排放口；

所述的局部通風(fēng)機(jī)1通過風(fēng)筒3與換熱器7一端連接，所述的換熱器7另一端通過風(fēng)筒3與采掘工作面連通，所述的液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2通過液態(tài)CO₂輸送管5與換熱器7的液態(tài)CO₂輸入口連接，所述的換熱器7的氣態(tài)CO₂排放口通過氣態(tài)CO₂排放管8與采空區(qū)連通；

所述的液態(tài)CO₂輸送管5上，由液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐出口向換熱器方向依次設(shè)有第一壓力表4和第一閥門6，所述的氣態(tài)CO₂排放管8上，由氣態(tài)CO₂排放口向采空區(qū)的方向依次設(shè)有第二閥門12和第二壓力表11。

所述的第一閥門6，用于控制液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2中液態(tài)CO₂的流量。

所述的第一壓力表4，用于監(jiān)測(cè)液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2出口處液態(tài)CO₂的壓力值。

所述的第二閥門12，用于控制液態(tài)CO₂輸送管5內(nèi)壓力及氣態(tài)CO₂的排放。

所述的第二壓力表11，用于監(jiān)測(cè)排出氣體CO₂的壓力值。

所述的換熱器7包括冷卻盤管9和殼體10，所述的冷卻盤管9設(shè)置在殼體10內(nèi)，冷卻盤管9一端通過液態(tài)CO₂輸入口與液態(tài)CO₂輸送管5連接，冷卻盤管9另一端通過氣態(tài)CO₂排放口與氣態(tài)CO₂排放管8連接。

所述的高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫裝置布置在巷道內(nèi)，其中，所述的局部通風(fēng)機(jī)1安設(shè)在進(jìn)風(fēng)巷道，所述的風(fēng)筒3和換熱器7均通過掛鉤吊掛在巷道頂板，所述的液態(tài)CO₂輸送管5鋪設(shè)在巷道壁。

所述的冷卻盤管9按照蛇形盤管的方式布置，管路外型是星型換熱肋片。

所述的液態(tài)CO₂輸送管5外層設(shè)有保溫層。

所述的液態(tài)CO₂輸送管5由若干單元輸送管串聯(lián)而成，各單元輸送管之間通過法蘭盤連接，法蘭盤接口處安有墊圈。

所述的氣態(tài)CO₂排放管8由若干單元排放管串聯(lián)而成，各單元排放管之間通過快速接頭連接。

所述的液態(tài)CO₂輸送管5耐壓強(qiáng)度在5MP以上，耐溫下限不高于-57℃。

所述的局部通風(fēng)機(jī)1用于為整個(gè)制冷降溫裝置提供通風(fēng)動(dòng)力，同時(shí)也為采掘工作面提供新鮮風(fēng)流。

所述的液態(tài)CO₂輸送管5用于將液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2內(nèi)的液態(tài)CO₂輸送到換熱器7的冷卻盤管9。

所述的液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2用于儲(chǔ)存液態(tài)CO₂。

所述的液態(tài)CO₂用于作為整個(gè)制冷降溫裝置的制冷介質(zhì)。

所述的風(fēng)筒3用于輸送由局部通風(fēng)機(jī)1到換熱器7之間的風(fēng)流以及從換熱器7到采掘工作面之間的風(fēng)流。

所述的換熱器7用于將液態(tài)CO₂轉(zhuǎn)換為氣態(tài)CO₂，同時(shí)液-氣兩相轉(zhuǎn)換過程中釋放的冷量用于冷卻由風(fēng)筒3輸送到換熱器7內(nèi)的風(fēng)流，達(dá)到降低風(fēng)流溫度的目的。

所述的氣態(tài)CO₂排放管8用于將液態(tài)CO₂經(jīng)過換熱器7后轉(zhuǎn)換為的氣態(tài)CO₂排放到采空區(qū)。

本實(shí)施例的高溫采掘工作面液態(tài)CO₂相變制冷降溫方法，包括以下步驟：

步驟1：啟動(dòng)局部通風(fēng)機(jī)1，風(fēng)流通過風(fēng)筒3，經(jīng)換熱器7輸送至采掘工作面；

步驟2：打開第一閥門6，液態(tài)CO₂由于具有高壓力，因此通過液態(tài)CO₂輸送管5主動(dòng)流動(dòng)到換熱器7的冷卻盤管9，同時(shí)，通過第一壓力表4監(jiān)測(cè)液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2出口處壓力值，當(dāng)液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2出口處的壓力值低于0.52MPa時(shí)，更換液態(tài)CO₂儲(chǔ)存罐2；

步驟3：流經(jīng)換熱器7的風(fēng)流，與冷卻盤管9的液態(tài)CO₂進(jìn)行換熱降溫，形成冷卻風(fēng)流，冷卻風(fēng)流通過風(fēng)筒3輸送到采掘工作面，實(shí)現(xiàn)采掘工作面降溫；

步驟4：冷卻盤管9內(nèi)的液態(tài)CO₂經(jīng)與風(fēng)流換熱后發(fā)生相變，由液態(tài)CO₂轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)CO₂，并經(jīng)氣態(tài)CO₂排放管8輸送至采空區(qū)。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。