深礦井熱害治理中的個體降溫服務(wù)設(shè)計

深礦井熱害治理中的個體降溫服務(wù)設(shè)計

0熱害治理方法隨著中國國情的快速發(fā)展，作為中國能源的支柱，煤炭開采量顯著增加。國家能源局資料顯示:2010年我國的原煤產(chǎn)量32.4億噸,是2005年的1.4倍。煤礦的深度開采成為必然趨勢,但也帶來了一些問題,其中礦井熱害治理成為深礦井煤礦亟待解決的重要難題。礦井熱害是指礦井下的溫度和濕度超過一定限度時,影響井下作業(yè)的正常進(jìn)行和礦工身體健康的現(xiàn)象。人屬于恒溫體,體溫的穩(wěn)定是保證機體新陳代謝和生命活動正常進(jìn)行的必要條件。礦井熱害不僅影響生產(chǎn)勞動效率,甚至對人體健康構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在這種情況下就必須對人體進(jìn)行熱防護(hù)。我國一些煤礦生產(chǎn)部門和科研機構(gòu),目前關(guān)于熱害問題的研究主要集中在形成機理方面,同時也提出了一些解決方法。歸納起來主要有兩個方面:一為非人工制冷措施,即礦井通風(fēng)。一般在地溫31℃-37℃時,熱害較輕,一般用通風(fēng)方法解決;二為人工制冷,也稱為礦井空氣調(diào)節(jié),在地溫達(dá)到37℃以上時,單靠加強通風(fēng)不能解決熱害問題時,應(yīng)采用人工制冷降溫措施。以上兩種礦井熱害治理方法,均需采用大型的機器設(shè)備,通過降低進(jìn)入整體工作面空氣的溫度來實現(xiàn)。這兩種治理方法均存在初投資大、運行費用高、在運行過程中有噪聲污染和制冷效果不良,且隨著工作面的改變,制冷設(shè)備移動、安裝非常困難,以及安全隱患等問題。基于以上問題,提出了在深礦井熱環(huán)境下對人體直接降溫的個體防護(hù)方法。其主要思想:礦工穿上降溫功能服裝,在人體周圍構(gòu)造微氣候區(qū),與周圍的高溫環(huán)境相隔絕,通過對微氣候區(qū)的熱量調(diào)節(jié),達(dá)到人體熱平衡和熱舒適調(diào)節(jié)的目的。該方法避免了上述兩種礦井熱害治理的系列問題,具有很強的應(yīng)用優(yōu)勢。本文結(jié)合目前降溫服發(fā)展現(xiàn)狀,對降溫服在礦井熱環(huán)境下的可能應(yīng)用進(jìn)行了分析,希望為礦井熱害治理提供參考。1微氣候?qū)θ梭w熱舒適性的影響如圖1所示,在人體的皮膚層和著裝之間存在狹小的空間,即人體微氣候區(qū)。人體微氣候是人體微氣候區(qū)的溫度、濕度、氣流速度的總稱。人體微氣候與人體的舒適性密切相關(guān),原田隆司博士根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)繪制了人體衣服內(nèi)微氣候區(qū)的溫濕度與人體熱舒適感的關(guān)系曲線(圖2所示),得到了人體微氣候區(qū)的熱舒適范圍:溫度32℃±1℃、相對濕度50%±10%。在高溫環(huán)境中,降溫服通過制冷降溫裝置,對微氣候區(qū)進(jìn)行降溫,帶走熱量,保持穩(wěn)定在人體的微氣候區(qū)熱舒適范圍內(nèi),維持人體熱量平衡。2人體降溫衣的分類2.1不同熱風(fēng)方式下的系統(tǒng)蒸發(fā)冷卻氣體降溫服是利用氣源供給空氣,經(jīng)通風(fēng)管道在身體與服裝間流動,在人體表面構(gòu)建微氣候區(qū)進(jìn)行降溫。