本發明屬于煤礦井下降溫技術領域，特別是涉及一種高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置及方法。
背景技術：
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隨著我國采礦工業的發展，煤礦開采深度的不斷增加，高溫礦井數目也隨之增加，高溫熱害問題更加突出，深部礦井高溫熱害問題逐漸成為制約深部煤炭資源開采的重要因素，礦井降溫問題是我國礦山開采面臨的嚴峻問題，成為繼頂板、瓦斯、水、火、粉塵后的第六大礦井自然災害。
傳統降溫技術包括非機械制冷降溫技術和機械制冷降溫技術兩大類。非機械制冷技術包括優化礦井開拓布置、優化通風網絡、增大風量、受控循環風、壓氣動力、預冷煤層、全面填充法管理頂板、巖壁隔熱、熱水疏排管道隔熱、地層儲熱；機械制冷包括水冷卻系統、冰冷卻系統、熱-電-乙二醇低溫制冷降溫系統、礦井輕便空調室、冷卻服等。從國內外應用情況來看，高溫熱害比較突出的礦井，采取機械制冷降溫方式的居多。機械制冷降溫技術經過幾十年的發展已經成為一項比較成熟的礦井降溫制冷技術，但是由于我國制冷設備仍依賴進口，而進口的制冷設備價格昂貴、功耗大等因素限制了礦井空調的推廣。而且進口設備運行和維護成本非常高，造成一些煤礦企業引進的制冷設備缺少零部件甚至處于閑置狀態。我國的礦井空調制冷降溫技術并沒有取得理想的效果。
利用液態CO2作為制冷介質，在取得較好降溫效果的同時，可以減少CO2向大氣中的排放量，達到節能減排的社會效益和環境效益；CO2熔點為-56.57℃，此時經過汽化作用轉換為氣態后溫度達到20℃時放出冷量為411.94kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等優點，可以有效的提高制冷效率，達到降溫的目的。
技術實現要素：
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針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置及方法，采用液態CO2制冷進行降溫，降低生產成本，保護環境，大幅提高生產效率。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置，包括通風機、風筒、液態CO2儲存罐、液態CO2輸送管、換熱器和氣態CO2排放管；
所述的液態CO2儲存罐設有出口，所述的換熱器設有液態CO2輸入口和氣態CO2排放口；
所述的通風機通過風筒與換熱器一端連接，所述的換熱器另一端通過風筒與采掘工作面連通，所述的液態CO2儲存罐通過液態CO2輸送管與換熱器的液態CO2輸入口連接，所述的換熱器的氣態CO2排放口通過氣態CO2排放管與采空區連通；
所述的液態CO2輸送管上，由液態CO2儲存罐出口向換熱器方向依次設有第一壓力表和第一閥門，所述的氣態CO2排放管上，由氣態CO2排放口向采空區的方向依次設有第二閥門和第二壓力表。
所述的換熱器包括冷卻盤管和殼體，所述的冷卻盤管設置在殼體內，冷卻盤管一端通過液態CO2輸入口與液態CO2輸送管連接，冷卻盤管另一端通過氣態CO2排放口與氣態CO2排放管連接。
所述的冷卻盤管按照蛇形盤管的方式布置，管路外型是星型換熱肋片。
所述的第一閥門，用于控制液態CO2儲存罐中液態CO2的流量。
所述的第一壓力表，用于監測液態CO2儲存罐出口處液態CO2的壓力值。
所述的第二閥門，用于控制液態CO2輸送管內壓力及氣態CO2的排放。
所述的第二壓力表，用于監測排出氣體CO2的壓力值。
所述的高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置布置在巷道內，其中，所述的通風機安設在進風巷道，所述的風筒和換熱器均通過掛鉤吊掛在巷道頂板，所述的液態CO2輸送管鋪設在巷道壁。
