傳熱學(xué)在安全工程中的應(yīng)用

1、傳熱學(xué)在安全工程中的應(yīng)用傳熱學(xué)在安全工程中的應(yīng)用摘要：傳熱學(xué)的應(yīng)用無(wú)處不在，包括能源動(dòng)力、冶金、化工、交通、建筑建材、機(jī)械以及食品、輕工、紡織、醫(yī)藥等傳統(tǒng)工業(yè)，航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境工程、新能源以及農(nóng)業(yè)工程等很多高新技術(shù)領(lǐng)域。傳熱學(xué)在安全工程中也有著不可忽視的作用和影響，如井下的測(cè)試信號(hào)傳輸，在井巷圍巖散熱的應(yīng)用，礦井的熱平衡及熱舒適性研究，以及管道壁面散熱對(duì)瓦斯爆炸傳播特性影響的研究等等。關(guān)鍵詞：熱傳遞； 溫度； 信號(hào)； 火災(zāi); 礦井； 散熱Abstract: the heat transfer is ubiquitous, including energy and

2、 power, metallurgy, chemical industry, traffic, building materials, machinery and food, light industry, textile, pharmaceutical and other traditional industries, aerospace, nuclear energy, microelectronics, materials, biomedical engineering, environmental engineering, new energy source and agricultu

3、ral engineering, etc. many high technology areas. Heat transfer in safety engineering also has a role and influence can not be ignored, such as underground test signal transmission, in the application of heat dissipation of roadway surrounding rock, mine thermal balance and thermal comfort research,

4、 and pipeline wall heat effect on gas explosion propagation characteristics research and so on.Key words: heat transfer; temperature; signal; fire; mine; heat radiation傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)。傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。熱傳導(dǎo)是指在不涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)移的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度較低的部位，或從高溫物體傳遞給相接觸的低溫物體的過(guò)程，簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。熱對(duì)流是

5、指不同溫度的流體各部分由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對(duì)流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過(guò)程，它是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流綜合作用的結(jié)果。決定換熱強(qiáng)度的主要因素是對(duì)流的運(yùn)動(dòng)情況。熱輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。它是波長(zhǎng)在100微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不同，熱量可以在沒(méi)有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽(yáng)就是以輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對(duì)溫度的四次方成比例的熱輻射能力，也能吸收周圍環(huán)境對(duì)它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導(dǎo)致的熱量轉(zhuǎn)移稱為輻射換熱。由于自然界和生產(chǎn)技術(shù)中幾乎到處存在著溫度差，所以熱量傳遞就成為自然界和生產(chǎn)技術(shù)中的一種非常普遍

6、的現(xiàn)象。傳熱學(xué)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分的廣泛，在能源動(dòng)力，化工制藥，材料冶金、機(jī)械制造、建筑工程、環(huán)境保護(hù)等部門存在著大量的熱量傳遞問(wèn)題，而且還常常起著關(guān)鍵作用。同樣，傳熱學(xué)在安全工程中也有著不可忽視的作用和影響，如井下的測(cè)試信號(hào)傳輸，對(duì)礦井火災(zāi)的影響，礦井的對(duì)流通風(fēng)，礦井的熱平衡及熱舒適性研究，以及工業(yè)爐窯壁面散熱等等?，F(xiàn)就其中幾個(gè)方面簡(jiǎn)單論述傳熱學(xué)在其中的應(yīng)用。一、 溫變環(huán)境下測(cè)試信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性信號(hào)的多變、隨機(jī)及模糊特性是制約信號(hào)特征的識(shí)別與分析準(zhǔn)確性的一個(gè)重要方面。目前,針對(duì)信號(hào)特征的分析多集中于后續(xù)的信號(hào)處理方法的研究,而測(cè)試信號(hào)傳輸過(guò)程中受到的多種干擾因素,尤其是不確定的環(huán)境溫度

