利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置

本实用新型涉及矿井采掘工作面制冷降温技术领域，尤其涉及一种利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置。

背景技术：

随着煤矿开采能力的提升和能源需求的增加，煤矿开采逐年向深部发展。随煤矿开采深度的增大，煤矿采掘工作面温度越来越高，已成为矿井第六大灾害，极大威胁矿井工作人员身体健康和煤矿安全高效开采。现有矿井采掘工作面制冷降温技术主要包括集中空调式制冷降温技术和冰冷却降温技术。其中，集中空调式制冷降温技术一般在地面建立制冷机组，制取低温冷水，再通过管道将低温冷水运送至井下，在井下设置高低压换热器，将一次高压冷冻水转换成二次低压冷冻水，二次低压冷冻水通过管道进入空冷器内，在空冷器内与空气发生热交换，带走工作面热量。冰冷却降温技术通过在地面建立制冰厂，制取粒状冰或泥状冰，利用风力或水力经过管道输送至井下的融冰装置，将融冰得到的低温水输送至需冷地点提供冷量。

而这两种制冷降温技术均有缺点，集中空调式制冷降温技术的缺点包括：1、制冷所需的能量由电能提供，耗电量大，运行成本高；2、输送低温冷水管道长，输冷管道长度一般达千米以上，建设成本高，输冷过程冷损失大，不易维护；3、超长管线输水需进行高压冷水处理，高压冷水输送至井下后还需转换为二次低压冷水，高压冷水处理困难，工艺复杂。

冰冷却降温技术存在以下缺点：1、制冷所需的冰量大，矿井降温所需日用冰量可达500吨，制冰过程耗费大量的电能；2、在输冰过程中，管道易于堵塞、破裂；3、管线一般长达千米以上，建设成本高、维护难度大，输冰过程冷损失大。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本申请的一个目的是提供一种利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置，包括：

载冷介质制备系统，所述载冷介质制备系统包括可伸缩活塞、制备池和开闭式底板，所述制备池位于运输通道的上方，所述制备池通过位于上侧的开口与外界空气连通，所述制备池的底部为开闭式底板，所述可伸缩活塞位于所述制备池的开口的上方且能够向下伸入所述制备池内；

载冷介质运输系统，至少包括运输车，所述运输车能够在所述运输通道内移动，所述运输车具有用于容纳载冷介质的腔体，所述腔体的上侧具有用于载冷介质进入的开口；

所述开闭式底板闭合时，所述制备池能够容纳用于制备载冷介质的液体，所述开闭式底板打开时，所述制备池与所述运输通道连通，所述可伸缩活塞能够将制备成的载冷介质推入位于所述运输车的腔体内。