按照散熱方式的不同,氣體降溫服分為蒸發(fā)型氣冷溫服和對流型氣冷服。蒸發(fā)型氣冷服對通風(fēng)溫度沒有要求,主要利用水汽壓梯度促進(jìn)汗液蒸發(fā)散熱。對流型氣冷服主要通過通風(fēng)氣流帶走熱量,要求通風(fēng)氣體溫度低于平均皮膚溫度,需要對通風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷。2.2調(diào)節(jié)人體熱交換液體降溫服通過微氣候區(qū)的循環(huán)降溫液帶走人體的代謝熱,調(diào)節(jié)人體與環(huán)境的熱交換,維持人體熱平衡。液冷服由基礎(chǔ)服裝和預(yù)冷裝置組成,通過熱交換裝置在冷源處降溫散熱,低溫降溫液再返回人體完成循環(huán)。2.3相變吸熱型相變降溫服利用相變儲能材料在環(huán)境溫度變化時,通過相變吸收周圍環(huán)境的熱量而進(jìn)行降溫。通常在服裝表面縫制若干降溫口袋,將預(yù)冷相變材料放置在口袋中,相變吸熱降溫。相變降溫服又稱為被動降溫服,其降溫過程一般在2-4小時,相變過程發(fā)生一定時間后需重新進(jìn)行蓄冷。常用的蓄冷介質(zhì)主要有冰、干冰、相變材料、凝膠、相變材料大膠囊等。以上是按照降溫介質(zhì)的不同,對降溫服進(jìn)行的分類。按照降溫動力來源,可分為主動式降溫服及被動式降溫服;按照制冷方式的不同,又可分為蓄冷型降溫服、蒸汽壓縮式降溫服、渦流管式降溫服、熱電制冷式降溫服,這里不再一一詳述。3人體降溫和服裝在國內(nèi)外的研究3.1對被動式液冷降溫服的可擴張性國外人體降溫服起步較早,1962年英國皇家空軍Burton研制了第一件液冷服。美國ILCDover公司與NASA合作,基于液冷服系統(tǒng)開發(fā)了阿波羅宇航服,并將其應(yīng)用于阿波羅登月計劃。阿波羅液冷服奠定了現(xiàn)代降溫服發(fā)展的基礎(chǔ)。隨后ILCDover公司采用宇航服中液體降溫技術(shù)研究了醫(yī)用降溫背心,對病人進(jìn)行降溫,取得較好的效果。美軍Natick士兵中心研制出了單兵降溫系統(tǒng)PICS,該系統(tǒng)將冰塊放在瓶子里,再利用水泵傳輸冰水進(jìn)行熱量的傳遞,該系統(tǒng)可持續(xù)工作4小時左右。隨后,美軍又開發(fā)了高級輕型微氣候降溫系統(tǒng)ALMCS,工作時間更持久,服裝溫度控制在18.3℃-21.1℃之間。以上液冷降溫服系統(tǒng)將冷卻液放在背包或固定容器中,隨身攜帶,增加了人體負(fù)荷,尤其對于重度勞動者;其容器的蓄冷能力有限;液冷服用泵系統(tǒng)作為液冷服的動力裝置,長期負(fù)荷條件下泵等微系統(tǒng)易損壞;能源供應(yīng)由蓄電池提供,其在深礦井環(huán)境中并不適用。南非作為世界上采礦發(fā)達(dá)國家之一,一直致力于礦山熱防護(hù)的研究。二十世紀(jì)七十年代,德國馬堡大學(xué)勞動生理及康復(fù)研究所根據(jù)其試驗結(jié)果推薦以下幾種南非降溫服:西德德來格爾公司的冰水降溫背心;加爾特里特公司的干冰降溫服。1979年西德埃森礦山研究院針對上述幾種降溫服進(jìn)行了實驗,驗證了其降溫效果,但其降溫持續(xù)時間有限:阿波羅背心和冰水降溫服1h、干冰降溫服2h后其降溫效果急劇下降。