煤自燃热空气环境模拟系统

2020-11-02陈清华陈文涛秦汝祥徐同震刘雅瑞

煤矿安全 2020年10期

陈清华，陈文涛，秦汝祥，高伟，徐同震，刘雅瑞

（1.安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室，安徽淮南232001；2.省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室（安徽理工大学），安徽淮南232001）

煤经过长期大量的堆积，会缓慢氧化发热，如果热量无法及时散发或传递，温度会逐渐升高，最终导致自燃起火。由于现场试验工作量大且难以实施，通过建立相似模拟试验装置研究煤自燃发火规律，成为重要研究手段之一[1-2]。煤低温氧化进程与空气温度、湿度、氧浓度等多种因素有关，而如何真实模拟现场实际气流和温湿度环境，直接决定模拟试验结果的准确性和可靠性。

为了准确调控温度参数以模拟不同气温环境，通常需要设计空气加热装置，针对不同研究需要有关学者设计了各种空气加热器。例如，曹春华[3]为了在碱回收炉中实现蒸汽冷凝水，设计了一种高低压蒸汽空气加热系统；泰国农业大学Sompol Skullong[4]为了研究安装三角翼型涡发生器的太阳能空气加热器通道的传热和流动摩擦特性，对太阳能空气加热器进行了改进设计；由于再生用压缩空气的温度可有效提高再生效率，武汉第二船舶设计研究所张思平[5]等针对该问题采用传统理论计算方法对错排式加热器参数进行设计；东北电力大学能源与机械工程学院孙佰仲[6]为了优化高温空气加热器，将电磁感应加热技术应用到空气加热领域；高温空气加热器是高温空气点火试验台的关键设备，为此杭州电子科技大学聂欣等[7]将中频加热器和静态混合器相结合，进而开发了一种新型的混合器式高温空气加热器。

综上所述，有关学者基于不同应用场景对空气加热技术和技术进行了研究，并取得了大量成果，但应用于煤自燃研究的空气加热器尚未见报道。为此基于现场实际以及煤自燃试验研究需求，研制了一种新型空气加热器，将螺旋盘管换热器应用于该研究方向，结合理论计算，对空气加热器进行设计。

1 总体结构

空气加热器工作流程图如图1。环境模拟系统结构示意图如图2。

图1 空气加热器工作流程图Fig.1 Flow chart of air heater

设备通过气泵将空气泵入盘管，通过油浴设备内循环加热盘管[8]，盘管对内部空气进行加热，经过加热后的空气通入与空气加热器相连的环境模拟箱，模拟在不同温度的环境条件下的煤实际贮藏情况，并观察不同温度的环境条件下的煤自燃情况，为煤贮藏安全提供更有参考性的数据[9-10]。

图2 环境模拟系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the environment simulation system

2 关键技术

2.1 螺旋盘管换热器计算

本设计中，油浴设备的实际储油空间尺寸为：长a=0.44 m，宽b=0.325 m，高c=0.21 m。螺旋盘管的平均半径取螺旋中心线到盘管中心线的距离R=0.115 m，盘管内径D=0.008 m，盘管外径d0=0.01 m，螺旋盘管的平均直径DH=0.23 m，螺距P=0.015 m，设备开启后气体流量q=16 L/min，油液温度始终保持，通过螺旋盘管加热空气，使入口温度为20 ℃的空气在出口时可达到最高80 ℃左右的出口温度。

螺旋盘管换热器的设计计算流程图如图3。

图3 设计计算流程图Fig.3 Design and calculation flow chart

螺旋盘管换热器的主要设计程序[11]如下：

N 圈盘管所需的长度L 为：

式中：P 为螺距，m；R 为螺旋中心线到盘管中心线的距离，m；N 为圈数。

盘管所占的体积VC为：

式中：K 为流体的导热率，kcal/（h·m·℃）；pr为普兰德数，无因次[12]；μ 为在全容积流体平均温度下的流体黏度；μω为在管壁温度下的流体黏度。

流体在盘管内流动时，传热系数ht0可以使用常规方法计算。根据盘管内径得到的传热系数ht是用求解直管的方法求得的，接着用［1+3.5（D/DH）］乘以ht进行修正，从而得到螺旋盘管的传热系数hte[13]。

综合可得：h0=1.89，hte=2.12，ht0=0.169 6。

总传热系数U 为：

式中：x 为盘管壁厚，x=（d0-D）/2=0.001 m；Rt、Rσ为污垢系数，均取决于流体的性质，即流体的操作温度、流速等，取值均为1.4×10-5（h·m2·℃）/kcal；Kt为黄铜的导热率，109 kcal/（h·m·℃）。

可得：U=5.896 3。

对数平均温差△tm为:

式中：T 为盘管换热器外部加热温度，250 ℃；t1为空气初始温度值，20 ℃；t2为预期出口温度值，80 ℃。

可得△tm=198.5。由于2 种流体的运动呈垂直状[14]，故取校正系数为0.99，则校正对数平均温差△tc=0.99×198.5=196.52。

热负荷Q 为:

式中：q 为流体的体积流率，0.96 m3/h；λ 为换算系数，1.293；cp为定压比热容，1 kJ/（kg·K）；△t 为出入口空气差值，△t=t2－t1=60 ℃。

则Q=74.476 8 kcal。

加热所需面积A 为:

则A=0.06 m2。

计算盘管所需圈数N 为：

得N=2.64，盘管所需圈数为整数，故取N=3，即实际盘管圈数为3 圈，此时盘管长度为2.198 1 m。

2.2 空气加热器结构

获得加热盘管的各项尺寸参数之后，综合考虑空气能够在加热器内部充分换热以确定加热盘管的圈数以及管长。根据油浴设备的具体尺寸结合热能损耗原则便可以确定整个盘管的尺寸[15]，盘管外部直径为10 mm，螺旋圈数为3，盘管盘旋直径为200 m。盘管的盘绕方式如图4。

在实际的油浴加热箱中，沿着空气流向方向，根据实际体积以及加热需求，采用图4（b）进行布置，间隔固定间距，形成网络。加热箱中间空腔充斥加热用高温硅油，并盘旋固定有螺旋加热盘管，进出口处采用绝热陶瓷进行绝热。

3 试验测试

为检测所设计加热器的控温精度、空气出口温度及空气加热效率等，利用温度传感器在加热器的加热区域以及空气出口处测定所需温度值[16]。

实际环境空气温度为18.858 ℃，将油浴加热器设置为不同的温度值，打开气泵并通入不同流速的空气，分别为2.21、4.42、6.63、8.84 m/s。

相同温度时，流速越低其加热效率越低，从25℃加热至30 ℃时，当流速为2.21、4.42、6.63 m/s 时，空气加热效率从低水平快速上升至较高的水平，而流速为8.84 m/s 时略有上升。加热温度从30 ℃上升至70 ℃上升的过程中，效率略有上升并保持动态的趋势稳定。30～70 ℃的加热过程中，流速从低到高的加热效率平均值分别为59.75%、68.62%、71.9%、76.36%，呈现上升趋势，可推测，一定温度下，当流速不断升高时，空气加热效率会持续上升。