矿井冰降温系统融冰池融冰特性研究

摘要

我国在世界上是产煤最多的国家，也是存在高温热害矿井最多的国家。随着矿井开采深度不断加大，地温也随之升高。根据我国煤田地温观测资料统计，一般地温梯度在2～4℃／100m。矿井热害已经是客观存在的现象，高温环境导致工作效率低、工人健康受损、机电设备使用寿命降低和严重的安全隐患。面对如此多的热害矿井，如果没有完善的装备和成熟的降温技术，煤炭资源的开采就存在很大的困难，最终会影响到整个国民经济的可持续发展。因此，高温矿井降温技术的研究与试验，是当前摆在我们面前的一项重要而迫切的任务。
　　然而，矿井冰降温系统作为一项矿井空调技术在系统运行管理和控制方面都有比较高的要求，在我国还处于试验应用阶段。我国能够成熟地应用矿井冰降温系统，尚需要开展许多工作。
　　本文在前人的基础上，运用传热学的基本原理，通过实验和数值模拟得出的主要结论如下：
　　(1)通过实验得出：
　　①通过冰在水中融解的对流换热系数的实验得出了在自然对流条件和受迫对流条件下冰水间换热系数和对流传热系数准数关联式；
　　②通过单片冰在质量不同的水中融解实验得出：当片冰的厚度在0.003～0.004m，水的温度是17℃，冰温是-7℃的条件下，冰水质量比与融冰时间之间的函数关系；
　　③通过一定量片冰在质量不同的水中的融解实验得出：工况1：当片冰的厚度在0.007～0.008m，水的温度是25℃，冰温是-7℃条件下，冰水质量比与融冰时间的函数关系；工况2：当片冰的厚度在0.007～0.008m，水的温度是17℃，冰温是-7℃条件下，冰水质量比与融冰时间的函数关系；工况3：当片冰的厚度在0.003～0.004m，水的温度是25℃，冰温是-7℃条件下，冰水质量比与融冰时间的函数关系；工况4：当片冰的厚度在0.003～0.004m，水的温度是17℃，冰温是-7℃条件下，冰水质量比与融冰时间的函数关系；
　　④通过在动态的情况下冰在水中融解实验得出入口水温、水流速度、冰层高度、出口水温的实验数据，从数据可以看出如果保持冰层高度0.8～1m，水流速度不超过2m/s，补充的水量与冰量的比值最好在5～6之间，出口温度将会在0～1℃之间。
　　(2)建立了静态情况下片冰融解的数学模型，用C语言编写了静态情况下片冰融解数学模型的程序算法，把程序运行结果通过数值方法回归得到融冰时间、冰量与水量的比、片冰的厚度的函数关系。
　　(3)建立了动态情况下片冰融解的数学模型，用C语言编写了动态情况下片冰融解数学模型的程序算法，把程序运行结果通过数值方法回归得到：当系统中的水温是17℃，冰温是0℃的条件下，出水温度、冰层高度和水流速度的函数关系；以及补充的水量与冰量的比值、冰层高度、水流速度的函数关系。由此可以得出：当系统中的水温是17℃，冰温是0℃，如果保持冰层高度0.8～1m，速度不超过2m/s，补充的水量与冰量的比值最好在5～6之间，出口温度将会在0～1℃之间。
　　（4）从实验结果与数值模拟结果看，在相同的条件下，实验结果跟数值模拟的结果大致相符。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2课题研究的目的和意义

1.3国内外矿井冰降温技术研究现状分析

1.4国内外冰融化的数值模拟和实验的研究现状

1.5本论文的研究内容和技术路线

第二章 冰融化的基础理论及片冰融解的数学模型

2.1固液相变传热的理论研究

2.2对流换热的基本理论

2.3静态状态下片冰融解的数学模型

2.4动态条件下的片冰融解数学模型

2.5本章小结

第三章 片冰融解的实验研究

3.1引言

3.2冰在水中融解的对流换热系数的实验

3.3静态下冰在水中的融解实验

3.4动态下冰在水中的融解实验

3.5实验误差分析

3.6本章小结

第四章 片冰融解的数值模拟研究

4.1静态状态下片冰融解的数值模拟研究

4.2动态条件下片冰融解的数值模拟分析

4.3本章小结

第五章 实验与数值模拟的结果对比分析及融冰池的设计建议

5.1片冰融解的实验结果与数值模拟结果的对比分析

5.2矿井融冰池的设计建议

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B 片冰融解的语言程序算法