干冰降溫服降溫能力較強,但其相變溫度過低,易對人體形成冷沖擊,干冰成本較高。針對以上被動式液冷降溫服存在的不足,人們開始致力于主動式降溫服的研究。美國Aspen公司生產(chǎn)的全球最小最輕的旋轉(zhuǎn)壓縮機,將其應(yīng)用于便攜式制冷系統(tǒng)研制出的個人降溫系統(tǒng),被美國軍方采用。其適用的環(huán)境溫度可達(dá)-30℃-60℃,制冷系統(tǒng)重約2.7kg。該降溫服蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)微型化,降溫能力大大增強、降溫時間持久。但該產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜,攜帶不便,尤其在礦井下加重礦工負(fù)擔(dān);成本較高;動力源由蓄電池提供,在礦井下需要防爆處理。美國太平洋國家實驗室(PNNL)開發(fā)出了基于溴化鋰吸收式制冷的微型制冷系統(tǒng),該降溫系統(tǒng)由熱泵、熱交換器、電池組成,利用身體余熱,通過分布在人體表面的管道進(jìn)行吸放熱實現(xiàn)其工作過程。吸收式制冷存在安全隱患、價格昂貴、實際降溫能力有限且使用不便。日本服裝設(shè)計師設(shè)計的降溫服,通過布置在上衣中的小風(fēng)扇,在衣服里制造空氣流動,通過汗液蒸發(fā)對人體降溫。MengmengZhao針對風(fēng)扇強制鼓風(fēng)型降溫服,在風(fēng)扇的不同布置情況下進(jìn)行了降溫性能實驗,結(jié)果表明風(fēng)扇布置在脊柱和后腰具有較好的效果。該類降溫服屬蒸發(fā)型氣冷服。過度出汗會導(dǎo)致人體不適,其實際降溫能力有限,其主要用于對航天飛行員降溫。ZhengxiangPu提出了管道式氣體降溫服,首先由空氣壓縮機將空氣壓縮并經(jīng)渦流管預(yù)冷,再通過分布在全身的管道系統(tǒng)排入服裝內(nèi)部,以對流和蒸發(fā)形式對人體降溫。與ZhengxiangPu不同的是,SchutteP.C在著裝的前胸和后背各設(shè)置一個氣囊,在氣囊接觸皮膚的一面設(shè)有均勻分布的小孔,冷卻氣流從小孔吹向皮膚,乏氣最后由領(lǐng)口、袖口排出。該類降溫服屬對流型氣冷服,降溫效果較好,其循環(huán)介質(zhì)為高壓氣體,適用于有高壓氣源場所。加拿大的YifanYang等基于真空干燥冷卻(VDC)技術(shù)提出了一種新型的降溫服,其降溫能力達(dá)到了373.1W/m2。真人實驗表明VDC降溫服能夠明顯緩解熱應(yīng)力。但該降溫服尚在實驗階段,并未實際應(yīng)用。Gunatilake基于熱電制冷原理提出了一種降溫服,該降溫服由熱電制冷模塊和制冷劑儲罐組成。性能測試表明該降溫服具有良好的調(diào)溫能力。但該降溫服需要攜帶制冷劑儲罐,在礦井下使用加重了人體的負(fù)擔(dān),使用不便;熱電制冷效率低;蓄電池需要防爆處理。3.2應(yīng)用新型制冷劑生產(chǎn)的熱舒適性能我國航天醫(yī)學(xué)工程研究所最早開始研究人體降溫系統(tǒng),1982年開始研制的便攜式局部液冷服(YL—IA型),利用泵組件將制冷裝置中預(yù)冷的冰水混合物輸送到人體液冷服,通過對流、傳導(dǎo)帶走人體的熱量。