煤矿深孔冷却水输送传热及其在矿井降温中的应用研究.pdf

硕士学位论文 煤矿深孔冷却水输送传热 及其在矿井降温中的应用研究 Study on Heat Transfer of Cooling Water Conveying in Deep Hole of Coal Mine and the Application in Mine Cooling 作 者赵旭光 导 师岳丰田 教 授 中国矿业大学 二 O 一四年六月 万方数据 中图分类号 TD727 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 煤矿深孔冷却水输送传热 及其在矿井降温中的应用研究 Study on Heat Transfer of Cooling Water Conveying in Deep Hole of Coal Mine and the Application in Mine Cooling 作 者 赵旭光 导 师 岳丰田 申请学位 工学硕士学位 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业 供热供燃气通风及空调工程 研究方向 矿井降温与能源利用 答辩委员会主席 陈振乾 评 阅 人 杨平、黄炜 二 0 一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意本人所撰写的 学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论 文的部分使用权， 即 ①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版， 可以使用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文； ②为教学和科研目的， 学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在 校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研 究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 万方数据 66 学位论文原创性声学位论文原创性声明明 本人郑重声明所呈交的学位论文煤矿深孔冷却水输送传热及其在矿井 降温中的应用研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行 的研究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 赵旭光 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位 论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写 格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本文是在导师岳丰田教授地悉心指导下完成的。从论文选题、研究思路、制定研 究计划到论文的撰写， 每一个环节都凝结着导师的智慧、 心血和汗水。 在课题研究中， 导师给予了耐心的指导和启发，更为重要的是为学生指明了正确的思考问题的方法和 科学的研究途径，使得学生的硕士论文能够顺利完成。此外，特别感谢岳老师这三年 来对我的培养和关心，不仅在学业、工作上指导我，更是以强大的人格魅力感染我、 教育我，使得我在这三年不仅在学术方面有所收获，在做人做事方面更是受益匪浅。 此外，还要特别感谢本课题组黄炜教授在我研究生期间给予的诸多帮助与教诲， 感谢课题组魏京胜老师、高涛老师、吴学慧老师等在我论文的撰写过程中对我的指导 和热情帮助。 在实验方面，作者真诚感谢张东海老师、张建功老师对我的帮助和指导，感谢同 学钟益、薛放心、周泰、范存辉、官强、刘先观、李灿辉，师弟裴昌进、罗晓松，师 妹石小丽，朋友李继扬的多方面支持和无私帮助。 在生活方面，作者要特别感谢室友曹金金硕士给予的悉心照顾，使得自己可以集 中精力完成论文。 深深感谢我的家人，感谢他们在我求学道路上的支持和鼓励，感谢他们在生活上 对我无微不至的关心和照顾。 最后，对三年来帮助过作者的老师、同学和朋友表示出由衷的感谢 衷心感谢各位专家、教授和学者对本文的审阅和指导 万方数据 I 页眉内容 摘摘 要要 根据某矿实际情况，为治理矿井热害，提出采用井上集中制冷系统，并通过 废弃的排水立管向井下进行输送冷却水的方式，施工方便，节约成本。而此种方 式也为设计提出了问题。排水管垂直向井下，埋深 666m，且直埋不保温，穿越 了恒温层和地温温升层，冷却水向下输送的冷量损失不可忽视，需要进行研究， 保证空调系统的合理性，切实解决实际矿井热害问题。 通过研究深孔冷却水送传热机理，建立传热数学模型，推导得出管内水流传 热系数理论计算公式，得出该传热与巷道岩壁的原岩温度、管壁温度、管内水流 的速度以及温度有关。 通过建立传热微分方程，确定实验研究的方式，保证实验研究与实际的紧密 结合。通过相似理论建立实验模型，并搭建水平管路实验台，包括管路系统、测 温系统、加热系统、测试与数据采集系统。通过 9 种工况的测试，研究出热量损 失变化规律、管壁温度变化规律、土壤温度变化规律，并根据实验数据，通过准 则关系式，得到不同情况下计算对流传热系数的关联式。 通过数值模拟，模拟工程实际传热方式，计算出热损失和温差，并得出影响 放热系数的主要因素是流体的速度，流体的物理性质和放热表面的状况。最后通 过工程实际计算， 得出研究背景中关于实际问题的解决， 最终提出方案的和理性。 本文为矿井降温寻找到经济合理的输冷方式，为其推广应用奠定理论基础。 该论文有图 40 幅，表 4 个，参考文献 64 篇。 关键词关键词深孔；传热；规律；热损失 万方数据 II Abstract According to the actual situation, Inoue centralized refrigeration system is presented in this paper for governance heat harm of mine through the abandoned underground drainage riser to transport the cooling water. The construction is convenient and cost savings. The design problem of this way is proposed. Drain is buried depth of 666m through the constant temperature layer and the geothermal temperature rise. So the cooling water loss can not be ignored. There is a need for research to ensure the rationality of the air conditioning system and solve practical mine thermal pollution problems. Through the study of heat transfer mechanism of deep hole water conveying, Heat transfer mathematical model is established, and the theory of heat transfer coefficient calculation ula derived tube. It is concluded that the heat transfer and the original rock of the roadway rock temperature, wall temperature, tube and the speed of the water temperature. By establishing the differential equation of heat transfer, determine the way of experiment and research to ensure that the experimental research and practical. Through the similarity theory to establish the experimental model, and set up horizontal test bench, including pipeline system, temperature measurement system, heating system, testing and data collecting system. Through the test 9 kinds of working condition, work out heat loss change rule, tube wall temperature, soil temperature, and according to the experimental data, through the criterion equation, calculated in the case of the different convection heat transfer coefficient correlations. Through numerical simulation of engineering practical way of heat transfer, calculate the heat loss and the temperature difference. It is concluded that the main factors influencing the exothermic coefficient is the speed of the fluid, the physical properties of the fluid and the condition of the heating surface. Finally, through practical engineering calculation, it is concluded that the research background of the actual problem, finally putting forward solutions and rationality. In this paper, search the economic and reasonable way of transporting cold for the mine cooling, laying theoretical basis for its popularization and application There are 40 figures, 4 tables and 64 references. Keywords deep hole; heat transfer; law; heat loss 万方数据 III 页眉内容 目 录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ III 图清单图清单 ....................................................................................................................... VII 表清单表清单 .......................................................................................................................... X 变量注释表变量注释表 ................................................................................................................ XI 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................ 1 1.2 矿井降温技术的研究现状 .................................................................................... 3 1.3 地埋管传热研究现状 ............................................................................................ 5 1.4 研究现状总结 ........................................................................................................ 9 1.5 研究内容与方法 .................................................................................................. 10 1.6 本章小结 .............................................................................................................. 12 2 深孔冷深孔冷却却水输送水输送传热传热机理与数学模型机理与数学模型................................................................. 13 2.1 深孔冷却水输送传热机理 .................................................................................. 13 2.2 深孔冷却水输送传热数学模型 .......................................................................... 15 2.3 本章小结 .............................................................................................................. 18 3 实验模型建立实验模型建立 ......................................................................................................... 19 3.1 研究概述 .............................................................................................................. 19 3.2 相似理论 .............................................................................................................. 20 3.3 实验平台设计 ...................................................................................................... 