优选地，所述载冷介质制备系统还包括输入管；所述输入管的一端与液体源连接，另一端与所述制备池连通，所述输入管上设有截止阀门。

优选地，所述输入管的外侧设有第一保温层。

优选地，所述输入管和所述第一保温层之间设有加热层，所述加热层通过加热带对输入管进行加热。

优选地，所述运输车的腔体外设有隔热层。

优选地，所述运输车具有一盖体，所述盖体可拆卸的盖设在所述腔体的开口。

优选地，所述盖体内设有隔热材料。

优选地，所述盖体上还设有把手。

优选地，所述开闭式底板包括右半部和左半部，并分别通过第一电控开关和第二电控开关控制右半部及左半部的闭合和打开。

优选地，载冷介质运输系统还包括运输轨道，所述运输车可移动的安装在所述运输轨道。

优选地，所述装置进一步包括载冷介质储存系统；

所述载冷介质储存系统用于储存由所述载冷介质制备系统制备的并经所述载冷介质运输系统运输的载冷介质；

所述载冷介质储存系统至少包括储存室；所述储存室包括至少一个保温门，所述储存室的外壁设有第二保温层。

优选地，所述载冷介质储存系统还包括温度监控站；所述温度监控站用于监测所述储存室内的温度。

实施本实用新型的利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置，具有以下有益效果：本实用新型的装置的制备池位于运输通道的上方，制备池的底部为开闭式底板，上侧设有可伸入制备池内的可伸缩活塞，该装置利用天然冷环境(温度较低的空气)，将制备池内的液体降到冰点以下，制备成固态的载冷介质，开闭式底板打开后，可伸缩活塞能够将制备成的固态载冷介质推入位于运输通道内的运输车内，利用运输车直接将载冷介质运输到井下指定的位置，该装置充分利用了天然冷环境，节约了制冷所需的电能；通过载冷介质制备系统和载冷介质运输系统的配合，实现载冷介质的制备和运输，提高了冷量输送的可靠性，降低了冷量输送的运输和使用成本；在天然冷环境充足的条件下，将制备的大量载冷介质运输至储存室内进行保温储存，以确保在不满足天然冷环境条件的时候载冷介质的充分供应。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置的示意图；

图2是运输车的示意图；

图3是输入管的截面图；

图4是储存室的一个具体实施例的结构示意图。

图中：1：液体源；2：输入管；3：截止阀门；4：可伸缩活塞；5：制备池；6：开闭式底板；7：第一电控开关；8：第二电控开关；9：运输轨道；10：盖体；11：腔体；13：隔热层；14：把手；15：加热层；16：第一保温层；18：运输车；19:副井井口；20：井底车场；21：运输大巷；22：中央变电所；23：水仓；24：轨道上山；25：煤仓；26：废弃的采煤工作面；27：总回风大巷；28：温度监控站；29：保温门；33:第二保温层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图2所示，本实用新型实施例提供的利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置，该装置包括载冷介质制备系统和载冷介质运输系统。

其中，载冷介质制备系统包括：可伸缩活塞4，制备池5和开闭式底板6。制备池5位于运输通道的上方，制备池5通过位于上侧的开口与外界空气连通，制备池5的底部为开闭式底板6，可伸缩活塞4位于该制备池5的开口的上方且能够向下伸入制备池5内。

载冷介质运输系统至少包括运输车18，运输车18能够在运输通道内移动，运输车18具有用于容纳载冷介质的腔体11，该腔体11的上侧具有用于载冷介质进入的开口。

当开闭式底板6闭合时，制备池5能够容纳用于制备载冷介质的液体。本实用新型中制备池5的上端开口直接与空气接触，能够利用天然寒冷环境制备载冷介质。当开闭式底板6打开时，制备池5与运输通道连通，通过可伸缩活塞4能够将制备成的载冷介质推入位于所述运输车18的腔体11内。

运输车18可以为轮式运输车或履带式运输车，具体可以根据实用环境选用，在此不做限定。运输车可根据工作面降温需求和工人班次调整运送频率、时间，具备灵活性强、可靠性强、成本低的优点。

在一些优选的实施例中，载冷介质运输系统还包括运输轨道9，运输车18具有与运输轨道9相匹配的结构，使运输车18能够可移动的安装在运输轨道9，通过运输轨道能够实现运输车在载冷介质制备系统至目的地井下之间畅通运行。

需要说明的是，运输车18与运输轨道9相匹配的结构采用现有结构即可，在此不再赘述。

在一些优选的实施例中，载冷介质制备系统还可以包括输入管2。输入管2上端与液体源1相连，输入管2的下端与制备池5连通，用于将液体源1内的液体输送至制备池5内。

在一个优选地实施方式中，输入管2的外侧设置第一保温层16，该第一保温层16可以为包覆在输入管2外侧的保温材料，该保温材料能够减少或避免输入管2内液体与外界的冷空气换热。需要说明的是，保温材料使用常规保温材料即可，不做限定。

参照图3所示，在一个优选地实施方式中，输入管2和第一保温层16之间设置加热层15，能够发热，有效防止输入管2的液体转变为固体，第一保温层16能够有效防止加热层15产生的热量流失。

在一个优选的实施例中，加热层15主要由加热带组成，能够为输入管2加热。

在其它一些实施方式中，加热层15或第一保温层16可以为依次套设有套管结构形成，具体地，输入管2的外侧间隔套设第一管道，在第一管道与输入管2之间的间隔内设置加热带，形成加热层15。在第一管道的外侧间隔套设第二管道，在第二管道和第一管道之间的间隔内填充保温材料，形成第一保温层16。

