热泵用于可移动式救生舱环境模拟室的实验研究

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

热泵用于可移动式救生舱环境模拟室的实验研究

卫文慧

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

矿井可移动式救生舱是为在矿井灾难发生现场不能及时撤离的矿工提供临时性避难场所的系统。在可移动式救生舱的研制和实验中，保证实验的准确性是把好救生舱质量关的关键。本文设计了一套用于救生舱环境模拟实验的系统，采用热泵作为加热系统，其控制温度较精确，升温及降温速率可控。实验研究表明，在该系统中，模拟舱上下部最大温差小于1℃，平均温度与目标温度的最大温差小于0.5℃。

热泵；可移动式；救生舱环境模拟室；实验

1 引言

我国煤矿的90%是井下开采，地下作业是它的基本特点，较之地面作业它有许多不安全的自然因素：水、火、瓦斯、矿尘、冒顶等时时刻刻都在威胁着矿工的生命安全。

井下救生舱也叫“井下避难所”，这种避险装置的特点是在提供紧急避险空间的时候，可通过牵引、吊装等方式实现移动，以适应采掘工作的要求。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，在逃生路径被阻和逃生不能的情况下，为无法及时撤退的人员提供一个安全的密闭空间。

根据世界各国对矿井事故的调查，在火灾、爆炸等事故发生现场瞬间受到伤害死亡的矿工只占事故伤亡人数的一部分，有相当一部分矿工都是因为在矿井透水或火灾、爆炸后不能及时升井或逃离高温、有毒有害气体现场，导致溺水、窒息或中毒死亡的。因此，各国都在大力建设矿井避难硐室和研制矿用救生舱，以便为矿井发生事故后无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间。

2010年以来，我国的煤矿可移动式救生舱的研究和加工进入了一个高峰期，所有救生舱在投入生产并正式进入市场之前，都要经过严格的环境模拟实验，根据《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件（报批稿）》和《矿用可移动式救生舱产品安全标志管理研讨会纪要》的规定，救生舱的综合防护实验是在一个温度可控的恒温室中进行的，整个环境温度控制时间不得低于106小时。该恒温室的温度分别控制在初期的55摄氏度和后期的30摄氏度，55摄氏度的温度持续时间因各个厂家的设计不同而不同，在整个实验的剩余阶段，恒温室内的温度必须保持在30摄氏度。

目前，大多数厂家在维持恒温的过程中都采用了加热管加热、风机送风的方式，这种方式简单、易操作，但温度不易控制，且实验过程中耗电量巨大。

2 热泵技术简介

热泵已经是一种非常成熟的技术，生产成本可以严格控制，广泛应用于家庭及办公环境，其工作原理是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器（作冷凝器用），制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器（作蒸发器用），吸收外界热量而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气（或循环水）中的热量“泵”入温度较高的室内，故称为“热泵”。

在热泵循环中，从低温热源（室外空气）中取得Q0的热量，消耗了机械功AL，而向高温热源（室内加热系统）供应了Q1的热量，这些热量之间的关系是符合热力学第一定律的，即Q1=Q0+AL。

如果不用热泵装置，而用机械功所转变成的热量（或用电能直接加热高温热源，则所得的热量为AL，而用热泵装置后，高温热源（加热系统）多获得了热量：Q1-AL=Q0，因此，其节能效果显而易见。将热泵技术应用于救生舱环境模拟舱的加热过程中，将有效降低耗电量，并达到较准确的温度控制精度，能够较好地实现环境模拟室内的温度均匀分布。

3 实验装置介绍

热泵加热系统试验装置如图1所示，系统主要由环境模拟室、涡旋压缩机、翅片管式冷凝器、翅片管式蒸发器和电控箱组成，工质为R134a制冷剂。环境模拟室体积为18m×3m×3.5m。墙体是由内嵌100mm厚的岩棉彩钢板搭建而成，在冷凝器的前端安装有功率为1kW的轴流风机2台，总风量为17000m3/h。室外蒸发器为顶出风结构，蒸发器侧风机风量为8000 m3/h，功率为0.4kW。

数据采集系统采用日本横河YOKOGAWA的MX100，MX100是一款基于PC的数据采集系统，外部连接30通道输入模块，具有高速、高耐压的测量性能。

3.1 温度测量

热泵系统中采用4个三线制PT100的温度计用于测量压缩机吸排气管壁的温度。这些温度计经过准确标定，测量范围为（-50～600）℃，精度为A级：±（0.12+0.002 |t|）℃。

