梁北矿高温工作面热环境分析与制冷降温最佳送风方式的选取.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 胡金钟 指 导 教 师 杨运良 学 位 类 别 工 学 硕 士 专 业 名 称 供热、供燃气、通风及空调工程 研 究 方 向 工业通风与空调技术 河南理工大学安全科学与工程学院河南理工大学安全科学与工程学院 二○一二○一三三年年四四月月 梁北矿高温工作面热环境分析与制冷降温梁北矿高温工作面热环境分析与制冷降温 最佳送风方式的选取最佳送风方式的选取 中图分类号中图分类号TD727 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码10460 梁北矿高温工作面热环境分析与制冷降温 最佳送风方式的选取 Analysis Thermal Environment on Working Face of Ling-Bei Mine and Best Air Supply Selection of Refrigeration Cooling 申请人姓名申请人姓名 胡金钟胡金钟 申 请 学 位申 请 学 位 硕士硕士 学 科 专 业学 科 专 业 供热、供燃气、 供热、供燃气、 通风及空调工程通风及空调工程 研究方向研究方向 工业通风与空调技术工业通风与空调技术 导师导师 杨运良杨运良 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2013.4 答 辩 日 期答 辩 日 期 2013.6 河南理工大学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 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，梁北矿高温工作面热环境分析与制冷降 温最佳送风方式的选取，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保密的学位论文在解密后适用本授权。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 日日 致致 谢谢 岁月如梭，三年的研究生学习生活即将结束。 在论文完成之际，特向导师杨运良表示由衷的感谢三年来，杨老师在生活 上给我无微不至的关怀，在学习上严格要求，使我在专业知识方面有了很大提高。 在论文的选题、撰写和定稿都离不开老师的精心指导，在这里，衷心祝愿恩师永 远健康、幸福 感谢安全学院学院程磊老师，张攀老师，肖知国老师给我学习和生活上的帮 助。 感谢研究生期间所有同学和师兄弟给我的支持与帮助，与你们想处的日子将 是我美好的回忆。 感谢家人对我的支持与鼓励，你们是我一生的财富。 感谢各位专家、审阅老师对论文进行指导，衷心祝愿您们身体健康、工作 顺利。 I 摘要摘要 随着煤矿开采深度的增加，地热问题越来越严重，另外机械化程度的提高使 得矿井工作面高温热害日趋严重，高温矿井热害已成为影响煤矿安全生产的突出 问题。因此，合理的分析工作面热环境和最佳利用制冷降温送风方式，对提高矿 井工作面工作环境舒适度以及安全、节能、有效率的生产有重要意义。 本文以梁北矿11061工作面为研究对象， 运用数值传热学、 计算流体力学知识， 以实验测定与计算机数值模拟相结合的方法，从对工作面热源分析、热环境模拟 到对制冷降温时不同送风方式下的降温效果进行模拟分析，研究在满足规程要求 下的最佳送风方式。主要内容如下 1理论基础知识矿井风流热、湿交换传热及风流流动机理。 2工作面热源物理参数的测定与实验分析用测温探头实验法对11061工作面 进行原岩温度测定，通过实验分析方法测得岩石、煤层的传热系数、比热容、密 度等物理参数，并对工作面热环境进行实测分析。 3工作面热环境模拟分析及模拟方法可行性验证应用Gambit建立11061工作 面模拟的物理模型，根据所测物理参数，建立矿井风流流动的数学模型，通过 FLUENT模拟分析工作面的热环境，并与实际测量结果对比，两者结果基本吻合， 说明本模拟方法可用于工作面环境的研究。 4空冷器最佳送风方式选取根据对空冷器不同送风方式下制冷降温效果的 数值模拟对比分析，选取出空冷器的最佳送风方式。 通过对各种情况的模拟分析，对煤矿工作面制冷降温设计起着重要的指导作 用。 关键词关键词热害；制冷降温；热环境；数值模拟；降温效果；最佳送风方式 III Abstract With the increase of coal mining depth, coal mine geotherm is more and more serious, in addition to the increase of the degree of mechanization makes mine working face high temperature heat disaster is increasingly serious, heat disaster has become the prominent problems affecting coal mine safe production. Therefore, rational analysis of the working face thermal environment and the best use of refrigeration cooling air supply mode, to improve comfort level of the mine working environment and safety, energy saving, efficient production has important significance. Based on Liang-bei mine 11061 working face as the research object, using the numerical heat transfer, Computational Fluid Dynamics, combining the experimental measurement and computer numerical simulation , from the analysis of working face heat source and thermal environment simulation to simulate the cooling effect. Research the best way to air supply under the condition of meet the standards requirements. Main content is follows 1Theoretical basics heat and moisture transfer and flow mechanism of mine wind. 2Measurement and experiment analysis of physical parameters To measure the original rock temperature of 11061 working face with temperature measuring probe,Measured rock and coal seam heat transfer coefficient, heat capacity, density and other physical parameters by experimental analysis. 3Thermal environment simulation and simulation validation simulation of 11061 physical model is established by Gambit, according to the measured physical parameters, mine wind flow mathematical model is set up, work through the analysis of the FLUENT software to simulate the thermal environment, and compared with actual measured results, the results are basically consistent, this simulation can be used in the working environment of the study. 4The best way to choose of air cooler supply air according to different air supply mode of air cooler refrigeration and cooling effect of the numerical simulation analysis to choose the best way to supply air Through simulation analysis, it is plays an important guiding role for coal mine IV working face refrigeration cooling design. Keywords heat disaster, refrigeration and cooling, thermal environment, numerical simulation, cooling effect, optimum way to supply air V 目录 摘要摘要 ................................................................................................................................... I ABSTRACT .................................................................................................................. III 目录目录 ................................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景、目的及意义 ............................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................ 