水力通风换热机性能参数关系及换热效果研究

论文摘要

深井高温热害是矿业生产中的一大难题,传统通风降温已不能彻底解决这一问题,这也随着矿井采掘深度的加大而更加突出。为降低井下作业区域温度,使工作环境达到职业卫生防护条件,以确保矿山安全生产及工人身体健康,论文在深入研究目前国内外深井热害治理的现状与水平的基础上,根据利用外界冷源来降低空气温度的有效方法,提出利用深井开采中供水系统水流的位能作为深井作业区域通风的动力,利用产生的风流及气液对流换热来调节深井空气温度。在此理论基础上,研制出了一种控制调节深井温度的新型装置——水力通风换热机。本论文主要研究内容和成果如下：(1)介绍了水力通风换热机的基本原理和主要功能。水力通风换热机主要由扇风机、水轮机和换热结构三部分组成。水轮机的作用是产生通风动力,扇风机用来形成风流,热空气和冷水在换热结构中进行气液对流换热达到降温效果。换热、通风也即是水力通风换热机的主要功能。本研究为深井通风降温提供了一种新的研究思路和方向。(2)根据国内外人工降温技术,论文分析了深井热源和待换热量,确定了深井降温工作面热荷载计算的基本方法,即：将井下各种热源分别计算再进行汇总。这一方法虽然不能准确而实时的计算井下总热量,但结合了水力通风换热机自身的特性,可作为水力通风换热机在不同条件下的深井降温设计的参考依据,它是论文对换热机进行深入研究的基础。在此基础上,论文确定了工作面需冷量,并对融冰实验进行了初步研究。(3)研究装置运转形成通风过程中动力转换的控制因素,确定了各控制因素对装置总体性能的影响机制以及换热机主要性能参数的数学表达式。对水力通风换热机进行初步实验,转速、风量、风压等主要性能参数的测试结果满足设计要求,其实验数据与理论数值进行比较得出,两者基本吻合,由此证明了性能参数关系式的正确性,可以作为论文进一步研究的理论基础。对动力转换效率的研究表明论文实验方案及装置有待进一步优化。根据实验结果论文研究中涉及的水能利用率比较高,适合较深的高温矿井通风降温。(4)建造了高温环境实验空间,研究气液对流换热规律,建立了气液热交换数学模型。在不同的热环境条件下研究装置内热空气与冷却水对流换热的换热效果。实验表明,经过换热作用,26℃左右的热空气可以降低到15℃以下,降温幅度达到10℃以上,这一降温结果完全满足深井通风的要求。实验及数值计算表明,本研究成果可行且有效,可以推广应用于深井通风降温的实际工作中。(5)通过实验和数值模拟计算,论文得出影响换热效果的主要设计参数,这一结果可以为换热机的进一步改良优化提供改进方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 深井降温技术研究现状
• 1.2.1 非人工制冷降温技术
• 1.2.2 人工制冷降温技术
• 1.2.3 煤矿人工制冷降温技术研究
• 1.2.4 非煤矿山人工制冷降温技术研究
• 1.3 非煤矿山人工制冷降温技术评述
• 1.4 水力通风换热机基本结构和工作原理
• 1.5 研究内容与技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第二章 深井工作面热荷载及换热机冷负荷计算
• 2.1 矿井热源分析和散热量
• 2.1.1 巷道围岩散热
• 2.1.2 采掘设备放热
• 2.1.3 矿石的放热
• 2.1.4 氧化反应放热
• 2.1.5 人员放热
• 2.1.6 冷损量计算
• 2.2 工作面热计算
• 2.2.1 需冷量计算
• 2.2.2 风流量计算
• 2.2.3 冷水量计算
• 2.2.4 需冰量计算
• 2.3 粒状冰的融解研究
• 2.3.1 定量冰条件下的融化数学模型
• 2.3.2 连续输冰条件下的融化数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 换热机的性能参数关系及影响因素研究
• 3.1 水力通风换热机主要性能参数
• 3.1.1 转速
• 3.1.2 风量
• 3.1.3 风压
• 3.1.4 功率
• 3.1.5 效率
• 3.1.6 实验室条件下公式转换
• 3.2 水轮机对换热机性能的影响
• 3.2.1 水轮机基础介绍
• 3.2.2 喷嘴的影响
• 3.2.3 转轮的影响
• 3.3 扇风机对换热机性能的影响
• 3.3.1 扇风机基础介绍
• 3.3.2 叶轮的影响
• 3.4 水流对换热机性能的影响
• 3.4.1 水流量
• 3.4.2 进水温度
• 3.5 风流对换热机性能的影响
• 3.5.1 风量的影响
• 3.5.2 风温的影响
• 3.6 水力通风换热机性能实验研究
• 3.6.1 实验方案的确定
• 3.6.2 实验内容及仪器介绍
• 3.6.3 实验步骤及说明
• 3.7 实验结果处理及分析
• 3.7.1 数据处理说明
• 3.7.2 转速关系式的验证
• 3.7.3 风量、风压验证
• 3.7.4 效率测试
• 3.7.5 水力通风换热机性能曲线
• 3.8 本章小结
• 第四章 水力通风换热机换热效果比较研究
• 4.1 影响换热系数的主要因素
• 4.1.1 空气运动状态的影响
• 4.1.2 流体流动起因的影响
• 4.1.3 流体物理性质的影响
• 4.2 对流换热数学模型的建立
• 4.3 换热过程主要参数的确定
• 4.3.1 对流换热表面积的确定
• 4.3.2 气液接触时间T的确定
• 4.3.3 T时间内进行换热的空气和水的质量
• 4.3.4 其它参数的确定
• 4.4 换热效果模拟计算
• 4.4.1 气液温度计算结果
• 4.4.2 设计参数的改进
• 4.5 换热效果实验研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 换热机通风降温管理
• 5.1 高温环境的管理
• 5.1.1 深井高温区域及作业面降温区域的界定
• 5.1.2 加强高温作业区域人员防护工作
• 5.2 换热机的管理
• 5.2.1 换热机生产的管理
• 5.2.2 换热机故障应急预案编制
• 5.3 操作人员的培训
• 5.4 本章小结
• 第六章 论文总结
• 6.1 论文主要结论
• 6.2 论文主要创新点
• 6.3 研究工作展望
• 附表 水力通风换热机实验数据
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果及获奖