在一些实施例中，输入管2上设有截止阀门3，能够控制输入管2内流动的液体，当截止阀门3打开后，液体由液体源1流出，经输入管2和截止阀门3进入制备池5内。

开闭式底板6位于制备池5的下方。在一些优选的实施例中，开闭式底板6分为左半部和右半部，第二电控开关8位于开闭式底板6的左侧，能够控制开闭式底板6左半部的打开和关闭。第一电控开关7位于开闭式底板6的右侧，能够控制开闭式底板6右半部的打开和关闭。

在一些优选的实施例运输车18的腔体11外设有隔热层13。运输车18的上部设有盖体10，该盖体10可拆卸的盖设在腔体11的开口。盖体10的上端还设有把手14，通过提升把手14，能够分离盖体10与运输车18的腔体11。在一个优选的实施例中，隔热层13内部设置有隔热材料，能够阻隔运输车18内的载冷介质与外界环境的热量交换，盖体10内部设置有隔热材料，能够隔绝运输车内外的热量交换。

需要说明的是，液体源1可以为储水箱、水库或河流等，在此不做限定；运输通道可以为开设与井下巷道连通的专用运输通道，也可以为井下巷道的一部分，在此不做限定；用于制备载冷介质的液体一般可以为盐水、纯净水、地下水或河水等，在此不做限定，制备成的载冷介质一般为冰。天然冷环境为温度较低的空气，能够使制备载冷介质的液体达到冰点凝固为固态即可。例如，液体采用纯净水时，天然冷环境(外界的空气)至少要达到零度以下，一般情况下温度越低，制备载冷介质的速度越快。

在其他一些优选的实施例中，所述装置进一步包括载冷介质储存系统。通过将载冷介质制备系统制备的载冷介质由载冷介质运输系统运输至载冷介质储存系统中，可对载冷介质进行保温储存。

所述载冷介质储存系统至少包括储存室，该储存室至少包括一个保温门，且储存室的外壁设置有第二保温层。

图4为以浅部废弃巷道作为储存室的示意图，其中19为副井井口，具体地，可以利用浅部废弃巷道作为储存室，例如，图中的井底车场20、运输大巷21、轨道上山24、煤仓25、废弃的采煤工作面26和总回风大巷27组成储存室，井底车场20、运输大巷21等是随煤矿开采的进行而逐渐不再使用的巷道、硐室，具有一定可利用的储存空间，其外部四周覆盖有第二保温层33，而其中未被第二保温层33覆盖的部分则设置有至少一个保温门29。使用时，可利用运输车18将制备的载冷介质运输至井底车场20、运输大巷21等进行保温储存。保温门29、第二保温层33的材料、厚度等可根据所处水平的地温梯度进行针对性设置。

保温门29和第二保温层33的覆盖体积可根据储存需求进行设计，具体如下：

我国煤矿巷道常用的断面形状是梯形和直墙拱形(如半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形，简称拱形)，其次是矩形，只有在某些特定的岩层或地压情况下，才选用不规则(如半梯形)、封闭拱形、椭圆开或圆形。为了便于计算，按照矩形断面，长、高分别取2m。井底车场、运输巷道等，按照500m长度进行计算，得到储冰空间为2000m³。当每日耗冰量约为101.8t时，一个井底车场、运输巷道等组成的储存室可以提供近20天的用冰量。通过多个浅部废弃巷道、多个废弃矿井联合储冰，可以解决夏季冷源不足的问题。

进一步地，所述载冷介质储存系统还包括温度监控站28。具体应用时，可将温度监控站28设置于煤矿地面，可实时监测井底车场20、运输大巷21等组成的储存室的室内温度。当储存室内的温度低于预设温度t时，温度监控站28发出警报，之后煤矿工作人员进入浅部井底车场20、运输大巷21等废弃巷道储冰空间内进行探查，及时开展巷道保温修复工作。

需要说明的是，为保证浅部废弃巷道的储冰使用，水仓23、中央变电所22应保持工作状态，以避免透水现象的出现。

在上述部分实施方式组合后开形成的一个优选实施方式中的装置工作过程如下：

步骤一、冷源充足条件下，如寒冷的冬季，将运输车18通过运输轨道9停于制备池5的下方，打开截止阀门3，液体源1内的液体经过输入管2进入制备池5，此时输入管2的加热层15处于加热状态，以保证输入管2内液体的流动，达到预定容量后，关闭截止阀门3；

