礦井避難硐室圍巖蓄冷-相變蓄熱耦合降溫系統(tǒng)特性研究結(jié)題摘要

礦井避難硐室是保障礦工生命安全的重要設(shè)施，面對礦難發(fā)生后的惡劣外部環(huán)境以及斷電狀況，傳統(tǒng)降溫方法都不適用。本課題針對避難硐室溫度保障問題，結(jié)合熱能存儲技術(shù)，提出了一種適用于礦井避難硐室的圍巖蓄冷-相變蓄熱耦合降溫方法，解決了避難硐室的溫度控制難題。課題在闡明圍巖換熱機理的基礎(chǔ)上，研究了耦合降溫系統(tǒng)圍巖連續(xù)蓄冷及間歇蓄冷特性，并針對不同時期工程要求，提出了快速、節(jié)能、方便的分段組合式間歇蓄冷模式。設(shè)計了適用于礦井避難硐室的相變降溫裝置，建立了地下封閉空間包含圍巖-熱源-相變裝置-空氣在內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值計算方法，其中相變座椅還涉及復(fù)合邊界條件下裝置內(nèi)部材料的相變、導(dǎo)熱及自然對流?；谠摂?shù)值計算方法，揭示了圍巖蓄冷-相變蓄熱耦合降溫系統(tǒng)傳熱及控溫規(guī)律，并對耦合降溫系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提出了降溫系統(tǒng)的優(yōu)化運行策略。本課題提出的礦井避難硐室圍巖蓄冷-相變蓄熱耦合降溫方法無需電力支持，系統(tǒng)安全可靠，結(jié)構(gòu)簡單，滿足了本質(zhì)安全條件下無源環(huán)境中避難硐室內(nèi)降溫要求，這對于緩解礦工的緊張情緒，增加礦工的被救幾率具有重要作用，為井下礦工生命安全保障提供了重要的技術(shù)支撐。研究成果對于其它封閉地下空間熱濕環(huán)境控制也有重要的指導(dǎo)意義。 2100433B

在無任何外界支持的情況下，礦井避難硐室應(yīng)滿足96小時額定防護時間內(nèi)溫度不高于35℃的強制要求。常規(guī)的制冷降溫措施均存在一定的局限性，不能滿足煤礦井下緊急避險系統(tǒng)建設(shè)的要求，相變降溫是目前最具潛力的技術(shù)措施。避難硐室相變降溫目前處于工程嘗試階段，尚缺系統(tǒng)的理論研究。課題擬采用理論分析、數(shù)值計算與實驗研究相結(jié)合的方法，進行礦井避難硐室相變降溫的基礎(chǔ)研究。具體包括：避難硐室高溫環(huán)境形成過程的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模擬與實驗驗證；圍巖的間歇蓄冷機理及其對避難硐室熱環(huán)境的影響；復(fù)雜邊界下內(nèi)部非均質(zhì)復(fù)合材料相變單元的傳熱特性分析，并在此基礎(chǔ)上研究相變裝置的蓄熱特性；避難硐室圍巖-人體-相變裝置-室內(nèi)空氣的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模擬與實驗研究；相變降溫裝置與蓄冷圍巖的優(yōu)化配置。研究成果可為解決礦井避難硐室降溫技術(shù)難題，實現(xiàn)易維護、低成本、無危害的有效降溫提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

現(xiàn)階段相變儲能材料的研究困難主要表現(xiàn)以下三方面:

(1) 相變儲能材料的耐久性, 這個問題主要分為三類。首先, 相變材料在循環(huán)相變過程中熱物理性質(zhì)的退化。其次, 相變儲能材料在長期循環(huán)使用過程中會出現(xiàn)滲漏和揮發(fā)的現(xiàn)象, 表現(xiàn)為在材料表面結(jié)霜。另外, 相變材料對基體材料的作用, 相變材料相變過程中產(chǎn)生的應(yīng)力使得基體材料容易破壞，同時它也會對附屬設(shè)備會產(chǎn)生一定程度的腐蝕作用。

(2) 相變儲能材料的經(jīng)濟性問題, 是制約其推廣應(yīng)用的障礙, 表現(xiàn)為各種相變儲能材料及相變儲能復(fù)合材料價格較高, 導(dǎo)致單位熱能的儲存費用上升, 失去了與其他儲熱方法的比較優(yōu)勢。

(3) 相變儲能材料的儲能性能問題, 對于相變儲能復(fù)合材料,為使儲能體更加小巧和輕便, 要求相變儲能復(fù)合材料具有更高的儲能性能。的相變儲能復(fù) 合材料的儲能密度普遍小于120J/g, 并且其導(dǎo)熱性能普遍較差。有學(xué)者預(yù)測, 通過增加相變物質(zhì)在復(fù)合材料中的含量和選擇相變焓更高的相變物質(zhì), 在未來數(shù)年內(nèi), 將有可能將相變儲能復(fù)合材料的儲能密度提高到150～200J/g。

本標(biāo)準適用于采用蓄冷劑制成的蓄冷型消防員降溫背心。

制冷劑氣體水合物具有獨特的相變性能，可實現(xiàn)能量儲存與合理利用，是新一代蓄冷工質(zhì)，具有良好發(fā)展前景。針對目前制冷劑和水的相容性差、界面水合反應(yīng)速率慢、傳熱傳質(zhì)效率低、兩相混合能耗高的難題，該項目提出一種新型的納米制冷劑水合物相變蓄冷材料，即利用復(fù)配添加劑的特殊增溶作用提高制冷劑和水的兩相相容性，使制冷劑以納米尺度分散于水相中，形成熱力學(xué)穩(wěn)定的微乳液相變蓄冷材料。研究內(nèi)容包括微乳液相變蓄冷材料的制備、表面活性添加劑的篩選及復(fù)配、納米制冷劑微乳液的界面性質(zhì)、制冷劑水合物晶體成核與生長特性、水合反應(yīng)動力學(xué)影響因素及強化機制、納米制冷劑水合物熱物性分析測試、水合反應(yīng)過程熱力學(xué)特性等。目的是認識微乳液中烴類水合物生成機理，優(yōu)化納米制冷劑水合物蓄冷材料性能，促進制冷劑水合物均勻快速生成，提高制冷劑水合物的蓄冷效率。研究成果有助于推動制冷劑氣體水合物、微乳液反應(yīng)、溶液結(jié)晶等領(lǐng)域的科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。