7、。因而,深入地研究變化的環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試信號(hào)造成的多變性為獲取測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)原始特征具有重要的理論意義和工程價(jià)值。現(xiàn)今國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究有：（1）推導(dǎo)并建立信號(hào)傳輸載體-傳輸導(dǎo)線的熱擴(kuò)散方程,對(duì)導(dǎo)線整體進(jìn)行了熱電耦合受熱分析。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線在完全熱傳導(dǎo)和有限空間強(qiáng)制對(duì)流換熱環(huán)境中,溫度升高迅速,即在短時(shí)間內(nèi)改變了導(dǎo)線的參數(shù)特性,進(jìn)而對(duì)信號(hào)傳輸產(chǎn)生很大的影響。（2）)以Maxwells方程為基礎(chǔ),將環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)線的影響轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)其特性參數(shù)的影響,推導(dǎo)出具有溫度參變量的亥姆霍茨(Helmholtz)方程,由此確定了信號(hào)傳輸中電磁場(chǎng)隨溫度而變化的特性。研究表明信號(hào)頻率對(duì)互參數(shù)產(chǎn)生了重要的影響。多導(dǎo)線的

8、互參數(shù)也加劇了導(dǎo)線間信號(hào)的串?dāng)_,參數(shù)的溫變及頻變特性,成為信號(hào)傳輸響應(yīng)改變的重要參數(shù)依據(jù)。（3）基于信號(hào)傳輸理論,以有限差分、基爾霍夫定律和FDTD方法為基礎(chǔ),建立了信號(hào)傳輸?shù)臐u變溫模型并分析了信號(hào)響應(yīng)變化規(guī)律。就導(dǎo)線的溫度與時(shí)空的關(guān)聯(lián)特點(diǎn),分別給出了兩種漸變溫模型,即溫度和時(shí)間為離散變量的漸變溫模型;以時(shí)間和空間為離散變量的漸變溫模型。研究表明:信號(hào)響應(yīng)與導(dǎo)線溫度直接相關(guān)聯(lián),隨著導(dǎo)線溫度的升高,傳輸參數(shù)不斷變化,信號(hào)輸出響應(yīng)幅值逐漸衰減。在中低頻范圍內(nèi),信號(hào)頻率較低時(shí),信號(hào)衰減量越大。多導(dǎo)線結(jié)構(gòu)傳遞信號(hào)時(shí)存在串?dāng)_現(xiàn)象,輸出信號(hào)難以復(fù)現(xiàn)初始信號(hào)特征。（4）提出了信號(hào)響應(yīng)在溫度和頻率影響下的靈敏

9、度評(píng)價(jià)分析方法,建立了相應(yīng)的多參變量靈敏度方程。以直接法為基礎(chǔ),分別以溫度、溫度及頻率、RLCG參數(shù)為參變量,進(jìn)行二次變換得到參變量的列向量,推導(dǎo)出了相應(yīng)的靈敏度計(jì)算表達(dá)式。研究表明,信號(hào)輸出響應(yīng)變化量的絕對(duì)值隨溫度的升高及頻率的降低而增加,信號(hào)響應(yīng)呈衰減趨勢(shì)。研究還表明,電阻R的變化是造成信號(hào)響應(yīng)改變的主要影響因素。二、在井巷圍巖散熱的應(yīng)用圍巖散熱是井下風(fēng)流溫度升高的主要原因之一。圍巖與風(fēng)流間的換熱是非常復(fù)雜的。當(dāng)風(fēng)流經(jīng)過(guò)井巷時(shí)且井巷溫度與初始巖溫不同時(shí)，由于溫度差風(fēng)流就要和井巷圍巖換熱，這時(shí)圍巖內(nèi)部的熱量以熱傳導(dǎo)的形式傳遞到井巷表面，并以對(duì)流形式傳遞給井巷風(fēng)流。最終隨著時(shí)間的增長(zhǎng)井巷壁面溫

