2 开式空调系统设计'> 浅析CO 2 开式空调系统设计

1.引言

救生舱是煤矿紧急避险系统的核心。其主要作用是在井下发生事故后，为被困矿工提供安全的密闭空间，保障其不受外界缺氧、有毒有害气体、高温烟气等灾变环境的伤害，等待救援[1-3]。

由于舱外热量和舱内被困人员自身代谢会不断产生热量，从而导致救生舱内温度和湿度不断升高。由于救生舱为隔热的密闭空间，必须对救生舱空间进行降温和除湿，目前国家标准对救生舱内温度和湿度的要求为温度不大于35 ℃、湿度不大于85%[4-6]。

矿井救生舱空调技术目前有以下几种：蓄冰制冷、电动防暴空调制冷和高压气体膨胀制冷。蓄冰制冷需要外部电源供电，平时维护费用高，且一旦发生矿难必须切断电源。电动防暴空调制冷必须配备大容量电池或外接大功率电源，在煤矿中容易引起瓦斯爆炸。高压气体膨胀制冷具有无电源、维护量小、维护费用低等优点，且制冷剂宜采用co2，不宜采用液氨和氟利昂[6]。

然而现有的救生舱CO2空调降温除湿空气过滤的装置，都面临不用充分利用CO2工质物理性能和能量，即人均单位时间CO2消耗量大时，根据资料最好的是0.88Kg/人时[7,8]；CO2的单位质量制冷量利用没有达到CO2工质最佳工况；空气净化效率与空调制冷过程热交换的效率不高、互相干扰。所以浪费制冷工质、空气净化效率低导致增加空气净化的投资（例如增加空气净化帘幕设施等）、限制它在矿难时发挥救生功能与作用。研究新技术，设计、开发救生舱内

空调、降温、除湿、空气净化的系统工程装置，强化、提高系统CO2空调系统换热性能，成为主要研究方向。

本文针对所设计的矿井救生舱CO2开式空调，对其换热过程进行热力学分析及换热设计，提出采用毛细管单级节流换热设计方案，以提高换热的效率。过CO、CO2的吸收剂和换热器，实现对避难所空间气体中CO、CO2浓度控制及温度、湿度的调节。

矿井救生舱CO2开式空调系统原理图如图1所示，制冷剂流路侧为常温液态CO2通过降压后变成低温两相CO2，进入换热器蒸发吸热。从换热器出口的过热CO2气体仍然具备一定的压力，将其导入气动马达，为换热器风扇提供动力。气动马达出口的CO2气体直接排到救生舱体外部，起到隔离瓦斯的作用。空气流路侧由气动马达带动风扇强制换热，在风扇的负压带动下，经过CO、CO2吸收剂后进入换热器换热，换热器出口的冷风直接吹向舱体制冷。

变。换热器利用虹吸管抽取瓶底的液态CO2进行换热计算，则理论计算给定的CO2初始参数为所在环境温度下的饱和液态CO2。换热器出口为过热CO2气体，根据气动马达运行压力为0.6Mpa左右，设定换热器出口参数温度为15℃、压力为0.6Mpa，对应的焓值为491.8 kJ/kg。换热可吸收的热量为制冷剂进出口的焓差，不同环境温度对应的焓差如图2所示。

从图2可知，初始环境温度越高，单位质量制冷剂可吸收的热量越少。如假定初始环境温度为25℃，CO2理论上的焓差为217.2kJ/kg。由于高压CO2具有对外做功能力，而换热器最终需要利用的是冷量，根据是否利用CO2对外做功，本文采用换热器有节流换热设计方式。

3.2节流换热

由于CO2节流过程为等焓降温过程，节流前后的焓值不变，利用节流可将CO2温度降低到所需温度进行换热，一般将换热过程视为定压过程。换热器采用毛细管节流降压降温，假定初始环境温度为25℃，根据CO2热力性质，进行一段毛细管节流，其节流过程如图3所示。从图3的节流过程设计可知，整个换热阶段吸热量为217.2kJ/kg，换热经过一次节流降压。经过节流后，CO2出口一次节流后从液体变为气体状态。对应的气体温度为-5℃。节流后的CO2直接导入换热器蒸发吸热。吸热过程首先是温度保持-5℃下的潜热吸热，当CO2全部气化为饱和气体后进入显热吸热阶段。

从节流热力设计参数分析可知，吸热分为为潜热吸热和显热吸热，理论计算吸热量为253.6kJ/kg。图4为气液两相换热区不同蒸发温度下的潜热换热占总换热比的曲线图。蒸发温度的确定需要结合换热器结构参数，在保证换热器在结霜的条件下仍然不降低蒸发温度有利于换热器简化。

根据节流换热方案设计，需要为流路设计不同长度的毛细管长度[9]。采用毛细管节流方案，虽然不能利用 4.结论

矿井救生舱CO2开式空调不需要外界电源，具有安全性能高、运行费用低的优势，是最有应用前景的救生舱空调形式。本文介绍了矿井救生舱CO2开式空调的结构原理图，重点研究了两种不同换热方式的热力性能，采用毛细管节流换热具有结构简单，稳定性能好的优点，毛细管节流换热适用于矿井救生舱空调。