步骤二、液体进入制备池5后，在天然冷环境的作用下开始制备载冷介质，载冷介质制备结束后，通过控制第一电控开关7和第二电控开关8，打开开闭式底板6，为载冷介质的移动提供通道，随后，可伸缩活塞4向下移动至制备池5底部，将制备池5内的载冷介质推入运输车18的腔体11内，利用运输车18将载冷介质运送至井下使用，或者运送至储存室内进行储存；

步骤三、可伸缩活塞4移动回制备池5上方，关闭开闭式底板6，再次制备时重复上述步骤；

步骤四、在冷源不充足条件下，如夏季，将储存室内储存的载冷介质取出至井下进行矿井制冷降温。

本实用新型充分利用天然冷环境，能够实现对自然资源的充分利用和电能的节约，具体地，节能计算如下：

(1)矿井综采面需冷量计算

综采面出口风温设定为33℃，出口风流相对湿度为92％。取工作面出口的制冷后风流温度按矿井降温技术规范mt/t1136-2011中的要求设定为28℃，相对湿度设定为90％。工作面焓值可通过查取焓湿图获取，制冷前后的焓值分别为109.53、83.37kj/kg。综采面配风量一般为900～1400m³/min，按900m³/min计算，空气密度为1.263kg/m³，则风流的质量流量为19.40kg/s，综采面需冷量可通过下式计算：

qc＝mbo(i1-ix)(1)

式中：mbo为通过空气冷却器的风量，kg/s；

i1为降温前综采面出口风流的焓值，kj/kg；

ix为降温后综采面出口风流允许的焓值，kj/kg。

将数值代入式(1)，可得综采面需冷量为507.50kw。

(2)综采面每日需冰量计算

单位体积冰的输冷能力由冰升温的显热、冰融化潜热以及水升温的显热组成，可通过下式计算：

qi＝cs(tt-tm)+qq+c1(t3-tt)(2)

式中：qi为单位体积冰的输冷量，kw；

cs为冰的比热，取2.09kj/(kg·℃)；

cp1为水的比热，取4.19kj/(kg·℃)；

qq为冰的融化潜热，取335kj/(kg·℃)；

tt为冰的相变温度，0℃；

tm为冰晶的平均温度，取－6℃；

t3为低温水吸热后的出水温度，取15℃。

qi＝2.09×6+355+15×4.19＝430.39kj，即单位体积冰的输冷量为430.39kj。上述计算得到需冷量为507.50kw，按照工作时间24小时，一天需要提供的冷量为507.50×3600×24＝43.85×10⁶kj，每日需要的冰体积为43.85×10⁶/430.39＝10.18×10⁴kg，即101.8t。

(3)节省的电能计算

制冰机日制冰量按1000kg计算，每台制冰机功率为5kw，日耗电量为120kw/h，那么制101.8t冰所耗费的电量为12216kw/h，天然冷环境下自动制冰及出冰一体化系统功率取11kw，则采用天然冷环境制冰系统节省的电能为11952kw·h^-1/每日。工业用电价格一般为0.86～1.80元/每kw·h^-1，按0.86元计算，则采用天然冷环境制冰系统节省的费用为10278.72元/每日。

综上所述，本实用新型的利用天然冷环境制备载冷介质及运输该载冷介质的装置，利用天然冷环境制备载冷介质，再利用运输车通过运输轨道运输载冷介质，该装置充分利用了天然冷环境，节约了制冷所需的电能；通过载冷介质制备系统和载冷介质运输系统的配合，实现载冷介质的制备和运输，提高了冷量输送的可靠性，降低了冷量输送的运输和使用成本。

该装置主要在气温较低的时间段使用，尤其针对冬季较长的一些地区，例如黑龙江等东北地区，可以具有较长的应用时间，通用性强。本实用新型装置用于实现矿井采掘工作面的制冷，能够降低工作面的温度，提高工人的工作效率，保护工人的身体健康。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。