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全日制硕士学位论文 深矿井热环境下人体降温机理及空调方法研究深矿井热环境下人体降温机理及空调方法研究 Cooing mechanism of body and air conditioning in mine thermal environment 学生类别 学术型研究生 申请人姓名 郑海坤 指导老师 盛伟 副教授 专业名称 流体机械及工程 研究方向 流场计算与测试技术 河南理工大学机械与动力工程学院河南理工大学机械与动力工程学院 二二 O 一四一四年年 中图分类号中图分类号TH137 密密 级公开级公开 UDC626 单位代码单位代码10460 深矿井热环境下人体降温机理及空调深矿井热环境下人体降温机理及空调 方法研究方法研究 Cooing mechanism of body and air conditioning in mine thermal environment 申请人姓名申请人姓名 郑海坤郑海坤 申请学位申请学位 工工 学学 硕硕 士士 学科专业学科专业 流体流体机械机械及及工程工程 研究方向研究方向 流体流体计算与测试技术计算与测试技术 导导 师师 盛伟盛伟 职职 称称 副副教授教授 提交日期提交日期 2014.04 答辩日期答辩日期 2014.06 河南理工大河南理工大学学 河 南 理 工 大河 南 理 工 大 学学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文深矿井热环境下人体降温机理及空调方 法研究是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了 特别加以标注和致谢的地方外， 不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写 过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的 声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 致致 谢谢 在论文完成之际， 我首先要感谢我的导师盛伟老师。 回首三年来的点点滴滴， 真的庆幸自己选择了一个人生的导师。盛老师不仅是学术上的启明灯，也是我生 活中的榜样。我记得刚入学的 2011 年 10 月第一次跟盛老师去山西做救生舱的项 目，那时候的我对专业知识知之甚少，盛老师从最基本的压缩机教起，到后来的 冰箱、空调机的维修；记得第一次写学术论文时，盛老师不厌其烦的逐字逐句的 做批注，一一指出其中的问题，每篇前后经历了多次修改，三年来专业知识收获 很多。不仅在学术上，生活中盛老师乐观积极的心态也深深的感染着我。每当生 活、论文写作中遇到难题时，盛老师总会积极鼓励我们。盛老师您是我终身学习 的榜样，您的教诲终身受益。 感谢机械学院能源与动力工程系的陈俊杰老师、张安超老师、宋军老师等老 师们在论文完成过程中所给予的指导。感谢所有的热能教研室的教师，从本科学 习一直到研究生学习过程中对我的教诲。感谢我的师弟李飞、李伟钊，师妹刘桂 信、室友谢贺超在实验中的帮助，同时感谢我的同学、老师们为我提供的便利学 习科研环境。 感谢远在老家的父母及在外地工作的哥哥姐姐，在我求学过程中所给予我的 精神和物质上的支持；也感谢我的女朋友在背后的大力支持和默默奉献，每当我 消极时，总会鼓励支持我。感谢所有亲戚朋友们的帮助，你们是我不断前进的精 神动力。 I 摘摘 要要 随着矿产资源的不断开发，矿井的深度开采成为必然趋势。热害已经成为危 害矿井安全生产的重大灾害之一。传统的矿井热害治理方法存在初投资大、运行 费用高、在运行过程中有噪声污染和制冷效果不良，且随着工作面的改变，制冷 设备移动、安装非常困难及安全隐患等问题。同时，作为高温下个体防护设备的 降温服正逐渐兴起。在开阔空间、大环境及一些特殊场合，降温服具有不可比拟 的优势。基于以上分析，本课题对降温服在矿井热环境下应用性进行了相关探索， 希望能对矿井热害的治理提供有益参考。 本文主要研究内容和结论有以下四点 1.针对当前矿井热害治理存在问题，提出应用于矿井热害治理的气冷服个体 防护方法。本文在总结当前降温服的应用现状的基础上，对其在矿井热环境中的 应用可行性进行分析。 2.基于生物热力学、生物传热学原理，分析热环境下人体微气候降温机理。 结合微气候人体降温机理分析，进行针对高温热环境下的气冷服结构设计，确定 气冷服的使用形式。并研究了气冷服在矿井热环境下的应用方案，对该方案进行 了分析。 3.对所设计的气冷服进行传热分析。结合人体降温机理，建立了气冷服传热 数学模型。分析了影响气冷服降温性能的影响因素，并进行了数值模拟分析，分 析结果表明 （1）制冷量随着进气流量的增大而增大，但气流不宜过大。在保证 散热量满足需求同时，须保证防护服的正压力控制在一定范围之内。 （2）进气温 度、湿度越低，冷却服的制冷量越大，但不宜过低；通风气流的湿度对降温服降 温效果影响比温度影响更显著。 （3）外层衣服热阻越小，人体散热速率越快。 （4） 环境温度越高，衣服的内外层温度越大，且内层温度增长速率要高于外层服装温 度的增长速率。 4.搭建了气冷降温的性能测试实验台，实验研究了所设计的气冷降温服的制 冷性能，分析了进气压力、冷阀开度、进气温度等对降温性能的影响。实验结果 表明 （1）涡流管的冷端出口温度随着压力的增大越来越低，其制冷效应越来越 好； 而气冷服的降温性能随着进气压力的增大， 人体微气候区的温度也越来越低， 但进气压力不宜过大，必须控制在一定范围之内。 （2）涡流管的旋钮开度在所有 II 涡流管气冷服的降温性能影响因素中起着关键作用，其开度大小直接影响着其降 温性能。旋钮开度存在着最佳位置，开度过小或过大都会损坏其降温性能，因此 在使用时应注意必须使旋钮开度在最佳位置附近。 （3）温度对气冷服的降温性能 有一定的影响。但由于在实际工况下气源来自周围环境空气，特别是在矿井热环 境下气体温度较高，本实验主要是为了验证降温服在高温环境下的适应性。实验 结果表明在 35℃的高温空气下，气冷服仍能维持微气候区温度在舒适的范围之 内。 关键词关键词矿井热害；降温服；微气候；降温机理；涡流管 III Abstract With the continuous mining of mineral resources, the depth exploitation of mine becomes an inevitable trend. Thermal pollution is one of the major hazards endangering in mine safety. There are several problems in the traditional mine hot in management s the high cost of initial investment and operation ,in the process of running has noise pollution and refrigeration effect is bad, with the change of working face, mobile refrigeration equipment and installation is very difficult, and hidden safe trouble and so on. At the same time as the individual protective equipment, cooling high temperature service is gradually rising. In the open space, environment and some special occasions, air cooled suit has incomparable advantages. Based on the above analysis, this paper has carried on the related exploration on the cool suit applied in mine thermal environment, hope to provide a beneficial reference for the control of mine heat harm. The content of this article contains the following four aspects 1. This test proposed air cooled suit individual protection and the way aimed at the current problems of management in mine heat harm. Based on the summary of the current application status of cool suits, this paper analys es the possibility of application in the mine in thermal environment. 