Источники тепла земных недр. Использование тепла земных недр

История развития термодинамики и ее роль в современном горном производстве. Методология и задачи горной теплофизики.

           

Термодинамика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Она изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц —термодинамические системы. Процессы, происходящие в таких системах, описываются макроскопическими величинами, такими как давление или температура, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (или классическую) термодинамику, изучающую равновесные термодинамические системы и процессы в таких системах, и неравновесную термодинамику, изучающую неравновесные процессы в системах, в которых отклонение от термодинамического равновесия относительно невелико и ещё допускает термодинамическое описание.

 

 

Горная теплофизика – дисциплина, изучающая тепловые явления и процессы в горном массиве и в выработках, подземных сооружениях и скважинах при строительстве и эксплуатации горных предприятий и других объектов в земных недрах. Горная теплофизика содержит области ис-следований: теплофизика горных выработок (шахтная теплофизика); горно-технологическая теплофизика; геотермальная теплофизика. Последняя рассматривает, наряду с процессами теплопереноса, процессы переноса импульса и фильтрацию флюидов (проблема подземных тепловых котлов).

 

Целевая задача горной теплофизики состоит в прогнозировании тепловых эффектов и изменений термодинамических параметров состояния ее объектов приразного рода техногенных воздействиях с использованием полученной информации при управлении этими эффектами и изменениями для обеспечения безопасности соответствующих технологических процессов и их оптимизации по экономическим и экологическим критериям.

Методологические особенности горной теплофизики вытекают из ее прикладной направленности. Аппарат математической физики, термодинамики, математической статистики и теории подобия используется для создания возможно более полной и корректной физической модели изучаемого процесса или явления. He менее важным является и последующий этап - обоснованное упрощение этой модели с привлечением экспериментальных материалов, физического и численного моделирования применительно к поставленной технической задаче для получения количественного выражения закономерности в виде, пригодном для инженерного использования.

Перспективы использования знаний горной теплофизики (термодинамики).

Горная теплофизика - совокупность знаний о тепловых процессах и явлениях, развивающихся в горных породах, их массивах и горных выработках при освоении минеральных и других природных ресурсов земных недр.

Теплофизика горных выработок включает изучение закономерностей формирования и методы регулирования теплового режима любых открытых и подземных горных выработок, карьеров, шахт и рудников, тоннелей и других подземных и заглубленных сооружений, разведанных и технологических скважин, естественных и искусственных фильтрационных каналов. В остальных случаях регулирование теплового режима выработок не является частью самой технологии, но определяет ее надежность и безопасность.

3.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.

 

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.

Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью.

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.

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.

 

Источники тепла земных недр. Использование тепла земных недр.

Тепловое поле земной коры формируется в результате процесса теплообмена при наличии источников тепла. Теплообмен в земной коре осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

В зависимости от природы процессов, приводящих к выделению тепла в недрах Земли, источники тепла можно подразделить на два типа: первичные и вторичные.

К первичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внеземного происхождения (энергию радиоактивного распада, энергию солнечной радиации, энергию земных приливов, гравитационную энергию). К вторичным источникам относятся те, которые приобразуют в тепло энергию внутриземного происхожде­ния (энергию фазовых и химических превращений, энергию текто­нических движений). Первичные источники формируют тепловой режим Земли в целом, а вторичные — тепловые аномалии. Первич­ные источники длительны по времени (практически бесконечны) и значительны по мощности, вторичные — относительно кратковременны и маломощны.

Использование

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве тепловой и электрической энергииза счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.