传热学在安全工程中的应用

传热学在安全工程中的应用摘要：传热学的应用无处不在，包括能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等传统工业，航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域。传热学在安全工程中也有着不可忽视的作用和影响，如井下的测试信号传输，在井巷围岩散热的应用，矿井的热平衡及热舒适性研究，以及管道壁面散热对瓦斯爆炸传播特性影响的研究等等。关键词：热传递；温度；信号；火灾;矿井；散热Abstract:theheattransferisubiquitous,includingenergyandpower,metallurgy,chemicalindustry,traffic,buildingmaterials,machineryandfood,lightindustry,textile,pharmaceuticalandothertraditionalindustries,aerospace,nuclearenergy,microelectronics,materials,biomedicalengineering,environmentalengineering,newenergysourceandagriculturalengineering,etc.manyhightechnologyareas.Heattransferinsafetyengineeringalsohasaroleandinfluencecannotbeignored,suchasundergroundtestsignaltransmission,intheapplicationofheatdissipationofroadwaysurroundingrock,minethermalbalanceandthermalcomfortresearch,andpipelinewallheateffectongasexplosionpropagationcharacteristicsresearchandsoon.Keywords:heattransfer;temperature;signal;fire;mine;heatradiation传热学是研究热量传递规律的科学，是研究由温差引起的热能传递规律的科学。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。由于自然界和生产技术中几乎到处存在着温度差，所以热量传递就成为自然界和生产技术中的一种非常普遍的现象。传热学在生产技术领域中的应用十分的广泛，在能源动力，化工制药，材料冶金、机械制造、建筑工程、环境保护等部门存在着大量的热量传递问题，而且还常常起着关键作用。同样，传热学在安全工程中也有着不可忽视的作用和影响，如井下的测试信号传输，对矿井火灾的影响，矿井的对流通风，矿井的热平衡及热舒适性研究，以及工业炉窑壁面散热等等。现就其中几个方面简单论述传热学在其中的应用。一、温变环境下测试信号传输的稳定性信号的多变、随机及模糊特性是制约信号特征的识别与分析准确性的一个重要方面。目前,针对信号特征的分析多集中于后续的信号处理方法的研究,而测试信号传输过程中受到的多种干扰因素,尤其是不确定的环境温度。因而,深入地研究变化的环境温度对测试信号造成的多变性为获取测试系统准确的结构原始特征具有重要的理论意义和工程价值。现今国内对此方面的研究有：（1）推导并建立信号传输载体-传输导线的热扩散方程,对导线整体进行了热电耦合受热分析。研究发现导线在完全热传导和有限空间强制对流换热环境中,温度升高迅速,即在短时间内改变了导线的参数特性,进而对信号传输产生很大的影响。（2）)以Maxwell’s方程为基础,将环境温度对导线的影响转变为对其特性参数的影响,推导出具有温度参变量的亥姆霍茨(Helmholtz)方程,由此确定了信号传输中电磁场随温度而变化的特性。研究表明信号频率对互参数产生了重要的影响。多导线的互参数也加剧了导线间信号的串扰,参数的温变及频变特性,成为信号传输响应改变的重要参数依据。（3）基于信号传输理论,以有限差分、基尔霍夫定律和FDTD方法为基础,建立了信号传输的渐变温模型并分析了信号响应变化规律。就导线的温度与时空的关联特点,分别给出了两种渐变温模型,即温度和时间为离散变量的渐变温模型Ⅰ;以时间和空间为离散变量的渐变温模型Ⅱ。研究表明:信号响应与导线温度直接相关联,随着导线温度的升高,传输参数不断变化,信号输出响应幅值逐渐衰减。在中低频范围内,信号频率较低时,信号衰减量越大。多导线结构传递信号时存在串扰现象,输出信号难以复现初始信号特征。（4）提出了信号响应在温度和频率影响下的灵敏度评价分析方法,建立了相应的多参变量灵敏度方程。以直接法为基础,分别以温度、温度及频率、RLCG参数为参变量,进行二次变换得到参变量的列向量,推导出了相应的灵敏度计算表达式。研究表明,信号输出响应变化量的绝对值随温度的升高及频率的降低而增加,信号响应呈衰减趋势。研究还表明,电阻R的变化是造成信号响应改变的主要影响因素。二、在井巷围岩散热的应用围岩散热是井下风流温度升高的主要原因之一。围岩与风流间的换热是非常复杂的。当风流经过井巷时且井巷温度与初始岩温不同时，由于温度差风流就要和井巷围岩换热，这时围岩内部的热量以热传导的形式传递到井巷表面，并以对流形式传递给井巷风流。最终随着时间的增长井巷壁面温度、围岩与风流间的换热量而逐渐减小，这样冷却围岩的范围也随着通风时间的增长而变大。