2. Analysis the cooling mechanism of the human micro climate drop in thermal environment, based on the biological thermodynamics, heat transfer principle. Combined with the micro climate of body cooling mechanism analysis, designing air cooled clothing structure in the high temperature thermal environment, determining the use of air-cooled clothing .And analyzed the application solutions under mine thermal environment. 3. Combined with the body cooling mechanism, analysis the heat transfer, established the mathematical model of heat transfer of air cooling garment. Analysis of the impact of air cooling garment factor affecting the cooling perance and numerical simulation , results show that 1 Cooling capacity increases with the increase of ventilation air flow, but the flow should not too large. In guarantee heat IV dissipating capacity to meet demand, to ensure that the positive pressure protective clothing in a certain range. 2 The lower the Intake air temperature , humidity, the larger the cooling capacity of clothing is, but should not be too low; Ventilation air flow humidity to cool suit effects are more significant than temperature. 3 The smaller the outer clothing thermal resistance is, the faster the cooling rate. 4 The higher environment temperature, the temperature of inner and outer layer of clothes are higher, and the growth rate of inner temperature is greater than the outer garment. 4. An air-cooled suits experimental system for test the perance of air-cooled suits was designed and established. Effects of the inlet air pressure, valve opening, inlet temperature on the cooling perance are analyzed. The experimental results show that 1 The cold end of the vortex tube outlet temperature is lower and lower with the increase of pressure, the cooling effect is more and more good; And cooling perance of air cooled uni with the increase of inlet pressure, the human body micro climate zone is becoming more and more low temperature, but the inlet pressure should not be too big, must be controlled within a certain range. 2 the control of the vortex tube opening in all of the vortex tube cooling air cooled clothing plays a key role in the perance impact factors, the opening size directly influences the cooling perance. Knob opening has the best position, through small or metropolitan damage to its cooling perance, therefore must make knob should be paid attention to when using the opening near the best position. In this experiment can observe the knob opening in the best position in during 3 4 K. 3 Temperature on the air-cooled cooling perance has a certain impact. But due to the intake from ambient atmosphere, especially under the mine thermal environment, the gas temperature is higher, this experiment is mainly to verify cool suit under the environment of high temperature adaptability. The experimental results show that under 35 ℃ high temperature air, air cooled suit can still maintain a micro climate zone in a comfortable temperature range. Key words heat hazard in mine; cooling suits; microclimate; cooling mechanism; vortex tube V 目目 录录 摘摘 要要 .............................................................................................................................. I I ABSTRACTABSTRACT .................................................................................................................... IIIIII 目目 录录 .............................................................................................................................. V V 1 1 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1 1.1 背景及意义 ....................................................... 