高溫艙人體醫(yī)學(xué)實驗表明該液冷服具有較好的制冷效果。2007年深圳德升研制的新型單兵液冷降溫系統(tǒng),其制冷系統(tǒng)主要有電池、泵組件和冷源等。該類降溫服與國外被動式液冷服系統(tǒng)類似,持續(xù)降溫時間較短,需要不定時添加冰水,在礦井熱環(huán)境下應(yīng)用有限。北京工業(yè)大學(xué)傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室研制的便攜式空調(diào)系統(tǒng),將空調(diào)制冷系統(tǒng)微型化,研制了微型螺旋式壓縮機。該制冷系統(tǒng)可提供300W以上的冷量,也屬于液冷服系統(tǒng),通過制冷系統(tǒng)對液冷服中循環(huán)水降溫。先后推出的“工大微冷-Ⅰ型”、“工大微冷-Ⅱ型”,該微型制冷系統(tǒng)重量約2.85kg。但該制冷裝置的能效較低,其主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。我國學(xué)者對蒸發(fā)型氣冷服進(jìn)行了研究。韓興旺等人研制的換氣式降溫服,該換氣降溫服以鋰電池帶動風(fēng)扇,暖體假人Walter降溫性能實驗測定該降溫服的降溫量在100-170W之間。中國科學(xué)院理化研究所劉靜等提出的基于微型風(fēng)扇陣列的降溫服。曾顏彰等人對該降溫服作用下的人體散熱模型采用Monte-Carlo算法進(jìn)行體表溫度模擬計算,并對其進(jìn)行了實驗驗證。當(dāng)環(huán)境溫度較高甚至高于體表溫度時,基于風(fēng)扇的降溫服僅通過汗液潛熱蒸發(fā)散熱,吹入體表的熱空氣反而對人體進(jìn)行對流加熱,所以該類降溫服在礦井高溫場合中并不適用。中國礦業(yè)大學(xué)劉源等人針對礦井熱害設(shè)計了對流型氣冷服。該降溫服的進(jìn)口空氣溫度可調(diào),可始終保持在人體的舒適范圍,降溫能力較強。與傳統(tǒng)煤礦降溫方式相比,該類降溫服初投資小,安全經(jīng)濟可靠,但需要高壓氣源,現(xiàn)有研究僅停留在是否穿著降溫服上,關(guān)于其降溫效果需更一步深入研究。清華大學(xué)張彥平等人采用TH-27復(fù)合蓄熱相變材料,對醫(yī)用降溫服進(jìn)行了熱舒適實驗評價,證明了該降溫服具有良好的熱舒適性;天津工業(yè)大學(xué)張興祥教授團(tuán)隊研制成功的相變材料膠囊恒溫服,以直徑只有1-100微米的相變材料微膠囊(MicroPCMs)為芯材,制取了儲熱調(diào)溫纖維,生產(chǎn)了系列具有智能調(diào)溫功能的恒溫服裝,該恒溫服可保持人體舒適溫度2-3h。相變降溫服系統(tǒng)簡單,使用方便,無防爆要求,但其降溫時間有限,在深礦井下使用需建立蓄冷中轉(zhuǎn)裝置。河南理工大學(xué)盛偉等人提出了一種無電自壓縮式降溫服,依靠人體走路時雙腳產(chǎn)生的壓力為動力源。與其它降溫服相比,該降溫服無需動力裝置,不受空間和時間限制,尤其滿足礦井等特殊場合的使用。4應(yīng)用內(nèi)容及前景隨著社會的發(fā)展和人們熱舒適意識的提高,降溫服的使用范圍將會越來越廣。資料顯示,礦井熱環(huán)境下個體降溫方式其初期投資只有傳統(tǒng)降溫方式的1/25,運行維護(hù)費用是原來的1/16;礦用降溫服使用靈活方便,不受工作地點的限制,可隨開采工作面的變化而移動。