1、煤矿井下冷暖两用纯水直饮机的开发与应用张华洪摘要：水是生命之源，是健康之本。然而，于矿井生产环境的特殊性，在工作面工作的矿工都是自带水，有工作条件好一点的单位会考虑给员工配桶装水，或是配置一台矿用防爆直饮机。桶装水由于需要买水、等水、扛水，以及在流通过程中又容易被二次污染。而矿用防爆直饮机，也只能提供与环境温度相适用的常温水，这上局限性需要新的产品进行解决。矿用冷暖两用纯水直饮机（以下简称：直饮机）是一款为改善井下工作人员作业条件而发明的饮水设备，该设备可为井下各个作业人员提供理想温度的健康饮水。关键词：矿用饮水机;冷暖两用;反渗透过滤;压缩制热Abstract：Water is the so
2、urce of life and the foundation of health.However，due to theparticularity of the mines production environment，miners working on theworking surface all bring their own water.Units with better workingconditions will consider distributing barrels of water to employees orconfiguring an explosion-proof d
3、irect drinking machine for mines.Bottledwater needs to buy water，wait for water，carry water，and be easilycontaminated during the circulation process.The explosion-proof directdrinking machine for mine can only provide normal temperature water suitablefor the ambient temperature.This limitation needs
4、 new products to solve.Minecold and warm dual-use pure water direct drinking machine（hereinafterreferred to as：direct drinking machine）is a drinking water device invented to improve theworking conditions of underground workers.This device can provide healthydrinking water with ideal temperature for
5、all underground workers.Key words：mine water dispenser;cold and warm dual-use;reverse osmosisfiltration;compression heating1研究方法及步驟1.1 本研究要达到的预期目标直饮机利用矿井水的自然压力（或直接加压）通过预处理、双级反渗透，生产出常温直饮水。将热泵原理应用到系统中使直饮水加热或冷却，满足饮用者的需求。系统采用 PLC 全自动化控制，可实现无人操作、液晶显示，实时监控设备运行状态。1.2 研究的主要内容和重点研发矿用冷暖两用纯水直饮机主要解决以下几方面的问题：改变传
6、统饮水机使用电加热的问题，以确保在井下使用更安全。设备可同时提供冷、暖、常温三种不同温度的直饮水，可以适应井下恶劣的工作环境，并实现设备全自动化运行。解决系统之间的能量交换。1.3 工作原理制水：利用双级反渗透原理。利用矿井水的自然压力，通过适当减压后将矿井水进行初过滤，利用反渗透膜将水进行第一级过滤，产出初级纯水，利用反渗透膜将初级纯水进行第二级过滤，使其成为电导率约为 3us/cm 的常温直饮水，并通过压力桶存储。利用压缩机制冷原理，在蒸发器上套上水套，水套内灌满水，将压力桶的出水管路通过水套，水流经水套内的管路，压缩机通过做功，利用蒸发器的吸热功能将水套内水温降到接近零摄氏度后，流经饮水
7、管的饮用水，也释放热量，温度得到降低提供人员引用。利用压缩机的制热原理，利用四通阀，将制冷时的蒸发器变成冷凝器，同样通过压缩机做功，冷凝器释放热量，水套内的水温度增加，同样流经饮水管的饮用水水温也得到提高，供人员引用。2研究进程和研究工作的实施2.1 初始参数设定设备体积：长 3000mm宽 1200mm高 1350mm;设备制水能力：2200kg/天;设备储水量：40kg/桶;工作电压：660V，1140V 可选;制水水质：电导率5us/cm;制冷出水温度：0;加热出水温度：70;功率：5.5kW;废水排放量：200kg/h。2.2 相关系统的设计直饮机主要是将矿井原水通过二级过滤及反渗透工
8、艺制成可以直接饮用的纯净水，然后再根据生产环境要求，通过制冷压缩机的冷热交换功能，制出符合使用要求的冷（热）水。2.2.1 制水系统制水系统为该提供合格的可直饮水，主要由外壳、水箱、自力式减压阀、各级过滤系统、管路、阀门、压力表等部件组成。整机外壳为不锈钢加工而成，坚固耐用，能够满足各种恶劣的井下环境。水箱为该设备的储水设备，为制备冷、热水提供储备用水。不锈钢自力式减压阀是根据进水压力，通过自身弹簧的张力，达到控制出水水压。该减压阀的特点是，出水压力不受进水压力的影响，保证出水口压力始终稳定。过滤系统，首先水箱内的水依次经过石英砂过滤器、活性炭过滤器、PP 棉过滤器等，除去水中混入的颗粒状杂质