1 1.2 矿井降温现状 ..................................................... 3 1.3 当前存在的问题 ................................................... 4 1.4 研究内容及创新点 ................................................. 5 1.4.1 研究内容 ................................................................. 5 1.4.2 创新点 ................................................................... 6 1.5 技术路线 ......................................................... 6 2 2 微气候人体降温机理微气候人体降温机理 .................................................................................................. 9 9 2.1 人体温度调节系统 ................................................. 9 2.2 人体产热原理 .................................................... 10 2.3 高温环境影响因素分析 ............................................ 11 2.4 人体散热分析 .................................................... 13 2.5 人体微气候区降温机理 ............................................ 15 2.5.1 人体热平衡 .............................................................. 16 2.5.2 微气候区降温原理 ........................................................ 17 2.6 本章小结 ........................................................ 18 3 3 矿用气冷服研究矿用气冷服研究 ........................................................................................................ 1919 3.1 降温服研究综述 .................................................. 19 3.1.1 降温服的分类 ............................................................ 19 3.1.2 降温服国内研究现状 ...................................................... 20 3.1.3 降温服国外研究现状 ...................................................... 23 3.2 人体降温服在矿井热环境中应用分析 ................................ 27 3.3 气冷服降温原理 .................................................. 28 3.4 矿用气冷服的应用标准要求 ........................................ 30 VI 3.5 矿用气冷服应用方案分析 .......................................... 30 3.6 矿用气冷服结构研究 .............................................. 31 3.7 本章小结 ........................................................ 36 4 4 气冷服传热气冷服传热分析分析 ...................................................................................................... 3737 4.1 气冷服结构 ...................................................... 37 4.2 气冷服传热过程分析 .............................................. 38 4.2.1 假设条件 ............................................................... 38 4.2.2 传热过程分析 ........................................................... 38 4.3 传热模型建立 .................................................... 39 4.4 传热分析 ........................................................ 41 4.4.1 气冷服制冷量分析 ....................................................... 41 4.4.2 外层服装传热影响分析 ................................................... 43 4.5 本章小结 ........................................................ 44 5 5 气冷服气冷服制冷制冷性能实验研究性能实验研究 ...................................................................................... 4545 5.1 实验系统设计 .................................................... 45 5.1.1 实验目的 ................................................................ 45 5.1.2 实验原理 ................................................................ 45 5.1.3 实验系统组成 ............................................................ 