可以預(yù)見的是:在礦井熱環(huán)境下,降溫服應(yīng)用前景廣闊。國外降溫服裝的研究起步較早,并且已有相對成熟化的產(chǎn)品應(yīng)用,我國的降溫服發(fā)展較慢,亟待推廣。目前降溫服主要應(yīng)用在航天軍事領(lǐng)域,在煤礦熱環(huán)境條件下的應(yīng)用鮮有提及,且其技術(shù)發(fā)展也存在一定的問題,制約著礦用降溫服的發(fā)展。結(jié)合以上文獻(xiàn)綜述以及煤礦安全生產(chǎn)要求,按照降溫介質(zhì)的不同分類,對個體降溫服在煤礦熱環(huán)境下的可能應(yīng)用作如下分析:(1)液體降溫服。液冷降溫服起源最早,大部分的研究焦點也在液冷服。其換熱量大,制冷效果明顯,在航空航天及軍事領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。但其需要微型制冷系統(tǒng)提供輔助制冷裝置,現(xiàn)有的微型制冷系統(tǒng)主要有蒸汽壓縮式、熱電制冷、熱管制冷等。熱管制冷成本較高,僅在航天中有使用;蒸汽壓縮制冷和熱電制冷需要攜帶電源。液冷服其系統(tǒng)復(fù)雜;冷卻液容易泄漏,在降溫初期存在過冷現(xiàn)象,對人體形成冷沖擊;成本較高,在礦井下需要防爆處理,很難推廣普及。(2)相變材料降溫服。相變材料降溫服系統(tǒng)簡單、使用方便,沒有電源,無防爆要求。但其降溫能力有限、持續(xù)時間較短,一般降溫時間在2-4h,若在煤礦井下建立蓄冷中轉(zhuǎn)站,可以考慮使用。(3)氣體降溫服。蒸發(fā)型氣冷服主要由微型風(fēng)扇提供動力,使用方便。其適用于對降溫能力要求不太高的場合,且主要依靠汗液的蒸發(fā)而散熱,在深礦井下,由于勞動強度較大,過量的排汗會導(dǎo)致身體的不適。而對流型氣冷服,需要預(yù)冷裝置?，F(xiàn)有的低溫冷源通風(fēng)主要有蒸汽壓縮冷源通風(fēng)、空氣循環(huán)冷源通風(fēng)等。由前面分析可知微型蒸汽壓縮制冷技術(shù)一般應(yīng)用在液冷服上,氣體降溫服應(yīng)用較少?？諝庋h(huán)冷源通風(fēng)主要應(yīng)用在氣壓源的場合,主要通過渦輪膨脹或者渦流管產(chǎn)生低溫氣流,引入降溫服降溫。其中的渦流管降溫服技術(shù),具有以下優(yōu)點:(1)渦流管部件少、使用方便、且制冷效果可調(diào)。(2)渦流管降溫服屬于本安型,滿足防爆要求,價格相對便宜。(3)在深礦井中壓縮空氣氣源分布廣泛,接入簡便。渦流管降溫服發(fā)展前景廣闊,建議使用。圖3為其應(yīng)用原理圖。所設(shè)計降溫服系統(tǒng)主要有氣源中轉(zhuǎn)站、供氣管接頭、管線、渦流管、基礎(chǔ)服裝等組成,方便拆裝。氣源中轉(zhuǎn)站處設(shè)置多排氣管接頭,氣源站接頭和渦流管接頭均為氣體快速接頭,與管線連接,渦流管制冷器束與腰間。工作過程:從氣源中轉(zhuǎn)站流出高壓氣體由管線流入渦流管制冷器,經(jīng)渦流管分離產(chǎn)生低溫氣體吹入人體微氣候區(qū),對人體進(jìn)行降溫,產(chǎn)生乏氣經(jīng)人體衣服領(lǐng)口袖口排出體外。渦流降溫技術(shù)其應(yīng)用較為成熟,但是存在著局部溫差大,整體溫濕度以及氣體流速分布不均勻等問題,研究尚待深入