低垂的轴之间的热质交换模型和空气流向我的

文摘

采矿活动增加了由于增加社会对矿产资源的需求。热灾害已经成为一个主要的健康和安全考虑矿山。工作面热环境的空气有关参数轴的底部。本研究的目的是准确预测底部的空气温度的轴与矿井通风时间3年以上。为了这个目的,一个数学模型之间的热量和质量交换的围岩轴和建立了进风利用有限体积方法。c++语言用于数值计算。结果与实测数据一致。空气的相对湿度的影响在进口的轴,轴表面,表面水分系数和岩石的物理参数对轴底部的空气参数详细研究。方程计算空气的焓增加每100米与1300米的深度轴使用聚类分析建立了。这个方程预测提供了理论依据与通风的空气参数沿轴时间3年以上。

1。介绍

高温矿井的数量与开采深度增加。据统计(1),有近100个矿山的深度在中国超过1000到2015年,其中大约47是煤矿平均开采深度1086米。在未来10到15年内,50%的铁矿石资源,有色金属资源的33%,和53%的煤炭资源开采低于1000米。地温梯度分布在中国东部和南部的高和低的西部和北部。的地温梯度在深度1000米(1.8 - -4.3°C / 100 m)是线性的和变化可以忽略。1000的表面温度在一个深度通常是40到45°C在中国东北和东南沿海和35 - 45°C在四川盆地中部。地热的温度在2000米深度通常达到70 - 80°C (2]。因此,热危害正变得越来越关注在深矿井。至关重要,有效判断热危害我的工作面和准确预测温度和相对湿度的空气。

计算之间的热量和质量交换空气供给的围岩轴和气流轴可以提供一个基础预测空气温度和相对湿度的工作面。

大量研究调查气流之间的传热传质和开挖道路和工作表面。早在1919年,南非开始研究热力学定律我的气流,和Jappe3)提出了风温度计算的基本思想。Lambrechts [4]分析了大量的测量温度变化轴平均深度为1258.8米。他们研究的湿球温度气流之间的关系在岩石巷道和自然温度、初始湿球温度,距离,气流速度和含水率。星际(5]使用有限差分方法计算巷道壁温,和使用数学拟合公式建立了快速预测,湿球温度和干球温度的气流的道路。这个公式可以用于实践。罗斯(6)预测,温度、湿度、和其他相关气候参数的数值模拟。朗兹和哈格里夫斯(7,8)开发的快速施工巷道的通风和气候模型。不知道(9]研究送风体积的变化及其影响在长距离隧道通风巷道。Kertikov [10)计算气流温度和湿度的地方通风掘进巷道。Sasmito [11)建立了一个三维不稳定本地热非平衡模型来评估热存储和通风空气和岩石坑之间的传热。2020年,基于相似理论,朱12)设计了一个设施调查气流速度的影响,热扩散系数、含水率、保温材料围岩温度场分布。为了节省能源和控制矿山环境,许多学者开始研究如何使用周围的岩石或废弃矿山蓄热器。Ghoreishi-Madiseh [13和朱14]研究了围岩的蓄热及热监管;Loredo [15]研究了孤立的蓄热能力调查我的空洞。

大多数研究集中在地下空间,还有一些研究进风和轴之间的换热过程。在中国,差异和回归分析的方法,首次提出了岑和侯16),被用来预测空气温度在1989年的一次轴。目前,简单差分迭代法(16),测量统计方法(4,17],PSO-BP神经网络预测方法(18)主要是用来计算空气温度在一个轴。然而,这些方法过于简单或地理上局限于准确估计空气温度。他们忽略了水蒸气的潜热效应。在这项工作的特点,在流固耦合传热传质交换系统,采用有限体积法建立数学模型之间的热量和水汽交换空气供给的围岩轴和轴的进风。公式可以准确地计算轴底部的空气参数在不同的地质条件和进气条件由使用c++语言给出。

2。数学模型

竖井的底部是一个整个矿井通风网络的重要节点。气流的温度和相对湿度的轴与整个矿井的热环境。轴之间的热量和质量交换和矿井进风不同于那些在水平隧道,他们具有以下特点:(1)气流产生autocompression热时轴的底部,因为高度差。(2)炉墙表面的温度变化,因为地热梯度。(3)轴可以通过地下蓄水层。在这种情况下,轴上有渗透水墙,这水参与的热量和质量交换。(4)可能有散热设备和排水管道的轴。

提出了以下假设来简化问题研究:(1)空气供应轴是一个空心圆柱体。围岩各向同性,均匀,围岩的原始温度线性变化的深度(2)只有热量和质量交换下行风流与围岩之间被认为是,渗入水和其他散热的影响被忽视(3)空气的温度和湿度是均匀分布在轴的横截面,和气流的动能的变化是不考虑

