吸附式制冷技术在矿用救生舱中应用可行性分析

1目录一、前言.................................................................................………………2二、研究意义...................................................................................................3三、吸附式制冷技术..............................................................……………….43.1吸附式制冷原理.................................................................................63.2其他制冷技术应用在救生舱中存在问题.........................................63.2.1利用二氧化碳制冷系统..................................................................73.2.2利用空调机制冰（即蓄冷技术）降低舱内温度..........................7四、吸附制冷在救生舱中应用系统...........................................................74.1吸附制冷连续循环.............................................................................74.2吸附制冷在救生舱制冷量计算.........................................................94.2.1降温系统基本参数........................................................................94.2.2总发热量计算................................................................................94.2.3洗涤空气释放的热量......................................................................94.2.4总发热量............................................……………………………..104.2.5总制冷量计算..................................................................................104.2.6其他制冷因素..................................................................................114.2.7二氧化碳在制冷系统中的用量......................................................11五、结论...........................................................................................................12六、参考文献...................................................................................................13七、附图...........................................................................................................142吸附式制冷技术在矿用救生舱中的设计摘要：多数矿难表明，矿井事故发生后形成的高温，有毒有害气体环境是造成矿工伤亡的主要原因。为井下矿工提供安全可靠的救生舱、避难硐室是降低伤亡的主要手段，是目前国际矿山应急救援的发展趋势和方向，煤矿井下移动式救生舱的设计可以为外部救援争取救援时间，保障矿工朋友们的安全。矿用救生舱是发生矿难救援不可缺少的装备，而救生舱中空调系统是矿用救生舱生命保障系统的关键系统之一。本文介绍了救生舱负荷来源及计算，采用吸附式制冷技术，并通过与其他制冷技术比较得出吸附制冷技术的优点，并从理论上全面分析了吸附式制冷技术与其他制冷技术应用于矿用救生舱中的优点和不足，通过对比比较，表明固体吸附式制冷技术在理论上应用于矿用救生舱中有着明显优势，并对其应用在救生舱中原理加以说明；并指出固体吸附式制冷技术实际中应用于矿用救生舱有可能遇到的问题。本文通过对救生舱的研究，完成了一整套救生设备的结构设计，首先主要介绍国家的相关规定。接着依据国家规定，确定设计目标。之后计算出救生舱的容量要求，进而确定的救生舱的整体结构。除此之外，本文还通过了一些技术参数验证，对井下救生舱内部环境做了更好的安全措施，确保矿工能够有足够的时间等待救援。本文还介绍了有关救生舱的维护及保养内容。在最后说明了以后需要改进的方向。关键词固体吸附式制冷矿用救生舱连续制冷循环一、前言矿用救生舱也叫“井下避难所”，其功能为在井下发生突出、火灾、瓦斯煤尘爆炸、水害等灾变事故后，在逃生路径被阻或逃生不能的情况下，为无法及时撤退的人员提供一个安全的密闭空间，其舱体结构可以承受0.3mpa的瞬间爆炸压力，对外能够抵御高温烟气，隔绝有毒有害气体；对内能为遇险人员提供氧气、食物、水、去除有毒有害气体，创造生存基本条件；并通过通讯、环境监测设备为应急救援创造条件、赢得时间。救生舱是矿井中不可或缺的救援装备，救生舱在国外有多次成功救援的实例。