深部矿山制冷通风系统热力学分析及优化
发布时间：2022-01-25 13:15
随着金属矿山开采深度的不断增加,井下热害问题愈发严重,已经成为制约金属矿山深井开采的关键问题。由于体积庞大、负荷多变,矿山制冷通风系统往往伴随着高投资和高功耗,在系统设计过程中,需要对系统结构和运行参数进行优化。常见的是以熵产数、（?）损失、（火积）耗散等准则数为基础的热力系统优化方法,这些方法以减小系统不可逆性为目标,但系统不可逆性最小时往往与实际优化目标并不一致。另一方面,传统的系统建模方法忽视了系统的整体约束关系,割裂了系统的整体特性,求解过程复杂。本文首先基于国内某金属矿山的调研数据建立了深部采场工作面物理模型和传热传质模型,对深部矿山工作面热湿负荷及制冷负荷进行了热力计算。在此基础上,提出了一种变工况采场通风冷却模式,利用遗传算法计算最佳送风参数为26℃、80.8%RH、27.70kg/s。利用CFD软件对三种不同通风模式的模拟计算结果进行了比较,结果显示,变工况通风冷却模式冷却效果好、冷量浪费少,设计时可优先考虑。然后,根据工程实际对深部矿山制冷通风系统流程进行了设计,确定了系统负荷及边界条件。通过相应的假设或简化建立了深部矿山制冷通风系统的物理模型。通过分析物理模型中的传...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２冰制冷技术示意图??２??
?第１章绪论???基于这些问题，有学者ｍ提出了如图１．３所示的以矿井水为冷源的水源热泵??制冷技术。制冷机组从矿井涌水中提取冷量并通过各级冷站产生低参数空气，高??温回水泵送到地面以供使用。该方法功耗低，投资少，运行成本低，可以实现能??源回收利用。现阶段水源热泵系统也存在一定的问题，主要包括设备散热困难、??水量要求较大等。?????１生活生产用水??热水水仓?一？￣？制冷机沮??？???ｙ??ｒ￣ｒ?地靣??，１?Ｔｔ??井下水仓?换热器??井下水?（Ｓ）????冷空气??ｔ＿Ｌ——Ｊ热空气??？■■■■＿?丨?冷站??工作面??图１．３水源热泵制冷技术示意图??矿山制冷系统的设计是基于实际情况进行的，以最大程度改善工作面热环境，??降低投资和运营成本。ＮｉＵｌ１４］等以高温矿井为研宄对象，集成了水源热泵和中央??空调技术，设计了矿井冷却与热能利用综合系统，实现了设备投资和运营成本的??大幅降低以及能源的循环利用。Ｇｕ〇ｌ１５ｌ提出了一种地热循环系统，以解决普通制??冷系统能量密集且效率低下的问题。以上研宄工作为本课题热力系统设计提供了??参考。??１．３基于不可逆性准则函数的热力学优化方法??在实际的热力系统设计及运行过程中，需优化系统的结构参数和运行参数，??以提升系统性能，满足设计和运行过程的实际需求。众多研宄者提出了以熵产、??烟损失、（火积）耗散等准则函数为代表的热力系统优化方法。??为了分析和优化热力系统，Ｂｅｊａｎ［１６“８ｌ推导了由于不可逆性导致的熵产的表??达式，以系统熵产最小作为优化目标，优化了布雷顿循环。以熵产最小作为优化??目标的
??第２章深部矿山热环境分析及通风模式设计??随着金属矿山开采深度的逐渐增加，热湿负荷升高，通风不畅，井下热害问??题愈发严重。为解决热害问题，需要结合实际情况，构建深部矿山物理模型，以??分析深部工作面热环境，设计合理的深井通风模式。??２．１深部矿山通风模型构建??为设计一套合理且高效的深部矿山制冷通风系统，需要根据矿山实际生产及??通风情况设计送风模式、估算制冷系统负荷。首先需根据矿山实际情况，构建深??部矿山通风模型，分析深部矿山热环境。常见的矿山开采与通风系统结构如图２．１??所示。在矿山开采中，以每１００ｍ左右采深为一个中段，包括一个中段巷及３￣４??个分段巷，每个巷道中设置多个采场进行矿石开采，并统一汇集到中段巷中提升??到地面。新鲜风流在风机产生的负压作用下由地面经过通风井送到各分段巷及中??段巷，再由各采场入口的局部风机送到工作面。根据某金属矿山的实际调研情况，??为提髙开采效率和通风效果，矿井同时开采的中段不超过２个，每个分段巷正在??工作的采场数量不超过３个。一般巷道设计参数为４．３ｍ（巷道宽度）ｘ３．５ｍ?（总垂??高），顶部椭圆高度为巷道宽度的１／４。??地面?通巧井?斜＾道???中段?ｒ?ｗｌ?．－－一…，…一－??－－；??、丨?ｉｉ?１?丨??回风４?三／．?．＇ｉｉｆ?｜?｜?丨?ｆ??＾?ｉ?｜?＿?＾７?一?Ｌ?回风井??｜?二?分段巷??Ｍ?＾?１?ｎ?一丄ｉ?ｉ中段巷??图２．１深部矿山开采与通风系统模型??基于对某金属矿山的实际调研结果，为简化计算流程，本文取一个分段巷为??研宄目标，建立了深部矿山工作面物理模型，如图２．２所示，模型假设如下：斜??
