冷凝段翅片类型对热管抑制煤自燃的降温效应影响研究

2020-11-04王建国郑晨光王延秋

矿业安全与环保 2020年5期

王建国，郑晨光，王延秋

(西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054)

煤在自然堆积状态下由于煤—氧复合效应会引起煤堆内部热量积累，容易导致煤堆自燃[1-2]。煤堆自燃不仅会造成资源浪费，还会影响煤炭企业的正常生产，另外，煤自燃产生的有害气体也会污染环境，危害人们的身心健康，甚至威胁人们的生命[3-4]。

目前防治煤堆自燃的方法主要有挖掘熄灭法、注阻燃剂法、注水法、“打密眼”法等[5-8]。挖掘熄灭法受限于煤堆大小，工程量大且降温效率低；注阻燃剂法防治成本太高；注水法耗水量大，而且水很难有效地到达高温热源点，水在降温的同时，可能会与温度较高的煤炭发生化学反应生成“水煤气”，反而会对煤炭自燃起到促进作用；“打密眼”法是利用煤体内部的水分受热后蒸发，热量借助于“烟囱效应”经孔隙释放出来，从而达到冷却自燃煤堆的目的，该方法受煤炭本身水分的影响较大，有较大的局限性[9]。

重力热管是一种具有气液两相对流循环的高效传热元件，因其具有良好的传热效率、适应温度范围广及单向导热等特点，在寒区工程、制冷、电子设备冷却、余热回收、地热资源利用等领域得到广泛应用[10-13]。热管的高传热和等温特性可以有效抑制煤自燃，利用热管导出煤体中积蓄的热量，破坏煤体的蓄热环境，达到防止煤自燃的目的[14-15]。冷凝段的翅片类型会导致热管表现出不同的运行特性，进而影响热管抑制煤自燃的降温效应，但是目前鲜见这方面的研究。鉴于此，构建热管移热防控煤堆自燃试验系统，研究冷凝段翅片类型对热管抑制煤自燃的降温效应影响，以期为热管移热防控煤堆自燃的现场应用提供参考。

1 重力热管移热原理

重力热管，也称为两相热虹吸管，可据结构功能将其分为3部分，即蒸发段、绝热段和冷凝段[16-17]，如图1 所示。

图1 重力热管工作原理示意图

使用时将蒸发段埋入煤堆高温热源点附近，热管内工质液吸热变为蒸汽，在气压差作用下蒸汽上升至冷凝段，与较低温度的管壁进行接触热交换，然后冷凝液化，在重力作用下沿管壁返流至蒸发段[18-19]，如此循环往复，就可以将煤堆内部积聚的热量不断运移到大气，破坏煤体的蓄热环境，从而达到降低煤体温度、防止煤自燃的目的。

热管中的蒸汽温度是在特定工作条件下的饱和温度，因此蒸发段和冷凝段的壁温沿轴向变化很小，即可进行平均处理[20]，据此可以假设蒸发段和冷凝段之间没有热传导；工质蒸汽和液体都处于饱和温度、饱和压力之下，热管的所有工作条件都低于传热极限。

2 实验装置与方法

2.1 实验装置

实验装置采用自行搭建的热管移热防控煤堆自燃试验系统，如图2所示，该系统主要由储煤箱、电加热板、热管、数据采集系统等组成。储煤箱由2个矩形箱焊接而成，为了保温，在箱体夹层内填充玻璃纤维；1.5 kW的圆形电热板用于加热煤堆，可用以模拟煤堆内的高温区；温度传感器采用Pt100热电阻，与温度巡检仪连接，实时监测箱体内的温度变化；温度巡检仪与电脑连接，以实时观测、记录实验结果。

图2 热管移热防控煤堆自燃试验系统

实验采用碳钢—水重力热管，充液率为20%，其工作温度为50～250 ℃，对应的内部工作压力为0.012～3.974 MPa。重力热管设计总长度为1 400 mm,外径为32 mm，壁厚为3 mm，冷凝段总长594 mm。冷凝段共设计4种类型，即冷凝段无翅片、垂直翅片、弯曲垂直翅片、圆形翅片，设计中保证冷凝段不同翅片增加的散热面积相等。4种不同翅片热管的俯视图如图3所示。

图3 不同翅片热管俯视图

2.2 实验方法

热管预埋于煤堆中，在热管周围水平和竖直方向按一定间距设置测温点，竖直方向按3个水平设置测点，每个水平面间距为200 mm。同一个水平面上测点呈三角形布置，测点间距为100 mm，热管处于三角形中心，共布置19个测点。测点布置如图4所示。

(a)水平方向测点

(b)竖直方向测点图4 实验测点布置示意图

接通电加热板电源，模拟煤堆高温热源，观察数据采集系统的实时数据显示面板，当高温热源检测点(21号测点)达到实验设定温度时，断开电加热板电源，并启动数据采集系统的“记录数据”，每隔 30 min 记录一组数据，每次实验完成后对实验数据进行分析处理。

