傳熱學在安全工程中的應用

1、傳熱學在安全工程中的應用傳熱學在安全工程中的應用摘要：傳熱學的應用無處不在，包括能源動力、冶金、化工、交通、建筑建材、機械以及食品、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領域。傳熱學在安全工程中也有著不可忽視的作用和影響，如井下的測試信號傳輸，在井巷圍巖散熱的應用，礦井的熱平衡及熱舒適性研究，以及管道壁面散熱對瓦斯爆炸傳播特性影響的研究等等。關鍵詞：熱傳遞； 溫度； 信號； 火災; 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傳熱學是研究熱量傳遞規(guī)律的科學，是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學。傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種。熱傳導是指在不涉及物質(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程，簡稱導熱。熱對流是

5、指不同溫度的流體各部分由相對運動引起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對流換熱，是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導和熱對流綜合作用的結果。決定換熱強度的主要因素是對流的運動情況。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，熱量可以在沒有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽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)境對它的輻射熱。輻射和吸收所綜合導致的熱量轉(zhuǎn)移稱為輻射換熱。由于自然界和生產(chǎn)技術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)技術中的一種非常普遍

6、的現(xiàn)象。傳熱學在生產(chǎn)技術領域中的應用十分的廣泛，在能源動力，化工制藥，材料冶金、機械制造、建筑工程、環(huán)境保護等部門存在著大量的熱量傳遞問題，而且還常常起著關鍵作用。同樣，傳熱學在安全工程中也有著不可忽視的作用和影響，如井下的測試信號傳輸，對礦井火災的影響，礦井的對流通風，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)就其中幾個方面簡單論述傳熱學在其中的應用。一、 溫變環(huán)境下測試信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性信號的多變、隨機及模糊特性是制約信號特征的識別與分析準確性的一個重要方面。目前,針對信號特征的分析多集中于后續(xù)的信號處理方法的研究,而測試信號傳輸過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)境溫度對測試信號造成的多變性為獲取測試系統(tǒng)準確的結構原始特征具有重要的理論意義和工程價值?，F(xiàn)今國內(nèi)對此方面的研究有：（1）推導并建立信號傳輸載體-傳輸導線的熱擴散方程,對導線整體進行了熱電耦合受熱分析。研究發(fā)現(xiàn)導線在完全熱傳導和有限空間強制對流換熱環(huán)境中,溫度升高迅速,即在短時間內(nèi)改變了導線的參數(shù)特性,進而對信號傳輸產(chǎn)生很大的影響。（2）)以Maxwells方程為基礎,將環(huán)境溫度對導線的影響轉(zhuǎn)變?yōu)閷ζ涮匦詤?shù)的影響,推導出具有溫度參變量的亥姆霍茨(Helmholtz)方程,由此確定了信號傳輸中電磁場隨溫度而變化的特性。研究表明信號頻率對互參數(shù)產(chǎn)生了重要的影響。多導線的

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

9、度評價分析方法,建立了相應的多參變量靈敏度方程。以直接法為基礎,分別以溫度、溫度及頻率、RLCG參數(shù)為參變量,進行二次變換得到參變量的列向量,推導出了相應的靈敏度計算表達式。研究表明,信號輸出響應變化量的絕對值隨溫度的升高及頻率的降低而增加,信號響應呈衰減趨勢。研究還表明,電阻R的變化是造成信號響應改變的主要影響因素。二、在井巷圍巖散熱的應用圍巖散熱是井下風流溫度升高的主要原因之一。圍巖與風流間的換熱是非常復雜的。當風流經(jīng)過井巷時且井巷溫度與初始巖溫不同時，由于溫度差風流就要和井巷圍巖換熱，這時圍巖內(nèi)部的熱量以熱傳導的形式傳遞到井巷表面，并以對流形式傳遞給井巷風流。最終隨著時間的增長井巷壁面溫

