熱管充液率對(duì)高溫煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響分析

王建國(guó)，周侗柱，鄭晨光

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤在自然堆積時(shí)會(huì)形成較大的孔隙，煤與空氣中的氧氣接觸后會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)并蓄熱，在煤堆內(nèi)部形成高溫點(diǎn)，容易引起煤堆自燃[1]。煤堆自燃不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，影響生產(chǎn)，同時(shí)煤自燃產(chǎn)生的有害氣體也會(huì)污染環(huán)境，甚至威脅人們的生命健康[2-4]。目前，熱管移熱抑制煤堆自燃的方法已被國(guó)內(nèi)外研究者廣泛接受[5-6]，并開展了大量研究工作。孫美華[7]研究了重力熱管插入煤堆的角度、深度及間距對(duì)抑制煤堆自燃的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱管插進(jìn)煤堆深度較大、傾角為70°時(shí)，重力熱管的散熱性能最高；程方明等[8]分析了有無(wú)熱管時(shí)煤堆內(nèi)的溫度場(chǎng)，結(jié)果表明熱管可以有助于煤堆散熱，并且熱管可以使溫度等值線向熱端移動(dòng)，形成包圍熱管的“馬鞍狀”降溫模型；LI Bei等[9]分析了重力熱管對(duì)煤堆散熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重力熱管具有有效的散熱能力，煤堆內(nèi)部降溫幅度最大的區(qū)域?yàn)橹亓峁馨霃?0 mm的區(qū)域；陳清華等[10]分析了重力熱管對(duì)煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱管距熱源越近，其散熱效果越好，且熱管外側(cè)降溫效果比內(nèi)側(cè)降溫效果差；張懷潔等[11]對(duì)重力熱管幾何結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)熱管蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段長(zhǎng)度的最佳比例為10∶5∶8，此條件下熱管進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)用時(shí)最短，熱阻值最小，散熱效果最佳；鄧軍等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)熱管可以有效地延緩煤堆溫度上升，且隨著距離熱棒邊緣半徑尺寸的增大，熱管對(duì)煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響逐漸減弱。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，已有研究大多集中在熱管的外部幾何結(jié)構(gòu)、熱管的作用半徑，以及熱管的插入角度、深度等方面，對(duì)熱管充液率的研究相對(duì)較少。鑒于此，筆者采用實(shí)驗(yàn)的方法，研究熱管不同充液率對(duì)高溫煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響，以期為熱管移熱防控煤堆自燃的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 熱管移熱原理

熱管主要通過管內(nèi)的工質(zhì)液受熱后發(fā)生相變進(jìn)行熱量傳遞[13]，其結(jié)構(gòu)主要包括蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段3部分[14]。熱管工作原理如圖1所示。

圖1 熱管工作原理示意圖

當(dāng)煤堆內(nèi)部因氧化蓄熱產(chǎn)生高溫點(diǎn)時(shí)，插入熱管，熱管蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)液吸收煤堆熱量發(fā)生相變成為蒸氣[15]，當(dāng)蒸氣上升時(shí)將熱量傳遞至冷凝段；由于冷凝段暴露在空氣中，其與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，蒸氣液化后回流至熱管底部蒸發(fā)段；煤堆內(nèi)部的熱量被連續(xù)循環(huán)轉(zhuǎn)移，改變了煤堆內(nèi)部蓄熱環(huán)境，使煤堆內(nèi)部溫度降低進(jìn)而抑制煤自燃[16]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)采用自行搭建的熱管移熱防控煤堆自燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 熱管移熱防控煤堆自燃實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)煤箱體、加熱板、熱電阻、熱管、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。箱體高1.00 m，長(zhǎng)、寬均為0.68 m。實(shí)驗(yàn)采用碳鋼—水重力熱管，長(zhǎng)度約為 1 400 mm，外徑為32 mm，熱管壁厚為3 mm，最大熱阻系數(shù)為0.08 ℃/W，工質(zhì)充液率分別為10%、20%、30%、40%，工作溫度為50～250 ℃。

實(shí)驗(yàn)煤樣取自平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)5#煤層，該煤層屬于自燃煤層，該煤為半亮型煤。其硫分約為0.41%、灰分約為8.06%、發(fā)熱量約為29.83 MJ/kg。

實(shí)驗(yàn)過程中，首先預(yù)留熱管位置，在其周圍水平和垂直方向布置溫度測(cè)點(diǎn)，再接通加熱板電源模擬煤堆高溫?zé)嵩?。?dāng)測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)指定溫度時(shí)斷開加熱板電源，插入熱管，采集數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱管降溫效應(yīng)

為研究充液率對(duì)熱管抑制煤堆自燃降溫效應(yīng)的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱管不同充液率條件下煤堆內(nèi)部高溫點(diǎn)溫度，并繪制其降溫曲線，如圖3所示。

圖3 熱管不同充液率條件下煤堆內(nèi)部高溫點(diǎn)降溫曲線

由圖3可知，降溫曲線大體可以分為大幅降溫階段、過渡階段和穩(wěn)定階段3個(gè)階段。以充液率40%的熱管為例，在75～46 ℃內(nèi)的大幅降溫階段，降溫速率最大，在該階段內(nèi)由于初始溫度較高，煤堆內(nèi)部溫度梯度較大，熱管內(nèi)工質(zhì)液吸熱發(fā)生相變，熱管移熱效率較高，煤堆內(nèi)熱量被快速傳遞到空氣中，溫度迅速降低至46 ℃；在46～32 ℃內(nèi)的過渡階段，降溫速率明顯變慢，這是由于經(jīng)前一階段散熱后，煤堆內(nèi)部溫度梯度變小，熱管中的工質(zhì)液相變減弱，主要散熱模式為熱管管壁與空氣發(fā)生對(duì)流換熱；在32～27 ℃內(nèi)的穩(wěn)定階段，因煤堆內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相接近，煤堆內(nèi)部基本上不存在溫度梯度，熱管基本停止工作，熱管管壁與空氣的對(duì)流換熱量很小，煤堆內(nèi)的溫度變化很小，基本趨于穩(wěn)定。