9、及异味，然后再经过两级反渗透系统，将水中的钙、镁离子，有机物等彻底清除，制备出可以直接饮用的常温水。2.2.2 温度交换系统温度交换系统提供冷热交换的能量源，主要由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、转换四通阀、管路等部件组成。压缩机将温度交换系统中的制冷剂 R134a 压缩成为高温高压的液体。冷凝器是将高压高温液体制冷剂，通过散热片与空气冷热交换后，冷却成 3545中温中压液体。膨胀阀是将液体制冷剂在进入蒸发器前节流，通过膨胀阀的液体制冷剂转变为低温低压的气体，实现液-气形式转换。蒸发器作用是使制冷剂在其内部进一步气化，吸收热量，与蒸发器外侧的水套进行能量交换，实现制冷水的功能。转换四通阀是
10、控制温度交换系统冷热功能转换的操作阀，通过它的操作实现制冷与制热的逆转，即由制冷状态改成制热状态。管路采用耐高温，耐低温、耐高压的钢丝芯橡胶软管。可以解决冷热交替时管路的伸缩以及管路保温。2.2.3 电控系统电控系统用于实现直饮机系统的自动化控制，主要由 PLC 控制模块、真空交流接触器、液晶显示器等部分组成的矿用隔爆兼本安型四回路可编程电磁起动器外加附属的温度传感器、压力变送器及符合煤矿安全规程使用的线缆构成。PLC 控制模块是控制系统的核心部件，实现直饮机运行的自动化控制。温度传感器是控制系统温度的感知部件，用于感知温度交换系统中的温度，并将所感受到的系统温度转换成电信号。压力变送器是控制
11、系统的感知部件，用于感知温度交换系统中的压力，并将所感受到的系统压力转换成信号。仪表主要包括高压压力表和低压压力表，用于温度交换系统内高、低压侧压力值的直接观测和读取。真空交流接触器是系统启动的控制开关，用于启动和停止温度交换系统中的压缩机。液晶显示器主要用于显示直饮机的运行工况，使设备运行参数更直观。2.2.4 动力系统由矿用隔爆型三相异步电动机及皮带轮和皮带构成，与压缩机通过皮带相连，给压缩机工作提供动力。矿用冷暖两用纯水直饮机主要解决了传统饮水机使用电加热的问题，在井下使用更安全，同时设备提供冷、暖、常温三种不同温度的直饮水，可以适应井下恶劣的工作环境，并实现设备全自动化运行。2.3 工
12、艺原理下面，结合工艺流程图（图 1）对工艺进行详细说明。2.3.1 制水工艺煤矿井下供水管路的水通过自力式压力调节阀，水压稳定在符合过滤器过滤的压力，经过石英砂过滤器、PP 棉过滤器、活性炭過滤器进入一级反渗透过滤装置，经一级反渗透过滤后，进入二级反渗透过滤装置进行过滤，产出纯净水储存在密闭的压力桶内，可通过系统外置的出水阀直接饮用。或通过内置于蒸发器的套管与温度交换系统发生能量传递，供给冷、暖水阀门，提供给人员饮用。2.3.2 制冷水工艺温度交换系统中的制冷剂通过压缩机压缩为高温高压的液态制冷剂，通过管路送到冷凝器，冷凝器对液态制冷剂散热，成为中温高压的液态制冷剂，液态制冷剂经过膨胀阀节流后
13、进入蒸发器，由于空间增大，压力减小，液态的制冷剂汽化，（从液态到气态是吸热过程），吸收蒸发器周边大量的热量，布置在蒸发器外侧水套中的直饮水的热量被蒸发器吸收，使直饮水温度降低成为冷水，可供给人员饮用。蒸发器内气态的制冷剂由于压缩机吸气作用，通过管路回到压缩机并被再次压缩进入系统循环。2.3.3 制热水工艺在温度交换系统中有一个转换四通阀，通过四通阀的转换，使制冷剂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反，实现了制冷时的冷凝器和蒸发器功能的互换，制冷时的蒸发器此时变成了冷凝器，通过的制冷剂是高温高压的液态，外侧水套中的直饮水实现温度交换，吸收热量，实现对直饮水加热。2.3.4 控制系统启动直饮机系
14、统，四通阀不动作，压缩机开始制冷状态工作，水温降到 10，压缩机停止工作，水温16时，压缩机重新开始制冷工作。启动直饮机系统，控制四通阀通电并动作，压缩机开始制热状态工作，当水温升高到 65，压缩机停止工作，水温45时，压缩机重新开始制暖工作。3设备的优点加工制作的多功能喷粉流水线具有以下优点：安全可靠，有效解决使用传统阻丝加温加热方式带来的诸多不安全因素，消除了漏电，爆管，过烧等危险源，增加了煤矿井下的安全系数。冷暖两用，冬天天冷提供热水，夏天天热提供冷水。制水量大，可满足工作地点 30 人全天的饮水要求。工作方式可灵活转变，制冷过程结束可立即转换到制热模式。系统的互换性能好，无需等待。使用
15、矿井井下工作电压，可方便的布置到任何有电有水的工作地点。通过四联组合可编程启动器的控制，使设备具有操作简单，设备运行信息可直观的显示在显示屏上，运行参数清晰可查。可以使用工作地点各种供水水质制作出符合国家标准的直饮水。4应用推广前景矿用冷暖两用纯水直饮机不同于传统矿用电加热饮水机，解决了传统电加热不安全的问题，提高了井下饮水机的安全性能。矿用冷暖两用纯水直饮机可以根据井下工作面的不同生产环境需要，具备制出冷、常温水和暖、常温水两种工作状态，产品能够长期自动工作于煤矿井下有瓦斯和煤尘爆炸性混合物环境中，根据需要放置于井下峒室、采掘工作面等场所，具有极高的安全性和稳定性。参考文献：1李隆真，贺雪梅，梁金生.QFD 与 TRIZ 原理在饮水机设计中的应用J.价值工程，2015，34（08）：51-52.2朱恩泽，齐胜男，田方琦，陈志强.一种基于单片机的智能饮水机设计J.中国科技信息，2020（02）：45-46.3肖稀，向玉华，胡高峰，李章勇，黄梦莹.基于价值工程饮水系统的分析与评价以三峡大学学生宿舍为例J.价值工程，2012，31（05）：300-301.