一、设计依据
1．《煤矿安全规程》
2．《煤矿井下热害防治设计规范》（GB50418-2007）
3．《煤炭工业矿井设计规范》（GB504215）
4．《爆炸性环境用防爆电气设备》（GB3836）
5．《制冷和供热用机械冷却系统安全要求》（GB9237）
6．《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019
7．《工业循环冷却水处理设计规范》GB50050
8．《建筑给水排水设计规范》GB50015
二、矿用制冷装置的特点
1、 矿用防爆制冷装置是以矿井内地下涌水为冷却水的水源，通过换热来冷却制冷工质，制冷工质通过相态变化，来达到矿井下局部工作面制冷的目
的。地下涌水多余的热量通过回风机带到井外。
2、 矿用防爆制冷装置和空气冷却器用金属软管柔性连接，具有体积小、重
量轻占地面积小，坚固不易损坏，有利于井下移动和安装。
3、矿用防爆制冷装置可在地面调试好后下井，减少设备井下调试的困难。
4、 矿用防爆制冷装置有完备的安全保护装置，有利于设备的安全运行。
5、矿用防爆制冷装置设有能量调节装置，可以无负荷启动，在运转过程中根据热负荷大小，调节制冷量，有利于节能。
6、矿用防爆制冷装置的空气冷却器采用特殊铜盘管结构，换热强度大，具
有便捷清洗装置，有利于防止表面灰尘积聚提高换热效率。
7、矿用防爆制冷装置主要用来为矿井下局部工作地段降温，能够适应高温
涌水的环境。
8、矿用防爆制冷装置所选用部件（如配电箱、压力控制器等）均采
用矿用隔爆型，并且整机具有防爆合格证和煤矿安标证。
9、矿用防爆制冷装置在结构上设计一根泄氟管，当系统内出现异常高压
时，能够将氟利昂排泄到回风机侧或冷却水中，防止造成矿井内人员窒息。
10、矿用防爆制冷装置适合向单个采掘工作面供冷，具有冷损小，系统简
单，维护方便，制冷系统可靠性高的优点。
三、矿用制冷装置主要组成及工作原理
矿用防爆制冷装置由煤矿井下用隔爆型三相异步电动机、开启式制冷压缩机、冷凝器、降膜式蒸发器、油分离器、矿用隔爆兼本安型可编程控制箱、矿用隔爆型温度传感器、矿用隔爆型阀用湿式直流电磁铁、矿用隔爆型压力变送器、外平衡式热力膨胀阀及连接管路等辅助配件组成。
1、 装配图
图1 ZLS- 装配图（正视图）
图2 ZLS- 装配图（左视图）
2、矿用制冷装置工作原理
矿用制冷装置在井下进行制冷降温工作时，开启式螺杆制冷压缩机将模式蒸发器内的低温低压制冷剂气体吸入汽缸，通过开启式螺杆制冷压缩机的压缩做功，使之成为高温高压的气体，高温高压的制冷剂气体进入冷凝器，在那里同冷却水进行热交换，制冷剂的冷凝热量由冷却水带走，高温高压的制冷剂气体经过冷却水冷凝变成高压中温的制冷剂液体，再经过外平衡式热力膨胀阀的节流降压，变成低温低压的制冷剂液体，进入将模式蒸发器，低温低压的制冷剂液体在降膜式蒸发器内蒸发变成低温低压的气体，在这一相变过程中，制冷剂要从降膜式蒸发器里吸收大量的热量，致使供水的温度降低，达到制冷降温的目的。从降膜式蒸发器中出来的低温低压制冷剂蒸汽再次被压缩机排入油分离器，在油分离器内将制冷剂气体和油分离后，制冷剂蒸汽进入冷凝器。如此周而复始，在降膜式蒸发器侧就会源源不断地产生冷量。降膜式蒸发器与空气冷却器相连接，与矿井进风进行热交换，从风中吸取热量，冷却进风，温度升高以后再循环回降膜式蒸发器，进入下一个循环。
四、制冷降温系统方案设计