所述的通風機為局部通風機。
所述的液態CO2輸送管外層設有保溫層。
所述的液態CO2輸送管由若干單元輸送管串聯而成，各單元輸送管之間通過法蘭盤連接，法蘭盤接口處安有墊圈。
所述的氣態CO2排放管由若干單元排放管串聯而成，各單元排放管之間通過快速接頭連接。
所述的液態CO2輸送管耐壓強度在5MP以上，耐溫下限不高于-57℃。
所述的通風機用于為整個制冷降溫裝置提供通風動力，同時也為采掘工作面提供風流。
所述的液態CO2輸送管用于將液態CO2儲存罐內的液態CO2輸送到換熱器的冷卻盤管。
所述的液態CO2儲存罐用于儲存液態CO2。
所述的液態CO2用于作為整個制冷降溫裝置的制冷介質。
所述的風筒用于輸送由通風機到換熱器之間的風流以及從換熱器到采掘工作面之間的風流。
所述的換熱器用于將液態CO2轉換為氣態CO2，同時液-氣兩相轉換過程中釋放的冷量用于冷卻由風筒輸送到換熱器內的風流，達到降低風流溫度的目的。
所述的氣態CO2排放管用于將液態CO2經過換熱器后轉換為的氣態CO2排放到采空區。
采用所述的高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置進行降溫的方法，包括以下步驟：
步驟1：啟動通風機，風流通過風筒，經換熱器輸送至采掘工作面；
步驟2：打開第一閥門，液態CO2通過液態CO2輸送管流動到換熱器的冷卻盤管，同時，通過第一壓力表監測液態CO2儲存罐出口處壓力值，當液態CO2儲存罐出口處的壓力值低于0.52MPa時，更換液態CO2儲存罐；
步驟3：流經換熱器的風流，與冷卻盤管的液態CO2進行換熱降溫，形成冷卻風流，冷卻風流通過風筒輸送到采掘工作面，實現采掘工作面降溫；
步驟4：冷卻盤管內的液態CO2經與風流換熱后發生相變，由液態CO2轉變為氣態CO2，并經氣態CO2排放管輸送至采空區。
步驟2所述的液態CO2，由于液態CO2具有高壓力，第一閥門打開后，液態CO2通過液態CO2輸送管主動流動到換熱器的冷卻盤管。
本發明提供的一種高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫方法是利用液態CO2轉化為氣態CO2過程中釋放的冷能來降低流經換熱器的風流溫度，以此來降低采掘工作面的風流溫度，為工作人員提供舒適的工作環境。
本發明的有益效果：
1、工業生產中CO2尾氣排放量較大，通過壓縮提純后成為工業生產的副產品。將其應用于煤礦井下制冷降溫，可以減少CO2向大氣中的排放量，緩解溫室效應，具有良好的環境效益；
2、液態CO2是工業生產的副產品，成本較低，價格低廉，應用于煤礦井下制冷降溫，可以大幅度縮減制冷降溫費用，降低煤礦的生產成本，具有良好的經濟效益；
3、液態CO2熔點為-56.57℃，此時經過汽化作用轉換為氣態后溫度達到20℃時放出冷量為411.94kJ/kg，具有汽化速度快、放出冷量大等優點，可以有效提高制冷效率；
4、本發明的制冷降溫技術，是針對煤礦高溫采掘工作面進行局部降溫，目的是為工作人員提供舒適的工作環境，保障身體健康，提高勞動生產率，相比于傳統的空調制冷設備對全風流降溫所產生的巨額制冷費用，具有明顯的優勢。
附圖說明：
圖1為本發明的高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置結構示意圖；
其中，1-局部通風機；2-液態CO2儲存罐；3-風筒；4-第一壓力表；5-液態CO2輸送管；6-第一閥門；7-換熱器；8-氣態CO2排放管；9-冷卻盤管；10-殼體；11-第二壓力表；12-第二閥門。
具體實施方式：
下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。
實施例1
如圖1所示，高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置，包括局部通風機1、風筒3、液態CO2儲存罐2、液態CO2輸送管5、換熱器7、氣態CO2排放管8；
