煤矿井下防爆变频器空调系统设计及实验研究

机械管理开发

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＡＮＤＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴＴｏｔａｌ１９０Ｎｏ．２，２０１９

ＤＯＩ：１０．１６５２５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１４－１１３４／ｔｈ．２０１９．０２．０１３

煤矿井下防爆变频器空调系统设计及实验研究

刘卫东

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西

兴县０３３６０２）

摘要：在介绍变频器空调工作原理的基础上，整体设计了空调系统结构，选型计算了变频器空调重要组件，

并利用实验设备做了模拟实验。实验表明防爆变频器空调设计可行，较好地解决了温度和湿度问题，能够满足井下工作要求。

关键词：变频器空调系统湿度温度

中图分类号：ＴＤ６１１

文献标识码：Ａ

引言

隔爆变频器［１］被密封在箱体内部，机械运转产

生的热量积聚在狭小空间容积里面，热量散发性较慢，促使箱体内部温度升高，进而造成机械器件因高温破损，若温度过高就会发生安全事故，另外因箱体散热性不足，防爆性能丧失。箱体内外有显著的温差，必然就有水蒸气的凝结，从而造成电路和电气设备遇水发生短路、漏电、损坏等问题。因此井下设备控制温度和除湿迫在眉睫，本文的防爆变频器空调系统正是为解决该问题而设计研究的。1变频器空调散热工作原理

隔爆变频器空调工作流程主要由三大系统完成，温度耦合的控制系统、冷却除湿系统和循环空气系统。压缩机、冷凝器、蒸发器等部件组成了空调系统［２］。其原理是气体制冷剂变成高温高压气态被压缩机输送至冷凝器，该气态成分在冷凝器作用下，变换成高温高压的液态，在经过节流阀降温减压作用后，液态达到了低温低压的饱和状，这种状态下的液体就会吸收蒸发器中的热量，促使蒸发器温度降低，那么空气穿过蒸发器温度自然就降低了许多，这就是该变频器空调散热的工作原理。2变频器空调结构设计

隔爆变频器空调结构设计理念是模块化，连接方式是以法兰式，设计的隔爆变频器空调具有结构紧凑、安装方便、使用安全、维修简单等优点。采用防爆箱体结构，通用元件被保护在躯体内部，空调的散热结构悬挂于箱体两侧。在设计时，充分考虑井下空间狭小工作环境，不仅整个结构设计紧凑，而且还具有耐煤岩层压力、防爆破、瓦斯爆炸等方面的性能。防爆变频器结构简图如图１所示。

收稿日期：２０１８－０９－１８

作者简介：刘卫东（１９８９—），男，毕业于山西煤炭职业技术学院矿山机电专业，现从事煤矿井下机电设备的维护保养检修等工作。

文章编号：1003-773X（2019）02-0029-03

１２

２

３

７

１

５６

１１

４

１０

９

８

温度传感器湿度传感器

１—制冷机；

２—冷凝器；３—节流机；４—蒸发器；５—电机；６—进风通道；７—变频模块；８—散热模块；９—回风通道；

１０—检修盖；１１—节流调节机；１２—变频机

图１变频器空调结构简图

隔爆变频器空调结构主要由制冷机、冷凝器、电

机、蒸发器、节流器、通道、模块、箱体、变频机、液压缸、连接管路等元件组成。使用的箱体、管路、连接件材料都具有防爆性能，而且在条件极为恶劣下，其防爆性能依然能起作用。在设计矿用防爆变频器空调结构时，还考虑到各种结合面、结合面宽度、火焰通道长度以及零件的允许最大限差［３－４］。防爆变频器结合面类型及要求详见表１。

表１防爆变频器结合面类型及相应尺寸

结合面种类

宽度范围／ｍｍ允许最大限差／ｍｍ

平面结合面６．４２￣１２．０６０．３止口结合面１２．５￣２５．５００．５操中杆、轴承结合面１２．５６￣２５．００．４滑动轴承结合面０￣２５．５００．６滚动轴承结合面