《煤矿安全规程》第一百零二条规定：“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℃；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30℃、机电设备硐室的空气温度超过34℃时，必须停止作业。”“对于新建改扩建矿井设计时，必须进行矿井风温预测计算，超过地点必须有制冷降温设计配齐降温设施”。
本设计按照《煤炭安全规程》规定的26℃为标准进行冷负荷计算。
井下热源主要有以下几部分：
1、风流压缩热
本矿井开采深度大，大部分为下山开采，垂高大，风流在井巷中自然压缩，其压缩热使风流升温较大。
2、围岩矿井水散热
本矿为深井高地温，由于新生界松散层较厚，开采深度大，其井下地温高，围岩散热成为影响矿井井下风流温度的主要热源。
3、机电设备散热影响
该矿开采强度大，井下采、掘、运等生产环节机械化程度高，设备功率大，机电设备散热成为该矿井的又一主要热源。
4、其他散热影响
其他散热包括人体散热、沟管散热、爆破热等。
5、采掘工作面冷负荷计算
1）空气侧的冷负荷
根据矿方提供需要制冷量350KW计算
2）按设计规范要求富裕系数取1.1，每个工作面需冷量为385KW。
根据用户提供的设计原始资料和用户的具体要求，本降温系统采用局部式降温系统，将制冷机组安装在采掘工作面附近。
3）机组设计参数
序号 | 项 目 | 性 能 参 数 |
1 | 名义制冷量 | 400 kW |
2 | 制冷工况 | 蒸发温度t0 | 2℃ |
3 | 冷凝温度tk | 45℃ |
4 | 制冷剂 | R22 |
5 | 冷凝器进回水温度 | 30/40℃ |
6 | 冷凝器水流量 | 40m³/h |
7 | 蒸发器进回水温度 | 4/19℃ |
8 | 蒸发器水流量 | 23m³/h |
9 | 电机功率 | 110KW |
10 | 外形尺寸 | 3500×1400×1700mm |
11 | 重量 |
|
该系统降温时产生的冷凝热排放一般有三种方式：
其一是利用矿井水排热，在矿井水温低于冷凝温度7~8℃以上时，矿井水可以用来给冷凝器排热。
其二是利用矿井回风进行排热，首先是利用水冷却器、冷却塔、喷淋器在回风巷中冷却水，回风被加温加湿，再利用冷却过的水去排除冷凝器的冷凝热。
其三是在地面排热，通过管路将冷凝热排至地面散热装置。该设计采用第一种方式进行排热，每台机组需要冷却水量为40m³/h以上，并保证连续供水。
制冷机组产生的冷冻水用输冷管道将输送到安装在工作面的空冷器中，由局扇排出的空气先经空冷器降温后，再送到工作面，实现工作面降温。
系统流程布置图如下：
五、冷冻水系统设计
1、冷冻水管的补偿方式
由于井下输冷管道内输送的为低温冷冻水，在管道运行时，存在热胀冷缩现象，故设计时需考虑管道补偿问题，建议采用套管补偿器。
2、冷冻水管的隔热保冷结构
冷冻水管管材选用无缝钢管。保温材料选用聚氨酯隔热材料，保温厚度30mm，保护层采用玻璃钢或双抗PVC，厚度3mm。管件（如阀门、弯头、变径、咔箍等）均采用现场发泡外绕玻璃钢保护。
中间层采用聚氨酯发泡保温材料，其导热系数小，吸水率低，抗渗性、化学稳定性好。由于是预制成品管，井下施工方便，冷损较小。
3．井下供冷系统的冷损
井下输冷系统的冷损主要由输冷管路吸热、冷冻水循环泵吸热及冷水漏损等组成。本系统输冷系统的冷损已折算入总装机容量，不再另外考虑。