所述的液態CO2儲存罐2設有出口，所述的換熱器7設有液態CO2輸入口和氣態CO2排放口；
所述的局部通風機1通過風筒3與換熱器7一端連接，所述的換熱器7另一端通過風筒3與采掘工作面連通，所述的液態CO2儲存罐2通過液態CO2輸送管5與換熱器7的液態CO2輸入口連接，所述的換熱器7的氣態CO2排放口通過氣態CO2排放管8與采空區連通；
所述的液態CO2輸送管5上，由液態CO2儲存罐出口向換熱器方向依次設有第一壓力表4和第一閥門6，所述的氣態CO2排放管8上，由氣態CO2排放口向采空區的方向依次設有第二閥門12和第二壓力表11。
所述的第一閥門6，用于控制液態CO2儲存罐2中液態CO2的流量。
所述的第一壓力表4，用于監測液態CO2儲存罐2出口處液態CO2的壓力值。
所述的第二閥門12，用于控制液態CO2輸送管5內壓力及氣態CO2的排放。
所述的第二壓力表11，用于監測排出氣體CO2的壓力值。
所述的換熱器7包括冷卻盤管9和殼體10，所述的冷卻盤管9設置在殼體10內，冷卻盤管9一端通過液態CO2輸入口與液態CO2輸送管5連接，冷卻盤管9另一端通過氣態CO2排放口與氣態CO2排放管8連接。
所述的高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫裝置布置在巷道內，其中，所述的局部通風機1安設在進風巷道，所述的風筒3和換熱器7均通過掛鉤吊掛在巷道頂板，所述的液態CO2輸送管5鋪設在巷道壁。
所述的冷卻盤管9按照蛇形盤管的方式布置，管路外型是星型換熱肋片。
所述的液態CO2輸送管5外層設有保溫層。
所述的液態CO2輸送管5由若干單元輸送管串聯而成，各單元輸送管之間通過法蘭盤連接，法蘭盤接口處安有墊圈。
所述的氣態CO2排放管8由若干單元排放管串聯而成，各單元排放管之間通過快速接頭連接。
所述的液態CO2輸送管5耐壓強度在5MP以上，耐溫下限不高于-57℃。
所述的局部通風機1用于為整個制冷降溫裝置提供通風動力，同時也為采掘工作面提供新鮮風流。
所述的液態CO2輸送管5用于將液態CO2儲存罐2內的液態CO2輸送到換熱器7的冷卻盤管9。
所述的液態CO2儲存罐2用于儲存液態CO2。
所述的液態CO2用于作為整個制冷降溫裝置的制冷介質。
所述的風筒3用于輸送由局部通風機1到換熱器7之間的風流以及從換熱器7到采掘工作面之間的風流。
所述的換熱器7用于將液態CO2轉換為氣態CO2，同時液-氣兩相轉換過程中釋放的冷量用于冷卻由風筒3輸送到換熱器7內的風流，達到降低風流溫度的目的。
所述的氣態CO2排放管8用于將液態CO2經過換熱器7后轉換為的氣態CO2排放到采空區。
本實施例的高溫采掘工作面液態CO2相變制冷降溫方法，包括以下步驟：
步驟1：啟動局部通風機1，風流通過風筒3，經換熱器7輸送至采掘工作面；
步驟2：打開第一閥門6，液態CO2由于具有高壓力，因此通過液態CO2輸送管5主動流動到換熱器7的冷卻盤管9，同時，通過第一壓力表4監測液態CO2儲存罐2出口處壓力值，當液態CO2儲存罐2出口處的壓力值低于0.52MPa時，更換液態CO2儲存罐2；
步驟3：流經換熱器7的風流，與冷卻盤管9的液態CO2進行換熱降溫，形成冷卻風流，冷卻風流通過風筒3輸送到采掘工作面，實現采掘工作面降溫；
步驟4：冷卻盤管9內的液態CO2經與風流換熱后發生相變，由液態CO2轉變為氣態CO2，并經氣態CO2排放管8輸送至采空區。
最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的技術人員可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換，而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的范圍。