3 实验结果与分析

3.1 热管降温效应分析

为研究冷凝段翅片类型对热管抑制煤自燃的降温效应的影响，通过温度传感器实时测得煤体中高温热源点(21号测点)的温度，并绘制降温曲线，如图5所示。

图5 热管影响下煤体中高温热源点降温曲线

由图5可见，降温曲线大体可分为3个阶段，即大幅下降阶段、过渡阶段及稳定平缓阶段。在 75 ℃ 至50 ℃范围内降温幅度最大，在该阶段，由于起始温度较高，在煤体内部形成了较大的温度梯度，致使热管内工质蒸发加剧，热管移热效率提高，因此温度呈大幅下降趋势；在过渡阶段，随着前一阶段的散热，煤体温度已大幅降低，煤体内部的温度梯度变小，热管中的相变现象逐渐减弱，热管工作模式由相变传热变为管壁传热，其温度略高于或低于热管工作温度的下限，导致热管的传热效率不断降低；在稳定平缓阶段，煤体温度已接近于室温，煤体内部温度趋于一致，缺乏传递热量的动力，煤体温度低于热管工作温度下限，换热停滞，热管基本停止工作，此时煤体温度变化趋于停滞。

从图5还可以看出，弯曲垂直翅片热管在以上 3个阶段导致的煤体降温幅度均要大于其他3种翅片类型的热管，其中无翅片热管引起的降温幅度最小，弯曲垂直翅片热管的移热降温效果相对最好。

3.2 降温曲线拟合

由于4种热管影响下的煤体中的高温热源点的降温曲线相接近，为进一步分析其降温规律，对4种降温曲线进行非线性回归拟合，拟合结果如表1 所示。

表1 热管影响下降温曲线拟合结果

由表1可知，降温曲线拟合度为0.987 16～0.992 50，拟合结果良好。降温曲线均符合同一公式：

θ=Atb

(1)

式中：θ为煤堆内部热源温度，℃；t为时间间隔，h；A、b为修正系数，其中A取决于煤堆热源初始温度，b反映了热管移热降温能力的大小。

3.3 降温速率衰减幅度

通过煤体中高温热源点的降温速率衰减幅度，可分析不同翅片类型热管移热能力的好坏。定义降温速率衰减幅度的计算公式如下：

(2)

式中：η为降温速率衰减幅度，%；v1为初始温度降至 50 ℃ 时的降温速率，℃/h；v2为50 ℃后相同时间段内的降温速率，℃/h。

不同翅片类型热管降温速率衰减幅度计算结果如表2 所示。

表2 热管降温速率衰减幅度

从表2可以看出，无翅片热管作用下的高温煤体在50 ℃前后的降温速率衰减幅度为62.92%，明显小于另外3种翅片类型热管作用下的降温速率衰减幅度，而弯曲垂直翅片热管作用下的高温煤体在50 ℃前后的降温速率衰减幅度最大为64.98%，即有：

η无<η垂<η圆<η弯

(3)

热管作用下高温煤体在50 ℃前后降温速率衰减幅度越大，说明50 ℃前热管参与煤堆内部高温热源热量转移能力越强。与垂直、圆形两种平面翅片的热管相比较，弯曲垂直翅片热管由于翅片曲面的扰动作用使得流经冷凝段风流的流动状态发生变化，增强了冷凝段与空气间的对流换热，故弯曲垂直翅片热管的移热能力要好于其他3种热管。

3.4 热管对煤堆内部温度场的影响

在热管的降温效应作用下，煤堆内部温度场随与热管距离的不同而变化。依据煤堆内部的测点布置情况，在竖直方向上将测点分为上水平、中水平、下水平3种分布类型，在水平方向上分为距热管100、200 mm两种类型，对同水平等距离测点所测温度进行平均处理，温度处理公式如下：

上水平温度：

(4)

(5)

中水平温度：

(6)

(7)

下水平温度：

(8)

(9)

式中θ3～θ19为各测点所测温度，下标为对应测点编号。

根据以上实验结果，选用移热能力相对较好的弯曲垂直翅片热管进行热管移热防控煤堆自燃实验。因热管降温效应，煤堆内部下水平、中水平、上水平3个水平面温度场随时间的变化曲线分别如图6、图7、图8所示。

图6 下水平温度场变化趋势图

图7 中水平温度场变化趋势图

图8 上水平温度场变化趋势图

由图6可见，热管的有效作用半径是影响距热管100、200 mm处温度场变化的主要原因。热管的降温效应对距热管100 mm内的温度场有更显著的影响。由于距离煤堆热源点更近，实验开始距热管 100 mm 处温度增长率高于距热管200 mm处，温度上升至峰值后在热管的移热作用下开始下降，距热管100 mm处降温速率要大于距热管200 mm处降温速率。此时热管降温方式为工质相变移热。

由图7可见，中水平温度场距离煤堆热源点较远，由于煤体导热性差，热阻大，热量传递能力较弱，所以在实验初始阶段，当距热管100 mm处的温度在上升时，距热管200 mm处仍处于自然降温过程。在温度整体上升阶段，距热管100 mm与200 mm处温度增长率基本一致，原因是这个阶段主要为煤体之间的热量传递，其影响因素主要为煤的导热系数。此时煤温低于热管工作温度，热管处于“休眠状态”，主要依靠管壁移热。

由图8可见，上水平温度场距热源点最远，距煤堆表面最近，外界温度对其温度变化影响更大。距热管100 mm与200 mm处的温度上升、下降的速率基本保持一致。二者之间的差异主要受热管管壁移热的影响。