24 3.4 实验平台搭建 ...................................................................................................... 25 3.5 数据准备 .............................................................................................................. 33 3.6 本章小结 .............................................................................................................. 34 4 实验数据分析与结论实验数据分析与结论 ............................................................................................. 35 4.1 实验过程 .............................................................................................................. 35 4.2 实验结果与分析 .................................................................................................. 35 4.3 本章小结 .............................................................................................................. 45 5 模拟实验模拟实验 ................................................................................................................. 47 万方数据 IV 5.1 数值计算方法简介 .............................................................................................. 47 5.2 有限体积法基本思想和 FLUENT 简介 ............................................................. 48 5.3 深孔冷却水输送传热方程及模型的建立 .......................................................... 49 5.4 本章小结 .............................................................................................................. 54 6 工程应用工程应用 ................................................................................................................. 55 6.1 实际工程地质条件 .............................................................................................. 55 6.2 数值计算 .............................................................................................................. 55 6.3 本章小结 .............................................................................................................. 57 7 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 59 7.1 结论 ...................................................................................................................... 59 7.2 展望 ...................................................................................................................... 59 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 61 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 65 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 66 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 67 万方数据 V 页眉内容 Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ....................................................................................................................... V List of Figures .............................................................................................................. V List of Tables ................................................................................................................ X List of Variables........................................................................................................... X 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Background ............................................................................................. 1 1.2 Research Status of the Mine Cooling Technology .................................................. 3 1.3 Research Status of Buried Tube Heat Transfer ....................................................... 5 1.4 Research Status Conclusions .................................................................................. 9 1.5 Research Content and .............................................................................. 10 1.6 Conclusions ........................................................................................................... 12 2 Heat Transfer Mechanism and Mathematical Model of Cooling Water Conveying through Deep Hole .................................................................................. 13 2.1 Heat Transfer Mechanism of Cooling Water Conveying through Deep Hole .... 13 2.2 Heat Transfer Mathematical Model of CoolingWater Conveying through Deep Hole .............................................................................................................................. 15 2.3 Conclusions ........................................................................................................... 18 3 Experimental Model ............................................................................................... 19 3.1 Research Overview ............................................................................................... 19 3.2 Similarity Theory .................................................................................................. 20 3.3 Experiment Plat Designing ........................................................................... 24 3.4 Experiment Plat Building .............................................................................. 25 3.5 Data Preparation ................................................................................................... 33 3.6 Conclusions ........................................................................................................... 34 4 Analysis and Conclusion of Experimental Data ................................................... 35 4.1 Experimental Process ............................................................................................ 35 4.2 Experiment Result and Analysis ......................................................................... 35 4.3 Conclusions ........................................................................................................... 45 万方数据 VI 5 Simulation ................................................................................................................ 47 5.1 Numerical Calculation ............................................................................. 47 5.2 Introduction to Finite Volume and FLUENT .......................................... 48 5.3 Heat Transfer Equation and Model of Water Conveying through Deep Hole ...... 49 5.4 Conclusions ........................................................................................................... 53 6 Engineering Application ......................................................................................... 55 6.1 Engineering Geological Conditions ...................................................................... 55 6.2 Numerical Calculation .......................................................................................... 55 6.3 Conclusions ........................................................................................................... 57 7 Conclusions and Prospects ..................................................................................... 59 7.1 Conclusions ..................