基于这些假设,热量和质量交换和轴之间的气流在图所示1。热量和质量平衡方程的气流与围岩之间可以建立如下:

方程(1)和(2)考虑炉墙表面完全湿了,但事实并非如此。因此,上述方程必须加以修订。日本学者首先提出湿围岩的水分系数(19),和大多数中国学者采用水分系数计算的水分交换湿围岩(20.]。值的范围从0.05到0.4,0.4和完整的湿壁潮湿的墙在一个季度(即。0.1)。引入巷道表面的水分系数后,方程(2)可以写成

2.1。有限体积啮合

如图2基于假设空气的温度和湿度是均匀分布在轴的横截面轴向方向,可以认为气流参数变化只在轴向方向。轴的轴向方向的入口设置在啮合空间。

围岩的温度场是轴对称,围岩的热导率的测定可以简化为一个二维问题在径向和轴向的方向。有限差分网格图所示2,啮合空间设置为∆r和∆z。

2.2。数学模型

2.2.1。气流参数方程

气流速度和密度是假定为1 m / s, 1.2公斤/米³,分别。对流和扩散的相对实力可以测量相邻节点基于网格沛克莱数(体育),它被定义为

相邻节点之间的空气的热行为是可以忽略不计。根据能量和质量平衡原理,空气温度的变化在轴等于进风和之间的对流换热表面的围岩和autocompression。此外,空气的湿度的变化比率等于气流之间的质量交换和围岩的表面。因此,空气参数的方程在不同节点如下:

蒸发系数是基于刘易斯关系。

方程可应用于气体或液体从0.6 -2500从-100 - 0.6不等。可以近似认为是吗 当 。

2.2.2。围岩的方程

导热微分方程的二维圆柱坐标系统是由方程(8)。

2.2.3。围岩的边界条件

径向方向的边界条件如下:内部接口之间的对流换热界面围岩表面,进风。这被视为第四类型边界条件。外表面冷却区表面的表面。是一个给定的温度界面被认为是第一类边界条件。温度是原岩温度。

轴向方向的边界条件如下:入口轴的轴向方向设置为恒温的土层。因此,在部分的温度 可以被看作是一层土壤温度的恒定温度。基于文献[16),冷却区被认为是稳定的厚度约10 - 20 m,和岩石温度冷却区内是幂函数分布。径向温度梯度接近轴表面大大大于轴向温度梯度。围岩温度迅速接近原岩温度随着半径的增加。因此,轴向传热相比可以忽略径向传热轴底部。底部的炉墙和岩石之间的接口可以被看作是一个绝热表面。围岩温度的数学模型如下:

使用有限体积法离散化微分方程(9)。根据能量守恒方程,假定温度节点代表温度的控制体积为内部节点( , ),可以写成

这也可以写成

它的稳定性条件 。

2.2.4。轴表面的温度

轴表面的温度可以获得使用方程(5)。在求解方程(5),它是必要的,以确定饱和水蒸气的密度在轴的表面,这是一个单一温度的函数。有许多经验公式计算饱和水蒸气的分压;他们中的大多数是复杂的功能关系。为了简化计算,饱和水蒸气的密度和温度之间的关系之间10-45°C表示为线性方程如下:

计算值之间的相对误差计算方程(12)和确切的值在2.3%以内。然后,可以计算轴的表面温度

对流换热系数, ,Sherbani提出的计算使用公式(21]。

3所示。结果与讨论

3.1。网格独立验证和通风时间的选择

一座金矿的地质条件在中国被认为是在山东莱州。根据地质调查结果的第四地质矿产勘查研究院山东的主要成分时变辉长岩围岩深度小于1300米。变辉长岩的热导率是2.2 W / m°C (22]。土层温度的恒定的温度是15°C,地温梯度是2.2°C / 100米(23]。空气供给轴的半径是2.5 m,送风速度是30公斤/ s。

为了选择适当的空间步长,网独立验证。如数据所示3和4选择、网格计算气流温度轴,当步骤大小是 和 ,和空气流量曲线几乎一致。在入口空气温度的变化与通风时间轴也计算。如图4,当进气温度是15°C,空气温度沿轴逐渐减少随着通风时间的增加,往往是一致的。温度曲线的通风时间在2和3年几乎是重合的。在通风、炉墙温度较高,热释放到空气中会更高。随着通风时间的增加,炉墙逐渐冷却,和热释放空气减少,所以气流温度沿轴随时间而减小。和热调整圆的半径不断扩大,但半径扩展较慢的时间逐渐增加,方法稳定状态。因此,通风时间的温度曲线在2和3年几乎重合。在下面的计算,步骤大小是 和 ,和通风时间是3年。