图1 实验系统图

3.2 风速测量

模拟舱内循环风机风速的测量采用德国testo405-V1热线风速仪，量程为（0～10） m/s和（0～99990）m3/h，精度为±（0.1 m/s+5%测量值）（0～2 m/s），±（0.3 m/s+5%测量值）（其余量程）。

3.3 功率测量

图3 高温阶段环境模拟室内温度的变化

图4 环境模拟室内温度的下降情况

图5 正常实验阶段环境模拟室内温度分布

压缩机运行过程中的功率采用东莞华仪仪表科技有限公司生产的三相三线数字钳形功率表进行测量，型号为MS2203，主要技术参数如下：视在功率（kVA）：4/10/40/100/600 kW±3.0%；功率因素：0.3～1（容性或感性）±0.02%。

4 实验结果

4.1 实验方法

实验中室内温度的控制通过压缩机的启停进行控制，当模拟室内实际温度大于要求的目标温度时，压缩机停止运行；当模拟室内实际温度小于要求的目标温度时，压缩机开始运行。压缩机启停的温度回差值为±1摄氏度。

4.2 结果分析

1）环境模拟室内温度的上升速度

在综合防护实验中，当温度升高至55摄氏度后，才能进入正式的实验阶段，因此，环境模拟室的升温速度将大大影响到实验的准备时间。如图2所示为系统开启后，环境模拟室内温度上升曲线。从图中可以看出，在开始阶段，环境模拟室内的温度与当时的环境温度相同，为26℃，随着加热过程的进行，环境模拟室内温度迅速上升，加热进行0.5小时后，温度达到目标温度55℃，并在此温度附近浮动，上下浮动在±1℃范围内。

2）环境模拟室内温度在高温段的稳定性

当环境模拟室内温度达到55℃后，即进入正式的实验阶段，在该过程中，如果模拟室内温度与目标温度相差过大，将会影响实验的准确性和权威性，因此，模拟室内温度的稳定性是一个重要的考核指标。如图3所示，实验中救生舱的设计高温加热时间为4小时，当加热0.5小时后温度达到55℃，在之后的4小时内，环境模拟室内的温度保持在55℃左右，上下偏差不超过±1℃，模拟室内温度稳定性良好，满足加热要求。在该过程中，外界环境温度维持在26℃左右。

3）环境模拟室内温度的下降速度

做完高温阶段实验后，环境模拟室内温度应迅速降低至30℃，并要求保持在该温度。在实验中，经过4小时的加温后，自动调整热泵加热的目标温度为30℃，并开启进风阀和排风阀，使温度迅速降低。如图4所示是环境模拟室内温度从55℃降低至30℃的过程，从图中可以看出，经过0.25小时，即15分钟后，环境模拟室内温度降低至30℃，此时关闭风阀，并由热泵机组通过启停压缩机自动控制温度。

4）环境模拟室上下温度分布的均匀性和精确性

图5是每隔1h所记录的模拟舱上下温度分布。实验中救生舱的设计低温加热时间为116小时，从图中可以看出，上下最大温差小于1℃，说明模拟舱内温度分布比较均匀。上下部温度与目标温度相比，最大温差在0.5℃以内，说明加热过程中温控的精确性较高。

结语

本文利用现有热泵技术，为煤矿可移动式救生舱搭建了一套环境模拟系统。并根据《煤矿可移动式硬体救生舱通用技术条件（报批稿）》及实验救生舱的设计要求，进行了加热、降温及维持稳定温度的实验，得到了以下几点结论：

（1）在热泵加热系统中，环境模拟舱温度上升迅速，半小时之内即可达到高温要求；

（2）在温度维持阶段，热泵系统控温较精确，模拟舱内平均温度与目标温度相差小于0.5℃；

（3）通过热泵系统的加热和导流作用，模拟舱外温度分布较均匀，上下部温度较接近，最大温差不超过1℃，有效地实现了对可移动式救生舱的均匀加热，提高救生舱综合防护试验的准确性和效率。

[1]郭金童，汪波.基于BPR的煤矿灾害救治系统研究[J].管理评论，2006，10（18）：54-58.

[2]孙继平.煤矿安全生产理念研究[J].煤炭学报，2011，36（02），313-316.

[3]Department of Labor.Federal Register，Mine Safety and Health Administration，2008，Refuge Alternatives for Underground Coal Mines；Final Rule.251.

[4]孙继平.煤矿井下紧急避险关键技术[J].煤炭学报，2011，36（11）：1890-1894.

[5]郑贤德.制冷原理与装置[M]，北京：机械工业出版社，2003.

TD67 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A