【参考文献】：
期刊论文
[1]不可逆循环的广义热力学动态优化研究进展[J]. 陈林根,夏少军,冯辉君. 中国科学:技术科学. 2019(11)
[2]基于火积耗散热阻的新型板式省煤器传热分析[J]. 徐迅,吴俐俊. 热能动力工程. 2019(12)
[3]基于熵产理论设计方法的多目标翼型优化[J]. 王威,王军,梁钟,李佳峻. 空气动力学学报. 2019(05)
[4]基于火积理论的螺旋折流板换热器的优化结构分析[J]. 刘海燕,王萌萌,金劲涛,顾昕. 热能动力工程. 2019(10)
[5]基于遗传算法的CO2热泵热水器系统优化研究[J]. 张旭,吕静,王太晟,李果,胡晨曦,陈俊卓. 建筑热能通风空调. 2019(09)
[6]余热回收发电系统的能量流模型及优化[J]. 陈曦,陈宏,辛献云,陈群. 工程热物理学报. 2019(03)
[7]Implementing a DIKW model on a deep mine cooling system[J]. Jan Gabriel Pretorius,Marc John Mathews,Philip Maré,Marius Kleingeld,Johann van Rensburg. International Journal of Mining Science and Technology. 2019(02)
[8]基于能量流的电热综合能源系统弃风消纳优化调度模型[J]. 杨帅,陈磊,徐飞,孙亮,陈群,贺克伦,姜拓,戴远航. 电网技术. 2018(02)
[9]基于(火积)理论的热系统分析和优化的能量流法[J]. 陈群,郝俊红,付荣桓,王怡飞,赵思玉,赵甜. 工程热物理学报. 2017(07)
[10]相变换热系统的能量流模型及其应用[J]. 陈曦,齐腾云,蒋春涛,钟英彪,赵思玉,陈群. 工程热物理学报. 2017(03)
博士论文
[1]换热器及散热通道网络热性能的火积分析[D]. 柳雄斌.清华大学 2009
硕士论文
[1]基于（火用）分析法的太阳能辅助燃煤发电系统性能优化[D]. 蔡文汇.华北电力大学 2014
[2]建筑热环境控制中换热网络的优化分析[D]. 张海强.清华大学 2011
本文编号：3608602
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２冰制冷技术示意图??２??
?第１章绪论???基于这些问题，有学者ｍ提出了如图１．３所示的以矿井水为冷源的水源热泵??制冷技术。制冷机组从矿井涌水中提取冷量并通过各级冷站产生低参数空气，高??温回水泵送到地面以供使用。该方法功耗低，投资少，运行成本低，可以实现能??源回收利用。现阶段水源热泵系统也存在一定的问题，主要包括设备散热困难、??水量要求较大等。?????１生活生产用水??热水水仓?一？￣？制冷机沮??？???ｙ??ｒ￣ｒ?地靣??，１?Ｔｔ??井下水仓?换热器??井下水?（Ｓ）????冷空气??ｔ＿Ｌ——Ｊ热空气??？■■■■＿?丨?冷站??工作面??图１．３水源热泵制冷技术示意图??矿山制冷系统的设计是基于实际情况进行的，以最大程度改善工作面热环境，??降低投资和运营成本。ＮｉＵｌ１４］等以高温矿井为研宄对象，集成了水源热泵和中央??空调技术，设计了矿井冷却与热能利用综合系统，实现了设备投资和运营成本的??大幅降低以及能源的循环利用。Ｇｕ〇ｌ１５ｌ提出了一种地热循环系统，以解决普通制??冷系统能量密集且效率低下的问题。以上研宄工作为本课题热力系统设计提供了??参考。??１．３基于不可逆性准则函数的热力学优化方法??在实际的热力系统设计及运行过程中，需优化系统的结构参数和运行参数，??以提升系统性能，满足设计和运行过程的实际需求。众多研宄者提出了以熵产、??烟损失、（火积）耗散等准则函数为代表的热力系统优化方法。??为了分析和优化热力系统，Ｂｅｊａｎ［１６“８ｌ推导了由于不可逆性导致的熵产的表??达式，以系统熵产最小作为优化目标，优化了布雷顿循环。以熵产最小作为优化??目标的