10、度、圍巖與風(fēng)流間的換熱量而逐漸減小，這樣冷卻圍巖的范圍也隨著通風(fēng)時(shí)間的增長(zhǎng)而變大。圍巖的散熱量多少取決于圍巖及風(fēng)流間的溫度差，取決于巷道的通風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)短及通風(fēng)巷道壁面的濕度，同時(shí)也取決于威嚴(yán)的導(dǎo)熱系數(shù)等。礦井火災(zāi)和熱害問(wèn)題一直是煤礦生產(chǎn)的主要威脅。人在高溫?zé)岷ΦV井中工作，勞動(dòng)者的身心健康受到極大影響，勞動(dòng)效率下降。同時(shí)，工人的機(jī)警能力會(huì)因熱環(huán)境而降低，從而使事故的發(fā)生率上升。近年來(lái)，由于我國(guó)廣泛采用綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)，在瓦斯治理中大力推廣瓦斯抽放技術(shù)，在生產(chǎn)效率大幅提高和瓦斯涌出量大大減少的同時(shí)，造成采空區(qū)遺留殘煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重，使得自然火災(zāi)頻繁發(fā)生。在采動(dòng)影響下,冒落巖體和遺煤在地下形成的多孔松

11、散采空區(qū)是自燃發(fā)生的重災(zāi)區(qū)。在溫度場(chǎng)方程中考慮圍巖和風(fēng)流的熱交換、采煤設(shè)備的放熱及采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化反應(yīng)產(chǎn)熱等因素就變得十分必要。此外，在研究隧道防災(zāi)、救災(zāi)、以及人員逃生時(shí),火災(zāi)的初始增長(zhǎng)階段確定隧道內(nèi)的溫度增長(zhǎng)、煙霧擴(kuò)散、人員逃生以及救援位置也是非常重要的。例如研究失火隧道內(nèi)溫度、煙氣生成等參數(shù)時(shí),針對(duì)不同的火災(zāi)場(chǎng)景給出了恒定的熱釋放率；選擇包含時(shí)間變化的熱釋放函數(shù),采用數(shù)值模擬方法研究不同情況時(shí)隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)和煙霧場(chǎng)等一系列研究。三、深部高溫高濕礦井熱平衡及熱舒適評(píng)價(jià)研究伴隨深部開(kāi)采而來(lái)的是原巖溫度不斷升高，開(kāi)采與掘進(jìn)工作面的高溫?zé)岷θ找鎳?yán)重。研究高溫環(huán)境下對(duì)礦工熱舒適性的影響具有非常重要的

12、意義。“熱舒適”是指人體對(duì)熱環(huán)境的主觀熱反應(yīng)。歐美國(guó)家對(duì)人體熱舒適性和室內(nèi)熱環(huán)境的實(shí)測(cè)與調(diào)查研究最早，所涉及的范圍也最廣，包括室內(nèi)物理參數(shù)，空氣品質(zhì)及人體熱舒適性等。基于對(duì)深部高溫高濕礦井的研究,在分析影響礦工熱舒適性環(huán)境的各種因素的基礎(chǔ)上,結(jié)合深部高溫開(kāi)采的實(shí)際情況，采用熱舒適性指標(biāo)，對(duì)深部高溫環(huán)境下礦工熱舒適性評(píng)價(jià)進(jìn)行探索性研究。通過(guò)礦工熱平衡的計(jì)算,建立了礦工熱舒適方程.介紹了礦工熱舒適性的評(píng)價(jià)指標(biāo):預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià),有效溫度,過(guò)渡活動(dòng)狀態(tài)的熱舒適指標(biāo),熱應(yīng)力指數(shù)和風(fēng)冷卻指數(shù),分析其評(píng)價(jià)的局限性,指出對(duì)深部高溫高濕礦工熱舒適性評(píng)價(jià)需要開(kāi)展進(jìn)一步研究的必要性等等。四、管道壁面散熱對(duì)瓦斯爆炸傳播