3 1.2.1 国内研究现状 ............................................................................................................................ 3 1.2.2 国外研究现状 ............................................................................................................................ 4 1.3 研究内容、方法、技术路线及创新点 .................................................................... 6 1.3.1 论文的主要内容 ........................................................................................................................ 6 1.3.2 论文的研究方法 ........................................................................................................................ 6 1.3.3 技术路线 .................................................................................................................................... 6 1.3.4 创新点 ........................................................................................................................................ 7 2 矿内热、湿交换的传热及风流流动机理矿内热、湿交换的传热及风流流动机理 .................................................................. 9 2.1 矿井内空气热、湿参数计算 .................................................................................... 9 2.2 给热系数和不稳定换热系数 .................................................................................... 9 2.2.1 对流换热系数 .......................................................................................................................... 10 2.2.2 不稳定换热系数 ...................................................................................................................... 11 2.3 矿内热源与风流热交换的基本形式 ...................................................................... 11 2.3.1 热传导 ...................................................................................................................................... 12 2.3.2 对流换热 .................................................................................................................................. 13 2.3.3 辐射换热 .................................................................................................................................. 13 2.3.4 传热过程 .................................................................................................................................. 13 2.4 风流流动与水热、湿交换计算 .............................................................................. 13 2.5 风流在巷道中的热交换量 ...................................................................................... 14 2.6 矿井内工作面风流紊流特性 .................................................................................. 15 2.6.1 紊流特征 .................................................................................................................................. 15 2.6.2 紊流粘性系数 .......................................................................................................................... 16 2.6.3 紊流热扩散系数 ...................................................................................................................... 16 VI 2.7 风流流动与热量传递的微分方程 .......................................................................... 16 3 工作面热环境实测分析工作面热环境实测分析 ............................................................................................. 19 3.1 工作面热源分类 ...................................................................................................... 19 3.1.1 围岩散热 .................................................................................................................................. 19 3.1.2 流煤与矸石散热 ...................................................................................................................... 19 3.1.3 空气自压缩热 .......................................................................................................................... 20 3.1.4 机电设备散热 .......................................................................................................................... 20 3.1.5 氧化散热 .................................................................................................................................. 20 3.1.6 工作人员散热 .......................................................................................................................... 21 3.2 工作面现场参数实验分析 ...................................................................................... 21 3.2.1 矿井及工作面概况 .................................................................................................................. 21 3.2.2 工作面原岩温度测定 .............................................................................................................. 21 3.2.3 工作面煤、岩石各物理参数测定 .......................................................................................... 25 3.3 工作面沿程风流温度、壁面温度测试 .................................................................. 