4、冷冻水系统补水装置选择
根据相关规范要求，系统补水量应为5％～10％冷冻水系统循环量，取5m3/h，损失的水主要用于空冷器自身的清洗、喷淋防尘，可以采用井下防尘水予以补充。
5、水处理系统
为使制冷机的工作保持在一个较好的工况，对所提供的水质必须是符合制冷机组的要求。
冷却水和冷冻水取自井下生产用消防喷淋水的给水管网。根据《煤矿井下热害防治设计规范》规定，载冷剂用的水质要求如下表所列。
水质要求表
项目 | 单位 | 含量 |
pH值 |
| 6.5～8.5 |
混浊度 | mg/L | ≤50 |
全硬度（以CaCO3计） | mg/L | ≤150 |
铁离子 | mg/L | <0.3 |
悬浮物 | mg/L | <10 |
6、井下降温系统末端设备
井下降温系统末端设备主要由空冷器、风机、过滤器、仪表、阀门、配电、控制设备等组成。
1）空冷器的布置形式
将掘进工作面空冷器布置在距各掘进工作面迎头不大于50m处，经空冷器降温后的风由风筒接至掘进面迎头。空冷器水管与冷媒水主干管采用金属软管连接。
掘进工作面空冷器采用可移动式，进出风口采用法兰式连接，以便与风筒连接。
如现场条件不具备，可增大安装距离，但此时应将冷风通过风筒送至工作面附近，以降低冷损，保证制冷效果。
2）空冷器的选型及布置
空冷器是实现制冷系统对工作面风流进行除湿降温处理的关键设备，它应满足以下要求：
（1）结构紧凑、尺寸小；
（2）便于清扫、以适应井下多尘的空气环境；
（3）有足够的降温、降湿能力，并能适应较大范围内的冷量变化；
（4）重量轻，便于拆卸和运输；
（5）通风阻力小，—般不宜超过1200Pa；
（6）符合矿山相关安全规程的各项要求和规定。
根据井下制冷系统布置的要求，选用空冷器，其主要技术参数见下表。
空冷器主要技术参数表
制冷负荷 | 400kW |
冷冻水进水温度 | 4℃ |
冷冻水出水温度 | 19℃ |
额定水流量 | 27m3/h |
空气流量 | ≥350 m3/min |
进口空气温度 | 31℃ |
出口空气温度 | 21℃ |
3）空冷器清洗要求
由于井下风流含尘量较大，需经常对空冷器等设备进行清洗，除去换热管束表面的粉尘和油污，以保持设备的换热效率。空冷器等设备清洗采用冷冻循环水。水需要从冷冻水管路取用。由现场操作人员根据实际使用情况定期进行清洗。
六、制冷降温设备布置
1、 制冷机组
根据工程所需，局部制冷降温系统的制冷机组安装（不包括电气设备）占地约为长15m，宽4.2m，高3.5m，设在主井附近的联络巷中。
主要设备：制冷机组，冷冻水循环泵，冷却水循环泵，和冷冻水循环水箱。
2、空冷器
空冷器一般安装在降温工作面前50m-100m处。掘进工作面降温空冷器可与原局部送风筒尾部相接。空冷器单元设计成组合式，根据所用输冷量大小自由组合。
七、降温控制系统
本制冷降温系统的控制采用PLC智能控制装置，它集先进的进口可编程控制和防爆技术于一体，对制冷机机组的电机、控制阀、传感器等实施自动控制。
控制方式是：通过系统的温度、压力传感器及温度开关所发出的信号经PLC进行智能处理，对制冷系统的主电机、控制阀实施自动控制，实现制冷机组在各种工况的自动运行，特别是能根据蒸发器的出水温度，控制制冷压缩机容量及压缩比调节阀的工作状态，使制冷机组能从25%~100%制冷量自动调节，实现机组的轻载启动和节能运行作用。