加拿大、美国、澳大利亚、南非等国家的矿山安全法规和标准对推广、使用矿用救生舱有着硬性的规定。从2007起，国内有多家机构开始着手研究和使用矿井救生舱，但均处于起步阶段。矿用救生舱应包括应急救援密闭舱、舱内生命保障系统、通讯系统三大部分。降温设备系统是矿用救生舱生命保障系统的关键系统之一，其功能定位为在外界断电情况下，为进入救生舱内的逃生人员提供临时的温度生存环境。目3前已经用在国内外救生舱降温方式主要有：蓄冷型降温，干冰或氟利昂直接相变降温等。其他可能应用于救生舱降温系统的新型的降温方式还有涡流管降温，人力压缩降温，以及采用空调服降温等。固体吸附式制冷技术具有其他传统制冷技术没有的优点，但目前该技术尚未在救生舱中应用，故本文对其在救生舱中能否适用进行阐述。二、研究意义我国作为能源消费大国，煤炭在我国能源生产的大格局中占有绝对的比重，达到近70%。我国的煤炭产量虽然只占世界煤炭产量的1/3，但煤矿矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的4/5。世界每发生20起导致死亡人数最多的煤矿灾难中，就有8起发生在中国，频繁的矿难不仅造成了许多家庭的破裂，同时也严重影响了中国的国际形象。《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》（国发【2010】23号）明确要求“煤矿和非煤矿山要制定和实施生产技术装备校准，安装监测监控系统、井下人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备，并于3年之内完成”，即监测监控系统，实现对煤矿井下CO浓度、瓦斯、风速、温度的动态监测；人员定位系统，掌握各个区域的作业人员分布情况；压风自救系统，确保发生灾害时现场工作人员有充分的氧气供应；避难硐室、可移动式救生舱等紧急避险系统，实现井下灾害突发时的安全避险；通信联络系统，实现矿井井上下和各个作业地点通信畅通；供水施救系统，在灾害突发后为井下作业人员提供清洁水源或必要的营养液。其中监测监控、人员定位、压风自救、供水施救和通讯联络在煤矿日常建设中已经基本完善，只有紧急避险系统没有完善的理论及实践研究，事故发生的瞬间，因坍塌、爆炸、冲击波等伤害而遇难的人员，仅占事故伤亡总人数的10%左右；而90%的煤矿工作人员遇难。是由于事故发生后附近区域氧气耗尽，同时含有高浓度的有毒有害气体，而逃生路线被阻断，无法及时撤离到安全区域所造成的，因此，建设一个使现场人员能够及时避开危险的安全场所，是减少人员伤亡的最可靠的措施。为进一步提高煤矿安全防护和应急救援水平，保障矿工生命安全，促使煤矿安全生产，借鉴美国、澳大利亚、南非等国家成功经验和做法，国家把建设煤矿井下避难所（就生硐室）应用试点已列入2010年煤矿安全改造项目的重点支持方向。煤矿井下紧急避险系统是在井下发生紧急情况时，为遇险人员安全避险提供生命生命保障的设施、设备、措施组成的有机整体，紧急避险系统建设包括为井下人员提供自救器建设井下紧急避险设施，合理设置避灾路线，科学制定4应急预案及进行自救培训等，紧急避险系统是煤矿井下安全避险六大系统的核心部分。2010年5月19日，国家安监总局在山西潞安矿业集团常村煤矿召开全国井下救生舱等避险设施建设现场会，该矿当时已建成1个永久避难硐室和2个救生舱，据常村煤矿估算，采用永久避难硐室+救生舱模式，全矿井约需费用一亿元。紧急避险系统能够在保障矿工生命中发挥重要作用。美国矿山安全健康监察局（MSHA）分析1900～2006年的煤矿井下事故，发现264名矿工在事故发生后依然幸存，但最终只逃生和等待救援中丧生。针对类似情况下的矿工安全，MSHA认为，通过实施新的标准可挽救其中43名矿工的生命，余下的221名可通过建立紧急避险系统为其提供生命保障，MSHA估计，如果使用救生舱等避险设施，可使井下发生事故后矿工生命挽救率提高25%～75%。有关专家对国外36起典型事故进行分析，发现发生在工作面区域的人员死亡大部分发生在逃生途中；火灾和窒息事故的人员死亡主要发生在人员逃生或逃生受阻的过程中。因此，建立井下紧急避险系统对提高遇险人员的生存概率十分重要。三、吸附式制冷技术吸附式制冷作为能有效利用太阳能和工业废热等低品位能源，而又没有环境破坏性的新型制冷技术越来越多地受到重视。近年来，国内外众多学者从吸附剂制冷剂工质对的性能、吸附式制冷循环的特性、吸附床的传热传质等诸多方面，在所建立的一些样机上对吸附式制冷系统的性能作了大量的研究工作。但目前对一些新型循环的可实现性和系统性能及其稳定性的提高方面还需要作大量的研究，以促进吸附式制冷技术走向实际应用市场。吸附式制冷采用无氟里昂的制冷剂，是一种具有环境友好性的制冷技术。吸附式制冷系统可以直接由太阳能、工业废热等低品位能源驱动，是节能、开发利用太阳能等新能源的有效工具。该系统具有结构简单、无运动部件、无噪声、抗振性好、使用寿命长等优点，在船舶制冷、汽车空调、宇航制冷中有广泛的应用前景。吸附式制冷研究的发展可以从研究内容、研究目标和研究手段等方面的变化来概括。早期对吸附式制冷技术的研究主要是从吸附剂-制冷剂的性能着手的，研究的目标在于吸附式制冷应用的可实现性，大多以基本循环吸附式制冷系统为对象，主要采用实验研究的方法。这些研究工作使吸附式制冷的基本理论得到初步完善和发展，筛选出一些性能较好的吸附剂-制冷剂性工质对【吸附剂如活性炭、沸石分子筛、硅胶和氯化钙、氢化物，制冷剂主要以甲醇（乙醇）、氨、水、氢（对应氢化物）为代表】。太阳能吸附式冰箱和太阳能吸附式制冰机的开发和应用肯定了这些研究的成功。同时，开发和应用过程中发现，基于基本循环的吸5附式制冷系统存在着制冷过程不连续、效率低、功率小、周期长等一些问题，需要从工质对性能、系统内部,尤其是吸附床的传热传质特性等方面进行改进。因此，其后的研究工作主要围绕这些问题的解决而展开。进而一些先进的可连续制冷的循环（如连续回热型循环、热波循环、对流热波循环和复叠式循环）被提出和分析，一些吸附式制冷性能更好