由圖3還可看出，熱管不同充液率條件下煤堆內(nèi)部高溫點(diǎn)的降溫速率也不同，尤其在大幅降溫階段表現(xiàn)出明顯的差異；在過渡階段和穩(wěn)定階段，由于散熱作用效果不同，故充液率對(duì)熱管降溫速率的影響不明顯。

在熱管作用下煤堆內(nèi)部高溫點(diǎn)降溫速率可以表征熱管移熱性能的優(yōu)劣。熱管不同充液率條件下不同熱源時(shí)的降溫速率曲線如圖4所示。

圖4 熱管不同充液率條件下不同熱源時(shí)的降溫速率曲線

由圖4可知，熱管不同充液率條件下在高溫及低溫?zé)嵩醋饔脮r(shí)煤堆內(nèi)部高溫點(diǎn)降溫速率不同，但整體變化趨勢(shì)一致，隨著充液率增大，降溫速率先減小，到達(dá)最小值(充液率為20%)后又呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

由圖4還可看出，熱管充液率為40%時(shí)，煤堆內(nèi)部高溫點(diǎn)的降溫速率最大為9.92 ℃/h，對(duì)應(yīng)的熱管移熱性能最佳，其次是充液率為10%的，充液率30%再次之，熱管充液率為20%時(shí)傳熱能力最差。

3.2 煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)變化

在熱管作用下，與煤堆高溫點(diǎn)距離不同其溫度變化情況也不同。為分析這種現(xiàn)象，選擇充液率為40%的熱管插入煤堆后對(duì)其內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。在垂直方向上將煤堆分為上、中、下3個(gè)水平面，各個(gè)水平面之間間隔200 mm，在水平方向上選擇距離熱管100 mm(A測(cè)點(diǎn))和200 mm(B測(cè)點(diǎn))布置測(cè)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比。熱管影響下煤堆內(nèi)部不同水平面2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖5～7所示。

圖5 上水平面溫度變化

由圖5可知，上水平面2個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)相似，在數(shù)值大小上存在差異，其溫度變化在1～ 2 ℃ 之內(nèi)。這是由于上水平面位于煤堆上部，距離高溫點(diǎn)最遠(yuǎn)，其溫度變化受室溫影響更大。煤堆內(nèi)的熱量散發(fā)主要依靠空氣對(duì)流換熱和熱管管壁傳熱。

由圖6可知，在中水平面，在起始時(shí)間段A測(cè)點(diǎn)煤堆溫度逐漸上升，由于煤體熱阻大，距離熱管較遠(yuǎn)的B測(cè)點(diǎn)仍處于自然降溫階段；隨著時(shí)間的推移，熱量開始向外側(cè)傳遞，B測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸上升。此時(shí)A、B測(cè)點(diǎn)的溫度上升速率基本相同，在該時(shí)間段內(nèi)熱量主要依靠煤體傳遞。由圖6還可看出，A測(cè)點(diǎn)的降溫速率略高于B測(cè)點(diǎn)，這是由于在降溫階段 A測(cè)點(diǎn)距熱管較近，受熱管管壁散熱影響所致。

圖6 中水平面溫度變化

由圖7可知，在初始溫度上升階段，由于下水平面距高溫點(diǎn)最近，受高溫點(diǎn)的影響，A測(cè)點(diǎn)溫度迅速升高，B測(cè)點(diǎn)溫度同樣升高，但峰值比A測(cè)點(diǎn)小；隨后，A、B測(cè)點(diǎn)溫度在熱管影響下開始下降，A測(cè)點(diǎn)降溫速率大于B測(cè)點(diǎn)，這是由于A測(cè)點(diǎn)靠近熱管，其熱管傳熱影響強(qiáng)于B測(cè)點(diǎn)，此時(shí)熱管的降溫方式主要為工質(zhì)相變傳熱。

圖7 下水平面溫度變化

通過對(duì)煤堆內(nèi)部不同水平面測(cè)點(diǎn)溫度變化的分析可以發(fā)現(xiàn)，熱管傳熱對(duì)煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在距離熱源點(diǎn)最近的下水平面，此時(shí)熱管的降溫方式為相變傳熱。熱管對(duì)上水平面與中水平面溫度場(chǎng)的影響較弱，此時(shí)熱管基本處于“休眠狀態(tài)”，主要依靠熱管管壁傳熱。

4 結(jié)論

1)熱管可以有效地對(duì)煤堆進(jìn)行散熱，有利于抑制煤堆自燃，其散熱過程可以分為3個(gè)階段，分別為大幅降溫階段、過渡階段、穩(wěn)定階段。

2)充液率對(duì)熱管傳熱能力有明顯的影響，充液率為40%時(shí)，熱管傳熱性能最佳，其次為10%、30%，充液率為20%時(shí)熱管傳熱能力最差。

3)熱管對(duì)煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響因其水平面位置不同，其作用方式也不同，在上水平面、中水平面主要依靠熱管管壁傳熱，下水平面主要依靠熱管工質(zhì)相變傳熱。