导热棒提取松散高温介质内部热量的实验研究

刘 鑫，任万兴，2，石晶泰

（1.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州221116）

我国煤炭大部分具有自燃倾向性，煤堆自燃将是影响煤炭开采、运输、储存及安全管理的一大难题。现阶段投入使用的煤自燃防治技术的核心主要为隔绝氧气与煤体接触、降低煤堆内部氧气体积分数，对于提取煤堆内部热量以阻断自燃的防治方法研究较少。导热棒因具有传热能力大、启动温度低、安全经济的特点，逐渐应用于各个领域。19 世纪，J Pcking[1]发现了一种优良的散热元件，被称为帕金斯管；1965 年，Cotter[2]第1 次阐述了完整的导热棒理论；Amir F[3]进行了导热棒尺寸和管壳材质的研究；焦波等人[4]通过建立导热二维稳态模型分析了垂直放置的导热棒冷凝段的携带极限；Asghar A[5]、Richard L[6]、Marian J[7]等人，研究了适用于导热棒的最佳充液率为30 %～40 %；Chiasson A D 等人[8]将导热棒用于煤火余热回收；刘清龙等人[9]利用导热棒进行露天煤矿煤堆自燃防治，发现降温效果明显；徐礼华[10]通过现场实验，得出在煤堆中插入导热棒有明显的降温效果；马砺等[11]结合地面煤堆（矸石山）自燃特性及导热棒原理，分析了导热棒在深部移热方面具有优良的导热性；曲锐[12]通过导热棒提取煤堆热量的实验，发现加有翅片的导热棒性能优于光管；邓军等[13]得出在应用导热棒技术进行强化煤堆降温幅度时，导热棒对煤堆内部420 mm 范围内的温度场有明显降温影响；张亚平[14]通过实验分析了导热棒插入深度、数量、倾斜角度对煤堆温度变化的影响；王力伟[15]研究了充液率和冷凝段类型对导热棒移热能力的影响，得出充液率在40%左右降温速率最佳，垂直翅片和弯曲垂直翅片在不同充液率下启动性能均较好，弯曲垂直翅片的移热能力最好；王皎[16]得出煤堆内部高温区域迁移是1 个动态变化过程，导热棒降温的最佳位置为z=0 m（不宜大于0.5 m），x=1 m（不宜大于1.5 m），y=1 m；陈清华等[17]基于理论分析与数值模拟，研究得出当导热棒倾斜60°、间距0.15 m、插入600 mm 时，降温效果最佳；李文勋等人[18]提出利用低温导热棒技术降低煤堆内部温度，以防止煤堆自燃，通过实验发现此过程运行稳定、无能耗、人工维护量小、初投资低、易于实施等特点，具有很大前景。

1 导热棒原理及工质选择

导热棒的定义为：在封闭真空棒状容器内填充适量的工质，利用工质在真空棒内连续快速相变，实现热量转移的设备。结构上可划分为3 部分，从下至上为蒸发段、绝热段和冷凝段，导热棒原理如图1。

图1 导热棒原理Fig.1 Heat conducting rod principle

当导热棒竖直插入高温热源中时，由于外部环境温度高于工质的沸点，使其内部的工质吸收热源热量而蒸发成气体，其蒸气在真空环境中上升至冷凝段，使蒸气放出热量而凝结成液体，在重力的作用下沿管壁形成液膜回流至蒸发段，继续吸收高温热源的热量，从而蒸发为气体，完成1 个循环。通过工质不断地蒸发、冷凝，从而达到降温的目的。

根据煤堆自燃温度可知，用于松散高温煤岩介质的导热棒内工质的沸点需要在70 ℃左右，以保证能够控制高温区域的温度。通过对有机物和无机物的沸点、物理化学性质进行比较分析，筛选出甲醇、乙醇和正己烷作为本次研究的预选工质。

2 实验方法

2.1 工质优选实验设计

实验采用小型导热棒，总长为700 mm，其中蒸发段、绝热段、冷凝段分别长300、100、300 mm，内径为28 mm，壁厚2 mm。采用加热功率为370 W 的电加热套对导热棒蒸发段进行加热处理，充液率为40%，工质优选实验系统如图2。3 组实验均在恒功率加热10 min 后断开电源，待蒸发段温度和冷凝段温度出现交叉时，读取实验数据进行分析。