3.2。模型的验证

比较计算结果和实测数据获得的文献[24)如图5。在文献[计算条件24)如下:恒温层一个值为15.7°C;地温梯度的平均值是2.91°C / 100 m。轴半径为3.5 m,气流的速度是3 m / s。围岩的物理特性如下:地下0 - 99 m是一个泥岩层导热系数为2.1 W / (m·°C);砂岩层分布在100 - 500米的地下,和它的导热系数是4.1 W / (m·°C);灰岩层分布在501 - 666米的地下,和它的导热系数是3.1 W / (m·°C)。计算值与测量值中表现出很强的协议。因此,使用模型获得的结果是可靠的。因此,该模型是用来计算轴底部的空气参数在不同进气参数和不同的岩石热物理的特征。结果如下所述。

3.3。温度和相对湿度的影响进气的温度和空气的焓沿进气轴

在文献[24),在这工作,假设是0.05,进气温度是10到25°C,相对湿度50 - 80%。如数据所示6和7空气的温度和相对湿度与进气温度轴明显相关。轴的空气温度的变化取决于围岩的散热和autocompression。

的散热围岩由明智的传热和潜在的空气和围岩表面之间的传热。显热传递可能是负的,当进气温度高于围岩表面的温度。空气干球温度降低时的绝对值比autocompression明智的传热。空气干球温度开始增加时明智的热传递的值是正数的绝对值小于autocompression显热转移。然而,气流沿进气轴的焓增加因为自我加压的空气和墙散热。

3.4。温度和相对湿度的影响进气的空气温度轴底部

工人的工作效率和热舒适性取决于空气参数对工作面,有关空气参数底部的轴。温度和相对湿度的影响进气轴底部的空气温度进行了分析 ,如图8。空气温度轴底部增加进气的温度和相对湿度。随着相对湿度的增加,蒸发的水摄入量和潜热减少炉墙减少。这就增加了空气温度轴底部。图6表明,进气空气的相对湿度显著影响气流温度沿轴。然而,随着深度达到600米,空气温度的轴与轴深度线性增加。

3.5。表面水分系数对空气的影响参数轴底部

除了进口空气的相对湿度,墙面的表面水分系数有关的水蒸气量进入气流从墙上。因此,表面水分系数墙表面的强烈影响空气温度轴底部。进气15°C被认为是作为一个例子来计算空气温度的变化轴底部从0 - 0.3,如图9。没有水蒸发表面水分系数为0时,从围岩和热转移转化为空气的显热。的影响下岩石散热和autocompression轴底部的空气温度是28.73°C,它是不受进气空气的相对湿度。随着表面湿度系数的增加,空气温度轴底部减少。空气温度轴底部表面水分系数后变化不明显就超过0.2。

表面水分的影响系数分析了空气焓轴底部,如图9。当进气温度15°C,空气焓轴底部增加略有干壁表面潮湿的墙面。然而,变化明显不如表面水分的增加系数。轴底部的空气焓的变化可以忽略后表面水分系数大于或等于0.1。

热传导和转移表达在圆柱坐标系由以下方程:

在1.36到-2.34之间时,进气温度是15°C。然而,据报道在文献[19)的蒸发传热实际地下巷道大约是0.2至1.57倍的显热干燥巷道表面。这意味着的范围是1.2 - -2.57。因此,我们研究的结果同意文学。的影响在传热的情况并不明显 。传热的增加的主要原因是空气温度沿轴随着蒸发潜热的增加减少。因此,空气焓的变化轴底部是可以忽略表面水分的影响系数。

3.6。气流速度对轴底部的空气温度

我供应空气的相对湿度一般高。因此,气流速度的影响计算轴底部的空气温度,相对湿度为80%时,不同的温度 ,如图10。气流速度的增加显著影响空气温度轴底部气流速度时小。这种效应更强,当进气温度较低,反之亦然。进气温度是25°C时,气流速度可以忽略影响空气温度轴底部。当进气速度增加到1.70米/秒(风量:40公斤/ s),轴底部的空气温度和气流速度变化不明显的温度。因此,当进气温度较低,空气温度轴底部大幅减少随着气流速度的增加。然而,当进气温度高,空气速度并不影响轴底部的空气温度。

