矿井避难硐室围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温系统特性研究

矿井避难硐室是保障矿工生命安全的重要设施，面对矿难发生后的恶劣外部环境以及断电状况，传统降温方法都不适用。本课题针对避难硐室温度保障问题，结合热能存储技术，提出了一种适用于矿井避难硐室的围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温方法，解决了避难硐室的温度控制难题。课题在阐明围岩换热机理的基础上，研究了耦合降温系统围岩连续蓄冷及间歇蓄冷特性，并针对不同时期工程要求，提出了快速、节能、方便的分段组合式间歇蓄冷模式。设计了适用于矿井避难硐室的相变降温装置，建立了地下封闭空间包含围岩-热源-相变装置-空气在内的非稳态传热数值计算方法，其中相变座椅还涉及复合边界条件下装置内部材料的相变、导热及自然对流。基于该数值计算方法，揭示了围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温系统传热及控温规律，并对耦合降温系统进行了优化，提出了降温系统的优化运行策略。本课题提出的矿井避难硐室围岩蓄冷-相变蓄热耦合降温方法无需电力支持，系统安全可靠，结构简单，满足了本质安全条件下无源环境中避难硐室内降温要求，这对于缓解矿工的紧张情绪，增加矿工的被救几率具有重要作用，为井下矿工生命安全保障提供了重要的技术支撑。研究成果对于其它封闭地下空间热湿环境控制也有重要的指导意义。 2100433B

在无任何外界支持的情况下，矿井避难硐室应满足96小时额定防护时间内温度不高于35℃的强制要求。常规的制冷降温措施均存在一定的局限性，不能满足煤矿井下紧急避险系统建设的要求，相变降温是目前最具潜力的技术措施。避难硐室相变降温目前处于工程尝试阶段，尚缺系统的理论研究。课题拟采用理论分析、数值计算与实验研究相结合的方法，进行矿井避难硐室相变降温的基础研究。具体包括：避难硐室高温环境形成过程的三维非稳态传热数值模拟与实验验证；围岩的间歇蓄冷机理及其对避难硐室热环境的影响；复杂边界下内部非均质复合材料相变单元的传热特性分析，并在此基础上研究相变装置的蓄热特性；避难硐室围岩-人体-相变装置-室内空气的三维非稳态传热数值模拟与实验研究；相变降温装置与蓄冷围岩的优化配置。研究成果可为解决矿井避难硐室降温技术难题，实现易维护、低成本、无危害的有效降温提供理论基础和技术支撑。

现阶段相变储能材料的研究困难主要表现以下三方面:

(1) 相变储能材料的耐久性, 这个问题主要分为三类。首先, 相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化。其次, 相变储能材料在长期循环使用过程中会出现渗漏和挥发的现象, 表现为在材料表面结霜。另外, 相变材料对基体材料的作用, 相变材料相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏，同时它也会对附属设备会产生一定程度的腐蚀作用。

(2) 相变储能材料的经济性问题, 是制约其推广应用的障碍, 表现为各种相变储能材料及相变储能复合材料价格较高, 导致单位热能的储存费用上升, 失去了与其他储热方法的比较优势。

(3) 相变储能材料的储能性能问题, 对于相变储能复合材料,为使储能体更加小巧和轻便, 要求相变储能复合材料具有更高的储能性能。的相变储能复 合材料的储能密度普遍小于120J/g, 并且其导热性能普遍较差。有学者预测, 通过增加相变物质在复合材料中的含量和选择相变焓更高的相变物质, 在未来数年内, 将有可能将相变储能复合材料的储能密度提高到150～200J/g。

本标准适用于采用蓄冷剂制成的蓄冷型消防员降温背心。

制冷剂气体水合物具有独特的相变性能，可实现能量储存与合理利用，是新一代蓄冷工质，具有良好发展前景。针对目前制冷剂和水的相容性差、界面水合反应速率慢、传热传质效率低、两相混合能耗高的难题，该项目提出一种新型的纳米制冷剂水合物相变蓄冷材料，即利用复配添加剂的特殊增溶作用提高制冷剂和水的两相相容性，使制冷剂以纳米尺度分散于水相中，形成热力学稳定的微乳液相变蓄冷材料。研究内容包括微乳液相变蓄冷材料的制备、表面活性添加剂的筛选及复配、纳米制冷剂微乳液的界面性质、制冷剂水合物晶体成核与生长特性、水合反应动力学影响因素及强化机制、纳米制冷剂水合物热物性分析测试、水合反应过程热力学特性等。目的是认识微乳液中烃类水合物生成机理，优化纳米制冷剂水合物蓄冷材料性能，促进制冷剂水合物均匀快速生成，提高制冷剂水合物的蓄冷效率。研究成果有助于推动制冷剂气体水合物、微乳液反应、溶液结晶等领域的科学理论和应用技术的发展。