图2 工质优选实验系统Fig.2 Experimental system for optimum selection of working medium

由于每组测点对称布置在导热棒两侧，且铜的热阻较低，则其平均值可以用来表示壁内温度，蒸发段位置测点温度按式（1）进行平均化处理，其它位置测点温度处理方式相同。

2.2 导热棒散热实验

1）导热棒尺寸。本实验导热棒管壳材质采用导热系数高、热阻小的铜，导热棒设计尺寸如图3。影响导热棒降温效率的主要参数是充液率和翅片类型，根据已有研究[15]，选择充液率为40%，翅片类型为垂直翅片，在冷凝段均匀布置8 个翅片，长度为600 mm，厚度为2 mm，宽度为60 mm。

2）实验箱体。根据实验设计使用的导热棒确定箱体尺寸，实验箱体如图4。在外侧包裹1 层保温棉，厚度为10 mm，用于防止高温砂石通过箱体壁发生热传递散失热量。

图3 导热棒设计尺寸Fig.3 Design dimensions of heat conducting rod

图4 实验箱体Fig.4 Experimental chamber

3）实验方案。使用工质优选实验分析得出的甲醇工质充入导热棒进行实验。将导热棒垂直插入细砂石堆中，插入深度为500 mm，导热棒下端距离电加热板50 mm，中间以砂石隔开。在同方向上每隔50 mm 布置1 个温度测点，同方向同水平共布置3个测点，在同水平的圆周上，以导热棒为中心，前后左右均匀布置3 个测点，并进行编号，竖直方向上每隔100 mm 为1 个水平，每个水平的温度测点布置与100 mm 水平相同，4 个水平共布置48 个温度测点，记为1#～48#。采用多路温度记录仪对细砂石堆中各测点进行温度记录。将得到的实验数据进行降温幅度分析，分析导热棒对内部高温区域的降温效果、温度场的变化情况。绘制相关的温度变化趋势图，计算得出单位散热量。实验系统如图5，实验箱体内部温度测点布置示意图如图6。

3 实验结果

3.1 工质优选实验结果

图5 实验系统Fig.5 Experimental system

图6 实验箱体内部温度测点布置示意图Fig.6 Arrangement of temperature points inside the experimental chamber

蒸发段的温度变化反映了导热棒的工作范围，温度变化趋势如图7。从图7（a）可以看出，在温升阶段，甲醇和正己烷变化一致，而且启动温度较乙醇高，但在温降阶段，甲醇能够快速降到更低的温度，说明工作温度范围更大。图7（b）表明了导热棒在冷凝段的温度变化，3 种工质的启动时间相差不大，均为10 s，但是温降阶段的曲线斜率反映导热棒的工作性能，即斜率的绝对值越大，表示降温速率越快，导热棒工作性能越好。经分析，甲醇在3 种预选工质中具有更大的工作温度范围，且其工作性能最好。

3.2 导热棒散热实验结果

3.2.1 温度变化

对实验数据进行筛选后，实验箱体4 个水平上的温度变化趋势如图8。

从图8 可以看出，4 个水平位置的温度变化均可以分为快速变化阶段和平缓变化阶段，以下将100 mm 水平和200 mm 水平分为1 组，300 mm 水平和400 mm 水平分为1 组，分别分析2 组中2 个阶段的温度变化情况。