3.7。岩石热物理性质对气温的影响轴底部

围岩的温度在同一深度与地温梯度增加。另外,岩石的导热系数影响散热。进气温度、相对湿度和表面水分系数设置为15°C, 80%, ,和送风速度是30公斤/ s计算。结果如图所示11。当地热梯度增加从2°C / 100 m 4°C / 100 m,轴表面的传热增加约2.28倍。当岩石热导率的增加从1 W / m·4°C W / m·°C,轴表面的传热增加约3.6倍。此外,岩石的导热系数的影响与地温梯度更大更强的岩石中。随着岩石热导率的增加从1 W / m·4°C W / m·°C,轴表面的传热增加75.8千瓦和173.3千瓦地温梯度时2°C / 100米和4°C / 100 m,分别。地温梯度和岩石的热导率也有类似的对轴底部的空气温度的影响。

3.8。综合效应方程拟合

上述因素对空气的影响参数轴底部进一步检查。前面的分析结果表明,当风速超过1.7 m / s时,气流参数变化很小,而风速在进气轴经常超过3米/秒(4,24),风速是设置为3 m / s计算。根据文献[3),中国是主要的地温梯度1.8 - -4.38°C / 100 m,岩石热导率是0.2 - -4.2 w / m·°C (16),因此计算参数设置如表所示1。和轴的半径设置为2.5。c++语言是用来计算的温度和空气的焓沿轴条件下表中列出1。如表所示2的方程计算每100空气焓差沿轴的深度小于1300使用聚类分析方法得到。

根据图9,虽然表面水分系数会影响空气温度,它几乎没有对空气焓的影响。因此,方程可以组合成一个统一的方程时,表面水分系数是不同的。也可以从方程在垂直轴不包括其他热源,autocompression是占主导地位的影响,围岩传热的只有重大影响时,地温梯度和岩石热导率都很高。随着深度的增加,岩石的原岩温度增加深矿井,热耗散的围岩轴也会逐渐增加。

方程在表2沿着轴显示不同焓每100米。轴半径为2.5米时,误差计算的焓差拟合公式和程序在干燥条件下在2%,在潮湿的条件下,误差小于8%。流的焓的底部入口参数在文献[24)也是由公式计算表2。计算结果与测量值吻合较好,在文献[24)如图12,拟合方程的结果可以为设计师提供一个参考估计参数的底部的空气进气轴在不同。

4所示。结论

建立一个数学模型,根据热量和轴之间的质量交换原理和进风的通风时间3年采用有限体积法。利用c++语言计算热量和质量交换。计算结果与实测数据一致文献[24]。方程计算空气的焓增加轴的每100米深度小于1300建立了用聚类分析。这个方程提供了一个理论依据预测参数轴底部的空气通风时间3年以上。

本研究的主要结论如下:(1)进气口的参数影响的参数沿进气轴进风。相对湿度的影响空气温度沿进气轴高进气温度更强(2)之间有一个明显的正比关系轴底部的空气温度和进气口的温度和相对湿度。表面水分系数影响空气温度轴底部。然而,空气温度轴底部不大幅变化当表面水分系数大于或等于0.2。表面水分系数可以忽略影响空气焓轴底部(3)气流速度的增加显然影响空气温度轴底部时,进气温度很低。然而,当气流速度增加到1.70米/秒,空气温度轴底部随着气流速度的增加变化不明显(4)轴底部的空气温度和热释放轴的表面增加地温梯度和岩石的导热系数

命名法

:	区域,米2
:	空气的比热,J·K /公斤
:	空气湿度,克/公斤(a)
:	水分系数
:	区域的道路部分,m2
:	重力加速度,m / s2
:	轴的空气质量流量,公斤/ s
:	对流换热系数、w / m2·K
:	蒸发系数,公斤/米2·年代
:	空气的焓,焦每千克(a)
:	饱和空气的焓原岩温度、焦每千克(a)
:	路易斯数
:	沛克莱数
:	普朗特数
:	总热量交换,w
:	重要的热交换,w
:	潜热交换,w
:	水的汽化潜热,焦每千克
:	轴半径,米
:	冷却区半径,m
:	施密特数
:	空气温度,°C
:	岩石的温度,°C
:	原岩温度,°C
:	温度在恒温的土层,°C
:	地温梯度,°C / 100 m
:	空气的焓差每100 kJ / 100 m
:	巷道的周长,m
:	空气速度、m / s
:	轴的深度,m。

希腊符号

:	围岩的热扩散率,m2/秒
:	岩石热导率,W / m·°C
:	空气的导热系数,W / m·°C
:	糙度系数的道路
:	相对湿度,%
:	空气密度,公斤/米3
:	水分分离系数
:	时间,s。

下标

:	进气口
:	出口空气
:	周围的岩石表面。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51134005号和52174098号)和人类能源效率和材料技术工程研究中心在绿色和低碳建筑。

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