空气源热泵式井口防冻设备的核心工作原理是 “从空气中提取免费热量,并通过能量转化与传递,为井口区域持续供热”—— 它并非像电加热那样直接消耗电能产热,而是以少量电能驱动压缩机,将空气中的低品位热能(即使 - 30℃低温环境中,空气中仍含有可利用的热量)转化为高品位热能,再通过换热系统传递到井口,维持井筒、井口设备及周围环境温度在冰点以上(通常≥2℃),避免结冰影响矿山生产安全。
其工作过程可分为 “热量提取→能量升级→热量释放→介质循环”4 个核心环节 ,同时针对矿区高寒、高湿的特殊环境,增加了 “超低温适配” 和 “智能控温” 设计,具体原理如下:
空气源热泵的核心是制冷剂循环系统(由蒸发器、压缩机、冷凝器、节流阀 4 大部件组成),通过制冷剂(如 R410A、R32 等低温适配型制冷剂)的 “气态 - 液态” 相变,实现热量的转移与升级,具体步骤:
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第一步:蒸发器提取空气中的热量(吸热)
风机将外界空气(即使 - 35℃低温空气)吸入设备的蒸发器(蒸发器表面有密集的翅片,增大与空气的接触面积)。此时,蒸发器内部的低温低压液态制冷剂,会与空气进行热交换 —— 吸收空气中的热量后,制冷剂蒸发为
低温低压气态,而空气因放热温度降低(部分水分可能凝结成霜,后续会通过除霜系统处理)。
关键:即使低温环境,空气中仍有可利用的热量,蒸发器的核心作用是 “捕捉” 这些热量,为后续能量升级做准备。
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第二步:压缩机对制冷剂能量升级(增压升温)
低温低压的气态制冷剂被吸入压缩机,压缩机以少量电能为动力(这是设备主要的电能消耗环节),对制冷剂进行
压缩做功—— 气态制冷剂被压缩成 “高温高压气态”(温度可达 80-120℃),实现 “低品位热量→高品位热量” 的升级。
关键:这一步是 “能量放大” 的核心,通常 1 份电能可驱动压缩机从空气中提取 2-3 份热量,因此设备的能效比(COP)普遍在 2.5-3.0(即消耗 1 度电,能产生 2.5-3 度电的热量),远高于电加热(COP=1.0)。
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第三步:冷凝器向井口释放热量(放热)
高温高压的气态制冷剂进入冷凝器(与井口供热系统的换热介质接触,如循环水、空气),通过热交换将热量释放给换热介质 —— 制冷剂因放热冷凝成 “高温高压液态”,而换热介质(如循环水)被加热至 40-60℃。
* 关键:冷凝器是 “热量传递到井口” 的桥梁,根据井口防冻需求,换热介质的热量会通过两种方式作用于井口:
- 若为 “井筒盘管加热”:加热后的循环水通过预埋在井筒壁的盘管流动,直接为井筒保温,防止井壁结冰;
- 若为 “井口热风供暖”:加热后的循环水通过换热器加热空气,再由风机将热风输送到井口平台、绞车房等区域,维持环境温度。*
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第四步:节流阀降压,制冷剂循环复用(节流)
高温高压的液态制冷剂经过节流阀(毛细管或电子膨胀阀),压力骤降为 “低温低压液态”,重新流回蒸发器,开始下一轮循环。
关键:节流阀的作用是让制冷剂恢复到初始的低温低压状态,确保循环可持续进行,实现连续供热。
井口防冻设备需应对 - 30℃以下的高寒环境和高湿空气,普通空气源热泵在低温下易出现 “制热量不足、蒸发器结霜堵塞” 问题,因此该设备增加了 3 项核心适配技术:
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喷气增焓技术:低温下补热提效
在压缩机上增加 “喷气增焓口”,当环境温度低于 - 15℃时,系统会将一部分经过中间冷却的制冷剂(气态)喷入压缩机,补充压缩过程中的热量损失,同时提高压缩机的排气温度和制热量 —— 可使设备在 - 35℃时仍能保持 80% 以上的额定制热量,避免低温下供热不足。
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智能除霜系统:防止蒸发器结霜影响换热
矿区空气湿度高(井下乏风排出后湿度常达 85%+),蒸发器表面易结霜,导致空气流通受阻、换热效率下降。设备通过 “温度 + 湿度双传感器” 实时监测蒸发器状态,当霜层厚度达到阈值时,自动启动除霜模式:
- 短期结霜:切换制冷剂流向,用高温高压的制冷剂直接加热蒸发器,快速融霜(10-15 分钟完成);
- 长期严寒:启动电辅热(仅在除霜时短暂使用,避免能耗过高),辅助融霜,确保除霜后设备立即恢复正常供热。
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耐腐蚀与防爆设计:适配矿区环境
设备外壳采用 Q235B 防腐钢材,内部电气部件(如风机、压缩机电机)具备 IP54 防护等级,可耐受矿区高湿、粉尘及少量硫化物腐蚀;若用于高瓦斯矿区,部分关键部件还会做 Ex d I 级隔爆处理,避免电气火花引发安全风险。
经过上述循环产生的热量,最终通过 “针对性的换热系统” 作用于井口防冻关键部位,常见应用形式:
- 井筒防冻:加热后的循环水通过井筒外壁的螺旋盘管或内置换热管流动,直接将热量传递给井壁,维持井壁温度≥5℃,防止井壁结冰脱落(结冰可能堵塞井筒、损坏提升设备);
- 井口平台供暖:通过空气换热器将热水热量转化为热风,由风道输送到井口操作台、绞车房、信号室等区域,维持环境温度≥10℃,保障矿工操作安全和设备正常运行;
- 井口管道伴热:针对井口的供水管、液压管等易冻管道,采用伴热电缆(与热泵系统联动)或缠绕式换热带,将管道温度维持在 2℃以上,防止管道冻裂。
空气源热泵式井口防冻设备的本质是 “热量搬运工”—— 以 1 份电能驱动,从空气中搬运 2-3 份免费热量,最终实现 3-4 份热量的供热效果,既解决了井口防冻的核心需求,又比传统电加热节能 50%-60%、比燃煤热风炉更环保(零排放)。其针对矿区的 “超低温适配” 和 “精准换热” 设计,是确保设备在极端环境下稳定运行的关键,也是当前 “双碳” 政策下矿区井口防冻的主流技术方向之一。