27 3.4 工作面热环境实测分析 .......................................................................................... 29 3.4.1 工作面热源构成分析 .............................................................................................................. 29 3.4.2 风流沿程热交换量分析 .......................................................................................................... 29 3.4.3 风流沿程温度变化分析 .......................................................................................................... 30 3.4.4 风流沿程相对湿度及含湿量变化分析 .................................................................................. 31 3.4.5 风流沿程焓变化分析 .............................................................................................................. 32 3.4.6 工作面四壁温度变化分析 ...................................................................................................... 32 4 工作面热环境的数值模拟分析验证工作面热环境的数值模拟分析验证 ......................................................................... 35 4.1 模拟软件 FLUENT 简介 ......................................................................................... 35 4.1.1 FLUENT 概述 .......................................................................................................................... 35 4.1.2 FLUENT 软件的功能及特点 ................................................................................................... 37 4.2 数值模拟工作面模型的建立 .................................................................................. 39 4.2.1 几何物理模建立 ...................................................................................................................... 39 4.2.2 工作面空气流动的数学模型 .................................................................................................. 39 4.3 计算区域的网格划分 .............................................................................................. 41 4.4 定解条件选择与处理 .............................................................................................. 41 VII 4.4.1 风流入口边界 .......................................................................................................................... 41 4.4.2 风流出口边界 .......................................................................................................................... 42 4.4.3 固体壁面边界条件 .................................................................................................................. 42 4.4.4 内部热源边界条件 .................................................................................................................. 44 4.5 数值计算方法选择及部分参数设置 ...................................................................... 44 4.6 模拟结果与分析 ...................................................................................................... 45 4.6.1 工作面温度场分布模拟结果及分析 ...................................................................................... 45 4.6.2 工作面速度场分布模拟结果及分析 ...................................................................................... 46 4.6.3 现场实测与数值模拟结果的对比分析 .................................................................................. 47 5 制冷降温工作面空冷器最佳送风方式选取制冷降温工作面空冷器最佳送风方式选取 ............................................................ 49 5.1 工作面空冷器所需制冷量计算 .............................................................................. 49 5.1.1 工作面反向风温预测 .............................................................................................................. 49 5.1.2 工作面需冷量计算 .................................................................................................................. 49 5.2 工作面空冷器最佳送风方式选取方法 .................................................................. 49 5.2.1 模拟问题的简化处理 .............................................................................................................. 50 5.2.2 制冷降温空冷器送风方式研究内容 ...................................................................................... 51 5.3 制冷降温工作面风筒最佳安装位置的选取 .......................................................... 51 5.3.1 制冷降温时工作面的物理模型 .............................................................................................. 51 5.3.2 空冷器不同安装高度的模拟分析 .......................................................................................... 52 5.4 制冷降温工作面空冷器送风参数影响因素模拟 .................................................. 54 5.4.1 不同送风量、不同送风温度下工作面温度分布 .................................................................. 54 5.4.2 不同送风量及送风温度下工作面出口温度对比分析 .......................................................... 59 5.5 制冷降温工作面空冷器最佳送风方式选取 .......................................................... 60 5.5.1 空冷器最佳送风方式的确定 .................................................................................................. 60 5.5.2 空冷器最佳送风方式的降温效果分析 .................................