相变材料在避难硐室降温技术中的研究应用

郭正达，高威华，石 波

(山西西山煤电股份有限公司 镇城底矿， 山西 太原 030203)

避难硐室是具有紧急避险功能的煤矿井下专用巷道硐室，矿难发生时为无法及时撤离的遇险人员提供96 h以上的生命保障[1]. 在避难硐室有限的密闭空间中，温度将缓慢持续上升且难以排除，超过35 ℃将严重威胁避险人员的生命安全，因此避难硐室必须进行降温制冷。目前，用于避难硐室的降温方式主要有蓄冰制冷、液态二氧化碳气化制冷[2]，但从实际应用情况分析，蓄冰制冷功耗大，压缩机在井下潮湿环境易损坏，维护量大；液态二氧化碳气化制冷需要大量的二氧化碳气瓶储存制冷剂，二次充填困难，并且二氧化碳气瓶材料在井下易腐蚀，产生爆炸危险。基于避难硐室无源、免维护等要求，镇城底矿以相变材料为制冷剂，利用相变材料贮热特点，研制了相变材料制冷装置，为避难硐室提供简单、易操作、成本低的降温装备。

1 相变材料选择

相变材料是一类随温度变化而改变物理性质并能提供潜热的物质，相变材料转变物理性质的过程称为相变过程，超过临界温度吸热制冷、低于临界温度放热蓄冷，该过程吸收或释放大量的潜热。利用相变材料的“固-液”相变过程进行热量储存及传输的技术叫做相变蓄热技术[3].

相变材料可分为有机相变材料和无机相变材料两大类。有机相变材料如石蜡、醋酸等，存在导热系数低、性能不稳定、价格昂贵等缺点[4]. 无机相变材料主要有无机盐结晶水合盐类，具有导热系数高、溶解热较大、价格低、原料丰富、不易燃等优点。因此，选用无机物相变材料较为合适，相变类型为固-液相变类型。基于避难硐室密闭空间特点，选择用于避难硐室降温系统的无机相变材料还应满足几点基本原则：1) 确定相变材料应用的环境。2) 选择适用的温度材料。3) 相变储热换热结构。4) 高储热、潜热大和高导热系数。5) 密度高、体积小。6) 无过冷度或过冷度小、无严重相分离现象[5]. 7) 经济安全，无毒、稳定性高、来源广泛，价格便宜。

依据《煤矿井下紧急避险系统建设管理暂行规定》的要求，在额定防护时间内，避难硐室内部环境温度应小于35 ℃，因此相变材料的熔点应小于35 ℃，但避难硐室空间有限，相变材料潜热释放过程较缓慢，在抵消避难硐室围岩散热后，避难硐室内温度上升很快，因此选择的相变材料工作区间不应太窄，相变材料的熔点宜在24 ℃～29 ℃，且宜选取下限值。上海某公司制作的无机相变材料，其性能参数见表1.

表1 无机相变材料性能参数表

依据避难硐室降温系统要求和选择原则，选择PCM-25相变材料作为避难硐室降温系统制冷剂。

2 相变材料制冷装置

2.1 避难硐室热量计算

避险人员在避难硐室内，产生的热量主要包括人体新陈代谢产生的热量、对外做功热量、净化装置散热量之和。遇险人员在避难硐室内避难，活动形式属于静坐状态，呼吸状态属于弥漫，风流速度可以忽略，因此人体对外做功热量可以忽略不计，因此避难硐室总热量QT为：

QT=Qp+QZ

(1)

式中：

Qp—人体代谢热量，kJ；

QZ—净化装置散热量，kJ.

依据美国《肯塔基州矿井安全建议》，在避难硐室密闭空间内，正常成年人的新陈代谢产生的热量约为400 BTU/人·h，相当于正常成年人每人每天释放10 133.76 kJ的热量[6]. 按照100人避难硐室进行计算，人体代谢热量QP为：

QP=10 133.76PDK

(2)

式中：

P—避险人数，人，取100；

D—天数，天，取4；

K—安全系数，1.2.

代入式(2)，则可得额定防护时间人体代谢热量QP=4 864 204 kJ.

避难硐室内部环境要求在额定防护时间内二氧化碳浓度低于0.5%，人体新陈代谢产生的二氧化碳应进行净化控制。在额定防护时间内，100人避难硐室产生的二氧化碳nCO2为：

nCO2=CCO2PDKρ/44

(3)

式中：

CCO2—每人每天需要净化的二氧化碳量，L/D，取720；

ρ—二氧化碳密度，kg/m3，取1.98；

44—相对分子质量。

代入(3)式，可得额定防护时间产生二氧化碳nCO2=15 552 mol.

依据文献[7]研究结论，碱石灰吸收1 mol二氧化碳，所放出热量约为56.484 kJ，则可得净化装置散热量：

QZ=15 552×56.484=878 439 kJ

因此，QT=QP+QZ=5 742 643 kJ

2.2 相变材料计算

相变材料需求量mT为：

mT=QT/QPCM

(4)

式中：

QPCM—相变材料溶解热，kJ/kg，取243.3.

代入(4)式，可得100人避难硐室在防护时间内所需相变材料mT=23 603 kg.

2.3 相变制冷装置结构

PCM-25相变材料为固-液相变，相变制冷装置采用不锈钢模块化结构，箱体方形构造，结构轻薄，传热快。箱体整体焊接密封，上表面开口便于安装相变材料，边缘设置2个支，便于围岩周边贴壁安装，具有装饰效果。

相变制冷模块高1 302 mm，宽992 mm，厚度102 mm，不锈钢板材料厚度1 mm，则相变制冷模块内腔容积为0.128 7 m3，可存储相变材料质量为mPCM为：

mPCM=vρPCM=0.128 7×1 480=190.5 kg

考虑到相变材料的膨胀系数，一般每个模块灌装约为80%，则mPCM实际约为152.4 kg，整个避难硐室降温需要相变制冷模块数量为155个。相变制冷模块见图1.

图1 相变制冷模块图

3 相变制冷模块安装方法

1) 将相变制冷模块运至事先准备好的硐室。

2) 根据避难硐室设备安装施工图，将相变模块定位支撑安装牢固。

3) 依次将相变模块安装于定位支撑中。

4) 相变模块内充填相变制冷材料至模块高度4/5位置。

5) 扣上模块保护盖。

6) 连接风冷/水冷软管，依次将相变模块换热器联通，构成换热系统。

4 结 论

1) 相变材料用于避难硐室温度控制优势明显，但由于相变降温属于被动式降温，控温滞后，而且已有应用案例忽略了压风制冷以及围岩散热因素，变相增加了相变材料应用成本，建议后续进一步研究风冷和围岩散热对避难硐室密闭空间温度影响，降低避难硐室建设成本。

2) 相变降温材料可以通过改变材料物理性质进行物理变化制冷，具有结构简单、免维护、可重复利用、经济安全等特点。

3) 相变降温材料应用后，特别是在灾变情况下，降低了对动力电源的依赖，消除了电动力源，避免了用电设备失爆的可能，提高了安全可靠性。