图7 温度变化趋势Fig.7 Temperature trend

图8 各水平温度变化趋势Fig.8 Temperature variation trend at all levels

1）快速变化阶段。从图8（a）、图8（b）可以看出，在距导热棒外边沿50 mm 的位置上，100 mm 水平处温度降至160 °C 左右降温幅度最大（0～2 h），此阶段的降温速率达到79.26 ℃/h，200 mm 水平处温度降至96 ℃左右降温幅度最大（0～1.5 h），该水平此阶段的降温速率达到35.31 ℃/h。这是由于电加热板在底部50 mm 水平位置进行加热，故该位置受热最早，温度最高，而在距离导热棒外边沿50 mm的位置上，因导热棒的作用，热量快速往外导出，故温度降低较快。在距导热棒外边沿100 mm 的位置上，100 mm 水平处的温度降低至152 °C 左右（0～2 h）达到稳定，降温速率为52.24 ℃/h，200 mm 水平处的温度降低至89 °C 左右（0～1.5 h）达到稳定，降温速率为16.35 ℃/h。在距导热棒150 mm 的位置上，100 mm 水平处和200 mm 水平处的降温速率分别为26.18、3.1 ℃/h，此位置因距离导热棒较远，所以降温速率较低。由此可看出100 mm 水平处和200mm 水平处的降温速率呈现出由上至下逐渐增大，由内至外逐渐减小的趋势。从图8（c）、图8（d）可以看出，在300 mm 水平处和400 mm 水平处温度有1 个快速上升的过程。在此水平位置，由于工质在导热棒底部蒸发，蒸气将热量从底部带至上水平，导致温度有所上升。300 mm 水平处的温度变化不仅受到工质蒸气携带热量的影响，还受到下水平细砂石堆高温的影响，故温升速度较快，而在400 mm 水平上，因距上表面空气较近，热量在积累的过程中也有部分散失，所以温升速度较慢。

2）平缓变化阶段。从图8 可看出，100 mm 水平处离热源较近，初始时温度较高，在导热棒工作一段时间后，将其中的一部分热量带到外界环境中，但降低至某一温度时，导热棒内部工质相变达到稳定，故此水平上的温度最终趋于同一数值。200 mm 水平处，由内至外离热源逐渐变远，在导热棒的作用下，距导热棒外边沿各位置的温度各不相同。300 mm 水平和400 mm 水平处，距导热棒外边沿100 mm 和150 mm 位置的温度最终稳定在某一相同数值，但是，由于导热棒内工质蒸气带至上平面，使得靠近导热棒部分的温度较其他地方要高，这就导致在距导热棒外边沿50 mm 位置的稳定温度高于外侧。

3.2.2 降温趋势分析

100 mm 水平及200 mm 水平上的温度有明显的降温趋势，由于这2 个水平上距导热棒相同位置的温度变化趋势较为接近，故按照距离导热棒外边沿的位置将100 mm 水平和200 mm 水平上的温度数据分为3 组，对降温曲线进行非线性回归拟合，分析在距导热棒相同位置上温度变化的统一性规律，以及对比不同位置不同水平上温度变化的差异。降温曲线拟合结果如图9。

图9 降温曲线拟合结果Fig.9 Fitting results of cooling curves

由拟合结果可知，松散高温介质在插入导热棒后，100 mm 水平和200 mm 水平上降温效果明显，且降温趋势满足一特定公式：

式中：T 为内部高温区域温度值，℃；t 为时间，h；A、b 为常数项。

设定拟合得出的公式中的A 值取决于高温区域的初始温度，初始温度越高，A 值越大，反之越小；b 值的大小反映导热棒散热能力的大小，b 值越大，说明导热棒的工作性能越佳。

4 结 论

1）100 mm 水平和200 mm 水平上的降温幅度较大，说明应用甲醇作为工质应用于导热棒散热效果较好。

2）高温区域中位于100 mm 水平和200 mm 水平上的降温趋势接近，在距导热棒外边沿50 mm 的位置上降温速率最大。2 个水平上距导热棒外边沿50 mm 的平均降温速率为57.29 ℃/h，距导热棒外边沿100 mm 的平均降温速率为34.30 °C/h，距导热棒外边沿150 mm 的平均降温速率为14.64 ℃/h。由此可得，在距离导热棒底部竖直方向200 mm 以内，水平方向150 mm 以内为导热棒散热最佳工作区域。

3）在对100 mm 水平和200 mm 水平上的降温曲线趋势进行拟合分析中，得出在松散高温介质内部插入导热棒后，温度场变化满足公式。其中A 值大小与高温区域初始温度有关，初始温度越高，A 值越大；b 值大小与导热棒的工作性能有关，取决于其降温速率，降温速率越大，b 值越大。