围岩的散热量多少取决于围岩及风流间的温度差，取决于巷道的通风时间长短及通风巷道壁面的湿度，同时也取决于威严的导热系数等。矿井火灾和热害问题一直是煤矿生产的主要威胁。人在高温热害矿井中工作，劳动者的身心健康受到极大影响，劳动效率下降。同时，工人的机警能力会因热环境而降低，从而使事故的发生率上升。近年来，由于我国广泛采用综采放顶煤开采技术，在瓦斯治理中大力推广瓦斯抽放技术，在生产效率大幅提高和瓦斯涌出量大大减少的同时，造成采空区遗留残煤多、漏风严重，使得自然火灾频繁发生。在采动影响下,冒落岩体和遗煤在地下形成的多孔松散采空区是自燃发生的重灾区。在温度场方程中考虑围岩和风流的热交换、采煤设备的放热及采空区内遗煤氧化反应产热等因素就变得十分必要。此外，在研究隧道防灾、救灾、以及人员逃生时,火灾的初始增长阶段确定隧道内的温度增长、烟雾扩散、人员逃生以及救援位置也是非常重要的。例如研究失火隧道内温度、烟气生成等参数时,针对不同的火灾场景给出了恒定的热释放率；选择包含时间变化的热释放函数,采用数值模拟方法研究不同情况时隧道内的温度场和烟雾场等一系列研究。三、深部高温高湿矿井热平衡及热舒适评价研究伴随深部开采而来的是原岩温度不断升高，开采与掘进工作面的高温热害日益严重。研究高温环境下对矿工热舒适性的影响具有非常重要的意义。“热舒适”是指人体对热环境的主观热反应。欧美国家对人体热舒适性和室内热环境的实测与调查研究最早，所涉及的范围也最广，包括室内物理参数，空气品质及人体热舒适性等。基于对深部高温高湿矿井的研究,在分析影响矿工热舒适性环境的各种因素的基础上,结合深部高温开采的实际情况，采用热舒适性指标，对深部高温环境下矿工热舒适性评价进行探索性研究。通过矿工热平衡的计算,建立了矿工热舒适方程.介绍了矿工热舒适性的评价指标:预测平均评价,有效温度,过渡活动状态的热舒适指标,热应力指数和风冷却指数,分析其评价的局限性,指出对深部高温高湿矿工热舒适性评价需要开展进一步研究的必要性等等。四、管道壁面散热对瓦斯爆炸传播特性影响的研究矿井瓦斯爆炸是煤矿重大恶性事故之一,同时又是一个十分复杂的理论与实验技术课题.如何有效地防治煤矿瓦斯爆炸事故的发生,对煤矿安全生产具有十分重要的意义。在研究管内瓦斯爆炸传播规律时,大多认为炽热高温燃烧产物区较薄,与管壁接触面积小,或火焰传播速度较快,爆炸过程中向管壁的散热量较小,对爆炸传播规律影响不大,从而忽略壁面散热的影响。对于管内瓦斯爆炸,由于炽热高温燃烧产物(火焰和不发光高温烟气)与管壁间存有较大温差,爆炸释热中一部分不可避免地传向了壁面,相应地减少了向未反应混合气体的传热量,燃烧速度受到影响。因此,壁面的散热损失对管内瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的传播特性产生影响。研究表明，内贴绝热材料对瓦斯爆炸火焰加速明显,爆炸波强度增大很多,并可诱导激波的产生.其原因是管道内贴绝热材料后,壁面散热大幅减小,由管内瓦斯爆炸能量平衡方程知:减少的热量一部分通过导热、扩散向未燃气体传递,一部分通过膨胀做功使爆炸波强度增大,两者均使火焰燃烧速度（传播速度)、爆炸波强度增加。煤矿井下巷道壁面为非金属固体物质,导热性能差,其壁面散热条件与绝热管道相似.瓦斯爆炸事故一旦发生,火焰传播速度容易迅速提高,爆炸波强度容易迅速增大。在此只浅析了传热学在安全工程学中部分应用，然而在实际生产活动中，传热学在在安全工程中的应用还有很多。尽管热量传递的基本模式只有热传导、热对流、热辐射三种，但是在科技的各个领域应用中却有着各式各样不同的热量传递问题。这些问题的研究往往需要在基本规律的基础上进一步探索才能获得所需要的结果。因此掌握传热学的基本规律及研究方法是我们以后研究必备的基础，同时对于我们今后的学习和研究将起着重大的支撑作用。对传热学知识理解掌握能够使我们对热量传递相关问题有着更透彻的认识，由此解决实际生产领域中的安全问题，促进安全工作的研究以及实践。参考文献[1]国家煤炭工业局．关于高温矿井调查报告[R]．2003[2]司千字．高温矿井的热环境处理[J]．江苏煤炭．1999(3)．23-24．[3]杨德源．矿井风流热交换[J]．煤矿安全．2003，34(B09)：94-97．[4]王继仁.邓存宝.丁百川.矿井封闭火区热交换及启封时间研究.辽宁工程技术大学学报.2003.[5]丁秀娟.胡钦华.李奎山.等.人体热舒适研究进展[J]东莞理工学院学报.2007.14（1）：43-47.[6]苏昭桂.董文庚.程卫民.高温矿井热舒适性及评价指标的研究[J]矿业安全与环保.2008.35（3）：72-76[7]林柏泉.崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.[8]林柏泉.崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.[9]王从陆.伍爱友.深部高温高湿矿井热平衡及热舒适评价研究.矿业工程研究.2009[10]国家安全生产监督管理局．煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社．2007．[11]宋马俊．矿山高温和高湿的危害及预防劳动保护[J]．1990(7)．42—44．[12]高建良．巷道断面与风筒断面形状对局部通风工作面热环境模拟结果的影[J]．焦作工学院学报．2004，23(1)：1-6．[13]门秀花.李舜酩.高温环境下测试信号传输的稳定性分析.传感器与微系统.2008[14]杨世铭，陶文锉．传热学[M]．北京：高等教育出版社，1994[15]胡军华．高温深矿井风流热湿交换及配风量的计算[D]．山东：山东科技大学，2004