１２．５０￣２５．０

０．４５

3变频器空调重要组件选型３．１压缩机选型变频器空调系统的核心部件是压缩机，制冷完

·３０·

ｊｘｇｌｋｆｂｊｂ＠１２６．ｃｏｍ

机械管理开发

第３４卷

成要靠压缩机实现。变频器空调系统制冷的好坏关键看压缩机的性能，合理的选择压缩机对于变频器空调来说具有重大的意义。通过制冷循环量的理论计算和理论排气量计算，本次设计选用的压缩机为封闭式涡旋式，该款压缩机比普通压缩机在效率、结构方面、耗电量、使用寿命等方面具有不可比拟的优势。

制冷剂循环量：

Qｍ＝Q０／qｍ．

（１）式中：Qｍ为制冷剂循环空气质量流量，ｋｇ／ｓ；Q０单位时间内压缩制冷空气需要能量，取２９．５ｋＪ／ｓ；qｍ为单位质量制冷需要能量，取２３５．７ｋＪ／ｋｇ。

代入数据计算得Qｍ＝０．１２５ｋｇ／ｓ＝４５０．５ｋｇ／ｈ。理论排气量：

Qｍ＝η·ｖVｔｈ／vｓｕｃ．

（２）式中：Vｔｈ容气量，

ｍ３／ｓ；ηｖ为效率，０．８５；vｓｕｃ为气体比容，０．０４１４ｍ３／ｋｇ。

代入数据计算得Vｔｈ＝０．００６１ｍ３／ｓ＝２１．９ｍ３／ｈ。通过计算及查阅文献，本次选择ＤａｎｆｏｓｓＳＭ１００Ｓ４ＶＣ型压缩机，其制冷量为２３．１ｋＷ，额定功率为６．９ｋＷ。

３．２冷凝器和蒸发器选型变频器空调系统另外两大组件便是冷凝器和蒸发器，制冷装置缺失这两部件，空调就会失去调节功能。这两组件性能主要体现在传热效果，变频器空调的经济性主要靠传热效果体现。换热器设计为空冷套片管式，箱外的空气被冷凝，冷凝器中有过热蒸发、过冷和饱和相交三区，冷凝机通过这三区，实现制冷。最为直接的制冷元件便是蒸发器了，蒸发器依靠内部制冷剂作用吸收热量，进而降低空气温度。为了计算蒸发器和冷凝器散热面积，运用公式（３）计算：

A＝Q／q.

（３）式中：A为散热面积，ｍ２；Q为热量，ｋＷ；q为热流密度，ｋＷ／ｍ２，可由式（４）计算．

q＝αｋｏ／θｏ．

（４）式中：αｋｏ为散热系数，

Ｗ／（ｍ２·Ｋ）；θｏ为换热温差，℃。经计算，得到了冷凝器和蒸发器的技术参数，见表２所示。

表２冷凝器和蒸发器的技术参数

设备名称热量／ｋＷ热流密度（／ｋＷ·ｍ－２）散热面积／ｍ２

冷凝器

２８．４２８８９８蒸发器

２２．２

３２４

６７

4变频器空调在实验室模拟研究

４．１实验设备实验模拟变频器空调运行效果，防爆变频器的箱体采用长为２４００ｍｍ，宽为１３００ｍｍ，高为１４５０

ｍｍ的立体结构，该箱体材质主要是薄铁皮和保温板合制而成。根据防爆变频器空调内部真实构造，模拟时防爆变频器结构通过仿真实际电气布置系统，模拟时的结构简图如图２所示。

整流单元实验测点通风口管ＩＧＢＴ模块晶闸回风口送风口图２防爆变频器模拟示意图

防爆变频器空调元件，实验根据重要蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀等部件自主研发。采用法兰组合式连接方式，把隔爆变频器和空调机组件整合成一个整装机制。在实验室创造煤矿井下一致的条件，模拟测试隔爆变频器在该环境条件下工作状况，观察空调系统能否达到设计和预估的制冷和除湿效果。实验设备组装综合图如图３所示。

图３实验整组设备图

４．２实验结果分析４．２．１降温实验为了模拟煤矿井下温度条件，在实验室把环境温度控制８￣９℃进行。通过整流模块、晶闸管单元和ＩＧＢＴ模块一起在供电情况加热，加热主要是模拟变频器空调在正常工作时所损耗的热量，当温度上升到２８℃后，为模拟真实性，还需持续供电加热，一定程度后，开始打开空调系统进行制冷降温。