??第２章深部矿山热环境分析及通风模式设计??随着金属矿山开采深度的逐渐增加，热湿负荷升高，通风不畅，井下热害问??题愈发严重。为解决热害问题，需要结合实际情况，构建深部矿山物理模型，以??分析深部工作面热环境，设计合理的深井通风模式。??２．１深部矿山通风模型构建??为设计一套合理且高效的深部矿山制冷通风系统，需要根据矿山实际生产及??通风情况设计送风模式、估算制冷系统负荷。首先需根据矿山实际情况，构建深??部矿山通风模型，分析深部矿山热环境。常见的矿山开采与通风系统结构如图２．１??所示。在矿山开采中，以每１００ｍ左右采深为一个中段，包括一个中段巷及３￣４??个分段巷，每个巷道中设置多个采场进行矿石开采，并统一汇集到中段巷中提升??到地面。新鲜风流在风机产生的负压作用下由地面经过通风井送到各分段巷及中??段巷，再由各采场入口的局部风机送到工作面。根据某金属矿山的实际调研情况，??为提髙开采效率和通风效果，矿井同时开采的中段不超过２个，每个分段巷正在??工作的采场数量不超过３个。一般巷道设计参数为４．３ｍ（巷道宽度）ｘ３．５ｍ?（总垂??高），顶部椭圆高度为巷道宽度的１／４。??地面?通巧井?斜＾道???中段?ｒ?ｗｌ?．－－一…，…一－??－－；??、丨?ｉｉ?１?丨??回风４?三／．?．＇ｉｉｆ?｜?｜?丨?ｆ??＾?ｉ?｜?＿?＾７?一?Ｌ?回风井??｜?二?分段巷??Ｍ?＾?１?ｎ?一丄ｉ?ｉ中段巷??图２．１深部矿山开采与通风系统模型??基于对某金属矿山的实际调研结果，为简化计算流程，本文取一个分段巷为??研宄目标，建立了深部矿山工作面物理模型，如图２．２所示，模型假设如下：斜??
【参考文献】：
期刊论文
[1]不可逆循环的广义热力学动态优化研究进展[J]. 陈林根,夏少军,冯辉君. 中国科学:技术科学. 2019(11)
[2]基于火积耗散热阻的新型板式省煤器传热分析[J]. 徐迅,吴俐俊. 热能动力工程. 2019(12)
[3]基于熵产理论设计方法的多目标翼型优化[J]. 王威,王军,梁钟,李佳峻. 空气动力学学报. 2019(05)
[4]基于火积理论的螺旋折流板换热器的优化结构分析[J]. 刘海燕,王萌萌,金劲涛,顾昕. 热能动力工程. 2019(10)
[5]基于遗传算法的CO2热泵热水器系统优化研究[J]. 张旭,吕静,王太晟,李果,胡晨曦,陈俊卓. 建筑热能通风空调. 2019(09)
[6]余热回收发电系统的能量流模型及优化[J]. 陈曦,陈宏,辛献云,陈群. 工程热物理学报. 2019(03)
[7]Implementing a DIKW model on a deep mine cooling system[J]. Jan Gabriel Pretorius,Marc John Mathews,Philip Maré,Marius Kleingeld,Johann van Rensburg. International Journal of Mining Science and Technology. 2019(02)
[8]基于能量流的电热综合能源系统弃风消纳优化调度模型[J]. 杨帅,陈磊,徐飞,孙亮,陈群,贺克伦,姜拓,戴远航. 电网技术. 2018(02)
[9]基于(火积)理论的热系统分析和优化的能量流法[J]. 陈群,郝俊红,付荣桓,王怡飞,赵思玉,赵甜. 工程热物理学报. 2017(07)
[10]相变换热系统的能量流模型及其应用[J]. 陈曦,齐腾云,蒋春涛,钟英彪,赵思玉,陈群. 工程热物理学报. 2017(03)
博士论文
[1]换热器及散热通道网络热性能的火积分析[D]. 柳雄斌.清华大学 2009
硕士论文
[1]基于（火用）分析法的太阳能辅助燃煤发电系统性能优化[D]. 蔡文汇.华北电力大学 2014
[2]建筑热环境控制中换热网络的优化分析[D]. 张海强.清华大学 2011
本文编号：3608602
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