13、特性影響的研究礦井瓦斯爆炸是煤礦重大惡性事故之一,同時(shí)又是一個(gè)十分復(fù)雜的理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)課題.如何有效地防治煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。在研究管內(nèi)瓦斯爆炸傳播規(guī)律時(shí),大多認(rèn)為熾熱高溫燃燒產(chǎn)物區(qū)較薄,與管壁接觸面積小,或火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,爆炸過(guò)程中向管壁的散熱量較小,對(duì)爆炸傳播規(guī)律影響不大,從而忽略壁面散熱的影響。對(duì)于管內(nèi)瓦斯爆炸,由于熾熱高溫燃燒產(chǎn)物(火焰和不發(fā)光高溫?zé)煔?與管壁間存有較大溫差,爆炸釋熱中一部分不可避免地傳向了壁面,相應(yīng)地減少了向未反應(yīng)混合氣體的傳熱量,燃燒速度受到影響。因此,壁面的散熱損失對(duì)管內(nèi)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰和爆炸波的傳播特性產(chǎn)生影響。研究表明

14、，內(nèi)貼絕熱材料對(duì)瓦斯爆炸火焰加速明顯,爆炸波強(qiáng)度增大很多,并可誘導(dǎo)激波的產(chǎn)生.其原因是管道內(nèi)貼絕熱材料后,壁面散熱大幅減小,由管內(nèi)瓦斯爆炸能量平衡方程知:減少的熱量一部分通過(guò)導(dǎo)熱、擴(kuò)散向未燃?xì)怏w傳遞,一部分通過(guò)膨脹做功使爆炸波強(qiáng)度增大,兩者均使火焰燃燒速度（傳播速度)、爆炸波強(qiáng)度增加。煤礦井下巷道壁面為非金屬固體物質(zhì),導(dǎo)熱性能差,其壁面散熱條件與絕熱管道相似.瓦斯爆炸事故一旦發(fā)生,火焰?zhèn)鞑ニ俣热菀籽杆偬岣?爆炸波強(qiáng)度容易迅速增大。在此只淺析了傳熱學(xué)在安全工程學(xué)中部分應(yīng)用，然而在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，傳熱學(xué)在在安全工程中的應(yīng)用還有很多。盡管熱量傳遞的基本模式只有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種，但是在科技的

15、各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用中卻有著各式各樣不同的熱量傳遞問(wèn)題。這些問(wèn)題的研究往往需要在基本規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索才能獲得所需要的結(jié)果。因此掌握傳熱學(xué)的基本規(guī)律及研究方法是我們以后研究必備的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于我們今后的學(xué)習(xí)和研究將起著重大的支撐作用。對(duì)傳熱學(xué)知識(shí)理解掌握能夠使我們對(duì)熱量傳遞相關(guān)問(wèn)題有著更透徹的認(rèn)識(shí)，由此解決實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域中的安全問(wèn)題，促進(jìn)安全工作的研究以及實(shí)踐。參考文獻(xiàn)1國(guó)家煤炭工業(yè)局關(guān)于高溫礦井調(diào)查報(bào)告R20032司千字高溫礦井的熱環(huán)境處理J江蘇煤炭1999(3)23-243楊德源礦井風(fēng)流熱交換J煤礦安全2003，34(B09)：94-974王繼仁. 鄧存寶. 丁百川. 礦井封閉火區(qū)熱交換及啟封時(shí)間研究. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào).2003.5丁秀娟. 胡欽華. 李奎山. 等. 人體熱舒適研究進(jìn)展J東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào). （1）：43-47.6蘇昭桂. 董文庚. 程衛(wèi)民. 高溫礦井熱舒適性及評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究J礦業(yè)安全與環(huán)保. （3）：72-767林柏泉. 崔恒信. 礦井瓦斯防治理論與技術(shù)M. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 1998.8林柏泉. 崔恒信. 礦井瓦斯防治理論與技術(shù)M. 徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.9王從陸. 伍愛(ài)友. 深部高溫高濕礦井熱平衡及熱舒適評(píng)價(jià)研究