下页图４所示变化曲线是实验室模拟绘制的空调在降温时温度随时间而变化的曲线图。根据空调系统在制冷过程温度变化曲线，在开机３ｍｉｎ内，各个模块温度均是呈上升趋势，随后呈下降趋势，差不多在Ｂ点时，温度基本不再随时间推移有大的变化。原因主要是ＩＧＢＴ单元是小体积，在局部某种程度上会瞬间爆发高温度，再加上温度传感有延迟性，也会造成温度曲线上升，在一定时间后才下降逐渐平

２０１９年第２期刘卫东：煤矿井下防爆变频器空调系统设计及实验研究·３１·

６０５０温度／℃ＳｕｐｐｌｙＡｉｒ

Ｂ

Ｃ

ＲｅｃｔｉｆｉｅｒＭｏｄｕｌｅｓ

Ｃｈａｍｂｅｒ

ＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅ①ＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅ②ＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅ③ＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅ④

９０８０７０相对湿度／％ｄ

ＲｅｃｔｉｆｉｅｒＭｏｄｕｌｅｓＣｈａｍｂｅｒ

４０３０２０１００

ＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅｓＣｈａｍｂｅｒ

ｅ

ｆ

６０５０４０３０２０１０００

１

ＩＧＢＴＭｏｄｕｌｅ⑤

－１０

０１３５７９１１１５１９２３２７３１３５３９４３４７５１５５５９

时间／ｍｉｎ

ＲｅｔｕｒｎＡｉｒ

图４降温过程中温度随时间变化曲线图

３５７９１１１５１９２３２７３１３５３９４３４７５１５５５９

时间／ｍｉｎ

变频器空调制冷时，温度波动比一般稳。综合来看，

的空调制冷小，各点温度都下降到设计值以下，能够满足煤矿井下使用要求。４．２．２除湿实验因实验室跟大气环境一致，为了增加真实性，在防爆箱中添加了加湿器，加湿器用来模拟井下湿度环境。模拟实验同时打开加湿器、变频器空调、发热模块等器具，在温度从十几摄氏度上升到２６℃，湿度为７０％￣１００％时，整个系统加湿停止运行，但加热模块继续加热，并打开空调系统进行制冷。

从图５可以得知，空调运行后，刚开始湿度迅速上升，在０．５￣１．５ｍｉｎ内，相对湿度快速下降，运行到３ｍｉｎ后，两条相对湿度曲线均低于４０％。在空调运作到约为３７ｍｉｎ后，整个相对湿度是一种平稳曲线。说明箱体结构体积小，整个绝对湿气量较少，空调开启除湿，这也有助于避免水蒸气遇冷凝结。整个系统稳定时，相对湿度控制在了变频器正常工作的湿度指标范围。5结论

通过对防爆变频器空调系统的研究，主要得出以下结论：

图５湿度随时间变化曲线图

１）结构设计合理。采用模块式和法兰式连接，不仅满足了井下狭小空间要求，还具有防爆性能，从硬件上保障了空调系统的安全性、普适性。

２）组件选型得当。利用多学科领域知识，计算了空调核心的压缩机、冷凝器和蒸发器三大组件，选择的参数合理，匹配效果好。

３）实验结果理想，实现了预期值。在实验室创造煤矿井下基本相同的环境，实验发现，变频器空调不仅在温度控制上达到了预期效果，而且还在湿度上很好的控制了空气湿度。说明变频器空调能够保证井下工作环境需要，设计可行。

参考文献

［１］

杜大勇．防爆变频器在煤矿生产中的应用［Ｊ］．矿山机械，

２００５，３３（９）：１３２．［２］

路延魁．空气调节设计手册：第２版［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１３．

［３］高建良，张学博．潮湿巷道风流温度与湿度变化规律分析［Ｊ］．中

国安全科学学报，２００７，１７（４）：１３６－１３９．［４］

吴怀亮．隔爆水冷变频器热交换及温差控制机理研究［Ｄ］．太原：太原理工大学，２０１１．

（编辑：王海绛）

DesignandExperimentalStudyonAirConditioningSystemof

Explosion-proofFrequencyConverterinCoalMine

LiuWeidong

（XiegouCoalMineofXishanJinxingEnergyCo.,Ltd.,XingCountyShanxi033602）

Abstract:Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｗｉｔｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｏｆａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｓａｗｈｏｌｅ，ｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｗｉｔｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｄｏｎｅｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙａｎｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋ．Keywords:ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｈｕｍｉｄｉｔｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