48 5.2 实验结果分析 .................................................... 54 5.2.1 进气压力对制冷性能影响 .................................................. 55 5.2.2 冷气流率对制冷性能影响 .................................................. 59 5.2.3 进气温度对制冷性能影响 .................................................. 62 5.3 本章小结 ........................................................ 64 6 6 结论与展望结论与展望 .............................................................................................................. 6565 6.1 结论 ............................................................ 65 6.2 展望 ............................................................ 65 参考文献参考文献 ...................................................................................................................... 6969 作者简介作者简介 ...................................................................................................................... 7373 1 绪论 1 1 绪论 随着人类社会的快速发展和生活水平的提高，人类活动空间的不断扩大，生 产范围的不断扩张，人类面临着越来越复杂的环境空间。科技的发展极大的推动 着人类的进步，宇宙航天员太空行走所面临的高辐射、高温环境越来越普遍，高 温环境作业几乎遍布于国民生产的各个行业，各种高温危害导致的职业伤害报道 日益增多，加强人体的高温防护，成为当前急需关注解决的重要问题。 高温环境影响人类的认知和反应能力，降低工作效率，严重者甚至危害人体 健康 [1-3]。随着社会的发展，人们对舒适性的要求越来越高，在高温环境下必须实 施安全防护。对于高温治理人们通常采用改变周围环境温度的方法，如矿井通风 降温、夏季办公室或车间用空调降温等，但传统方法成本过高；且传统方法应用 场合有限，特别是一些露天场所，如航天行走、雨林穿梭、交警、基建等，此时 必须进行个体防护。 随着科技的发展，自 20 世纪 60 年代第一件液冷服问世以来，原本应用于航 天领域的个体防护设备降温服装逐渐逐步由航空航天、军事领域向航海、野战、 生化、消防、交通、冶金等领域推广开来 [4-5]。降温服是一种功能服装，它在人体 周围构造一个微气候区，与周围的高、低温环境相隔绝，通过对微气候区的热量 进行调节，来达到人体热平衡。 近年来，随着社会经济的快速发展，人类对矿产资源的需求量越来越大，开 采深度越来越深，资料显示我国有三分之一的矿山将进入深度开采阶段，深度开 采的技术难点主要集中在三个方面 [6]深部地压（岩爆）预测与控制技术、井下 热害控制技术及强化开采技术集成。井下矿井热害控制技术已经成为制约矿井深 度开采的瓶颈之一。 鉴于降温服巨大的应用潜力，结合当前深矿井热害的治理现状，课题致力于 对当前降温服在矿井热环境下的应用进行分析，及其应用方案的设计和其实际降 温效果的实验研究，希望研究结论能够为现有的矿井热环境个体防护研究提供一 定的参考价值。 1.1 背景及意义 随着我国经济的迅速发展，煤炭作为我国能源支柱，其开采量大幅增加。国 家能源局资料 [7]显示2010 年我国的原煤产量 32.4 亿吨，是 2005 年的 1.4 倍。 河南理工大学硕士学位论文 2 煤矿的深度开采成为必然趋势，但也带来了一些问题，其中矿井热害治理成为深 矿井煤矿亟待解决的重要难题。矿井热害 [8]是指矿井下的温度和湿度超过一定限 度时，影响井下作业的正常进行和矿工身体健康的现象。 造成矿井热害的原因主要有以下几点井巷围岩放热、机电设备放热、运输 中煤炭及矸石放热、热水放热等。 0 1000 2000 3000 4000 金矿 铁矿 煤矿煤矿 煤矿 煤矿 煤矿煤矿 1400 1200 1100 1125 1200 1550 2400 金矿3800 德国中国俄罗斯日本 波兰印度 南非英国 深度/m 图图 1-1 世界各国矿井开采深度分布世界各国矿井开采深度分布 Fig.1-1 Depth distribution of mine mining around the world 矿井高温环境给人类带来严重的危害，高温环境引起人体的主要生理反应是 大量出汗、增加心脏负荷和人体对环境应激的耐力降低。高温对人体的上述作用 随着热负荷的加重和热应激的延长，通常经历代偿、耐受和病理损伤三个阶段 [9]。 当人体刚进入高温环境， 对流和辐射散热受到抑制， 人体的热平衡开始受到破坏， 体内热含量增加。此时，为了增加散热，体温调节中枢发挥调节作用。一方面通 过扩张皮肤血管增加体表血流，提高对流和辐射散热的能力；另一方面汗腺开始 排汗，出现显性出汗蒸发散热，以达到新的动态热平衡。这一过程为适应性的代 偿。 如果高温环境较为严重，即使充分发挥了体温调节中枢的调节作用，仍达不 到新的热平衡。此时，机体出汗蒸发散热不能有效散失体内热量，导致体温不断 上升，体温的调节性反应逐渐受到抑制。机体无力进行代偿，转而进入对热应激 的耐受阶段，会出现头晕、呼吸苦难、肌肉疼痛等一系列衰竭前症状。高温对重 体力劳动的影响非常明显， 当黑球温度达到 33℃时， 人的体力劳动效率开始下降。 1 绪论 3 图图 1-2 温度对劳动效率的影响温度对劳动效率的影响 Fig.1-2 The influence of temperature on the labor efficiency 上图为马口铁工厂相对产量的季节性变化。 由图可以看出 随着温度的上升， 相对产量明显下降。 高温环境还会影响人类的认知、反应能力，在高温环境中的暴露时间严重影 响工作效率，Wing 等 1965 年总结出了降低脑力劳动效率的暴露时间，并将其表 示为温度的函数，如表 1-1 所示 表表 1-1 降低脑力劳动效率的暴露时间与温度的研究结果降低脑力劳动效率的暴露时间与温度的研究结果 Tab.1-1 The results of exposure time and temperature to reduce the mental labor efficiency 工作类别 时间/min 温度/℃ 研究者 SET ET 心算 6.5 45.5 Blockley 和 Lyman（1950） 心算 18.5 42.8 Blockley 和 Lyman（1950） 心算 46 33.1 Blockley 和 Lyman（1950） 心算 240 34 30.6 Viteles 和 Smith（1945） 记单词 60 35 Wing 和 Touchstone（1965） 解题 120 31.7 Carpenter（1945） 莫尔斯电码 180 33.3 30.8 Mackworth（1972） 1.2 矿井降温现状 人属于恒温动物， 必须生活在一定的气候条件中， 体温的稳定是保证机体新陈 河南理工大学硕士学位论文 4 代谢和生命活动正常进行的必要条件。炎热的高温环境和极端的低温环境对人体 健康构成严峻挑战，特别是高温环境作业带来严重危害，这种情况下必须进行降 温来维护安全。常用的传统降温方式是降低周围环境空间的温度，以此来增强人 们对高温环境的适应性。 （1）空调降温。炎热的夏季，在办公室或居民家中等居住、办公场所安装空 调，这是当今应用最为广泛的降温方式。空调给人们带来了舒适，但也带来了一 系列的问题，如环境、能源问题。资料显示，在