Навигация по странице:
|
КУРС ЛЕКЦИЙ Терещенко. Термодинамические и газодинамические процессы горного производства
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Кольский филиал
Петрозаводского государственного университета
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
(КУРС ЛЕКЦИЙ - УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ)
АПАТИТЫ
2010
CОДЕРЖАНИЕ
-
ТЕМА №1. ТЕПЛО ЗЕМНЫХ НЕДР
-
1.1. Термодинамические параметры земной коры
Верхняя толща горных пород Земли называется земной корой. Земная кора простирается от поверхности Земли до границы Мохоровичича, которая отделяет земную кору от мантии Земли. Мощность земной коры в среднем колеблется от 7-10 км под дном океана и до 35-40 км на континенте. Ниже земной коры располагаются верхняя и нижняя мантии Земли, далее следует внешнее и внутреннее ядра Земли.
Средняя плотность Земли составляет 5,5210 кг/м3, а средняя плотность земной коры 2,73103 кг/м3. Плотность Земли возрастает с глубиной, на поверхности она равна 2,7103 кг/м3, а во внутреннем ядре, т.е. на глубине 5100-6371 км, составляет (12-12,3)103 кг/м3. Это связано с увеличением давления Р по мере приближения от поверхности Земли к ее центру, которое можно рассчитать по следующей формуле:
 (1.1)
где r — текущее значение радиуса Земли, м;
g — ускорение свободного падения, м/с;
γ— текущее значение плотности, γ = γ(r) кг/м ;
Г— гравитационная постоянная, Г = 6,6710-11 м3/(кгс );
m— масса сферы радиусом r, кг.
Согласно выражению (1.1), давление в центре Земли должно составлять около 3,5105 млн Па.
С позиции ведения горных работ интерес представляют термодинамические параметры земной коры и то лишь в ее верхних слоях.
Температура земной коры в слое пород, непосредственно прилегающем к поверхности Земли, зависит от времени суток и года. Глубина, до которой прослеживается влияние атмосферных колебаний температуры, достигает не более 20 м (чаще всего эта глубина составляет 6-7 м). Ниже этой глубины температура пород повышается. Таким образом, существует слой породы, в котором температура остается постоянной в любое время года. Этот слой называется нейтральным. Глубина залегания нейтрального слоя Н0 (м) не одинакова для различных районов Земли, но постоянна для данного района.
С увеличением глубины Н ниже нейтрального слоя температура горных пород земной коры увеличивается приблизительно по линейному закону:
Т = То + Гr(Н-Н0), (1.2)
где Т0 — температура нейтрального слоя, К;
Гr — геотермический градиент, , К/м.
Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермическойступенью().
Согласно выражению (1.2), геотермический градиент Гr (К/м) и геотермическая ступень Гс (м/К) соответственно равны
(1.3)
. (1.4)
Среднее значение геотермического градиента составляет 0,032 К/м. Геотермический градиент изменяется от 0,008 до 0,1 К/м. Средняя его величина в районе Кольского полуострова составляет около 0,008-0,01 К/м, в Средней полосе России 0,02 К/м, а в районах локальных термоаномалий Камчатки и Кавказа она достигает 0,2 К/м.
На некоторых горнодобывающих предприятиях, особенно в районах с большими значениями геотермического градиента, на глубинах более 1,5-2 км температура горных пород превышает санитарные нормы, что требует применения специальных технико-гигиенических мероприятий для обеспечения нормальных условий труда.
При среднем геотермическом градиенте, равном 0,032 К/м, температура на глубине 5 км составит около 433 К (160°С). Количество тепла, аккумулированное в 1 км3 горных пород при их объемной теплоемкости, равной (0,8-1,2)·103 кДж/(м3·К), на этой глубине составит около (12-20) ·1013 кДж, что эквивалентно теплу, получаемому при сжигании (4,3-7,1)106т условного топлива (теплота сгорания условного топлива равна 29,3·103 кДж/кг). Для сопоставления интересно отметить, что суммарная теплота сгорания всех мировых запасов топлива составляет примерно 1610 кДж.
Так как с увеличением глубины ниже нейтрального слоя температура горных пород повышается, то, согласно второму закону термодинамики, тепло движется из глубинных слоев земной коры к ее поверхности. УдельныйтепловойпотокЗемлипри этом можно определить из выражения
(1.5)
где λ — теплопроводность горных пород, Вт/ (мК).
Знак минус в формуле (1.5) свидетельствует о том, что геотермический градиент направлен снизу вверх, а глубина — сверху вниз.
Средний удельный тепловой поток из недр Земли к ее поверхности составляет qср = 7·10-2Вт/м. Общее количество тепла, выделяемое с поверхности Земли при данном удельном тепловом потоке, составляет 8-1020 Дж/год, что эквивалентно теплу, получаемому при сжигании 27 млрд т условного топлива или примерно 1,91010 т нефти.
В области древних щитов удельный тепловой поток минимален, q = (3,3-4,6)·10-2 Вт/м, в районах молодых горных образований он достигает до 8·10-2 , а в районах современных вулканов — до (16-32)·10-2Вт/м2
Из-за малой величины удельного геотермического потока его использование в практических целях весьма сложно. Значительно больший практический интерес с точки зрения энергетических ресурсов будущего представляет использование глубинного тепла, сконцентрированного в горных породах на глубине до 3 км, в том случае, если их температура превышает 393-423 К (120-150°С). Эти условия соответствуют районам Крыма, Предкарпатья, Закарпатья. В настоящее время практический интерес представляет тепловая энергия парогидротерм и термальных вод. Парогидротермы имеются на Камчатке, Курильских островах и в других районах с давлением пара в устье скважин до (5-6)105 Па. Термальные воды обнаружены во многих районах Кавказа, Сибири, Средней Азии и других с дебитом до 50-60 м3/ч, что позволяет использовать их для теплофикации ряда городов, развития парникового хозяйства.
|
|
|
Скачать 2.8 Mb.
