传热学在安全工程中的应用知识讲解

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:the heat transfer is ubiquitous, including energy and 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 agricultural 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, and pipeline wall heat effect on gas explosion propagation characteristics research and so on.

Key words: heat transfer; temperature; signal; fire; mine; heat radiation

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