10、度、圍巖與風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時間的增長而變大。圍巖的散熱量多少取決于圍巖及風流間的溫度差，取決于巷道的通風時間長短及通風巷道壁面的濕度，同時也取決于威嚴的導熱系數(shù)等。礦井火災和熱害問題一直是煤礦生產(chǎn)的主要威脅。人在高溫熱害礦井中工作，勞動者的身心健康受到極大影響，勞動效率下降。同時，工人的機警能力會因熱環(huán)境而降低，從而使事故的發(fā)生率上升。近年來，由于我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術，在瓦斯治理中大力推廣瓦斯抽放技術，在生產(chǎn)效率大幅提高和瓦斯涌出量大大減少的同時，造成采空區(qū)遺留殘煤多、漏風嚴重，使得自然火災頻繁發(fā)生。在采動影響下,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)生的重災區(qū)。在溫度場方程中考慮圍巖和風流的熱交換、采煤設備的放熱及采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化反應產(chǎn)熱等因素就變得十分必要。此外，在研究隧道防災、救災、以及人員逃生時,火災的初始增長階段確定隧道內(nèi)的溫度增長、煙霧擴散、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,針對不同的火災場景給出了恒定的熱釋放率；選擇包含時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隧道內(nèi)的溫度場和煙霧場等一系列研究。三、深部高溫高濕礦井熱平衡及熱舒適評價研究伴隨深部開采而來的是原巖溫度不斷升高，開采與掘進工作面的高溫熱害日益嚴重。研究高溫環(huán)境下對礦工熱舒適性的影響具有非常重要的

12、意義?！盁崾孢m”是指人體對熱環(huán)境的主觀熱反應。歐美國家對人體熱舒適性和室內(nèi)熱環(huán)境的實測與調(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?；趯ι畈扛邷馗邼竦V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上,結合深部高溫開采的實際情況，采用熱舒適性指標，對深部高溫環(huán)境下礦工熱舒適性評價進行探索性研究。通過礦工熱平衡的計算,建立了礦工熱舒適方程.介紹了礦工熱舒適性的評價指標:預測平均評價,有效溫度,過渡活動狀態(tài)的熱舒適指標,熱應力指數(shù)和風冷卻指數(shù),分析其評價的局限性,指出對深部高溫高濕礦工熱舒適性評價需要開展進一步研究的必要性等等。四、管道壁面散熱對瓦斯爆炸傳播

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,同時又是一個十分復雜的理論與實驗技術課題.如何有效地防治煤礦瓦斯爆炸事故的發(fā)生,對煤礦安全生產(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,大多認為熾熱高溫燃燒產(chǎn)物區(qū)較薄,與管壁接觸面積小,或火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快,爆炸過程中向管壁的散熱量較小,對爆炸傳播規(guī)律影響不大,從而忽略壁面散熱的影響。對于管內(nèi)瓦斯爆炸,由于熾熱高溫燃燒產(chǎn)物(火焰和不發(fā)光高溫煙氣)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,相應地減少了向未反應混合氣體的傳熱量,燃燒速度受到影響。因此,壁面的散熱損失對管內(nèi)瓦斯爆炸過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)貼絕熱材料對瓦斯爆炸火焰加速明顯,爆炸波強度增大很多,并可誘導激波的產(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導熱、擴散向未燃氣體傳遞,一部分通過膨脹做功使爆炸波強度增大,兩者均使火焰燃燒速度（傳播速度)、爆炸波強度增加。煤礦井下巷道壁面為非金屬固體物質(zhì),導熱性能差,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?爆炸波強度容易迅速增大。在此只淺析了傳熱學在安全工程學中部分應用，然而在實際生產(chǎn)活動中，傳熱學在在安全工程中的應用還有很多。盡管熱量傳遞的基本模式只有熱傳導、熱對流、熱輻射三種，但是在科技的

15、各個領域應用中卻有著各式各樣不同的熱量傳遞問題。這些問題的研究往往需要在基本規(guī)律的基礎上進一步探索才能獲得所需要的結果。因此掌握傳熱學的基本規(guī)律及研究方法是我們以后研究必備的基礎，同時對于我們今后的學習和研究將起著重大的支撐作用。對傳熱學知識理解掌握能夠使我們對熱量傳遞相關問題有著更透徹的認識，由此解決實際生產(chǎn)領域中的安全問題，促進安全工作的研究以及實踐。參考文獻1國家煤炭工業(yè)局關于高溫礦井調(diào)查報告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)熱交換及啟封時間研究. 遼寧工程技術大學學報.2003.5丁秀娟. 胡欽華. 李奎山. 等. 人體熱舒適研究進展J東莞理工學院學報. （1）：43-47.6蘇昭桂. 董文庚. 程衛(wèi)民. 高溫礦井熱舒適性及評價指標的研究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M. 徐州:中國礦業(yè)大學出版社, 1998.8林柏泉. 崔恒信. 礦井瓦斯防治理論與技術M. 徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1998.9王從陸. 伍愛友. 深部高溫高濕礦井熱平衡及熱舒適評價研究