热管转移煤堆自燃热量的影响因素研究

2021-06-23张亚平王力伟王建国

煤矿安全 2021年6期

权欣，张亚平，宁宁，王力伟，王建国，马励

（1.西安科技大学能源学院，陕西西安710054；2.西安科技大学安全学院，陕西西安710054）

露天煤堆经长时间堆放内部会不断产生氧化热形成高温蓄热区，煤堆内的逐步氧化终将导致煤质下降甚至煤自燃[1-2]。我国有50%的煤矿矿井存在煤自然发火的危险[3]，每年因自燃而损失的煤量高达3 000多万t[4-5]。为治理煤自燃着火现象,目前主要从隔绝煤堆内氧气和降低煤堆温度2个方面考虑，常用的治理防护措施有煤堆上打密眼、注水降温和煤堆内部充入惰性气体和泡沫胶体等[6-10]，但这些方法只能在较短时间段内对煤堆自燃起到抑制作用，无法确保煤堆不会发生二次复燃。

如何长期且有效转移煤堆中热量，阻止煤堆内部热量堆积，防止煤堆内温度过热，可采用1种相变取热的高效导热装置—热管[11]来导出煤堆内积聚的热量。热管在小温差条件下即可运行且传递热量大，具有等温性好等优点，已经在大量实际工程中得到了广泛的应用。插入热管的储粮仓可在19 d内将粮仓内粮食温度降至0℃，降温速率达0.28℃/d[12]。埋藏于青藏铁路地基下的热管可防止路基下的冻土因气温升高而融化变软[13]。用重力热管还可以加强传统基站散热器的冷却能力，其高效的导热能力为通信基站实现了48.6%的年节电率[14]。这些实验和实际的工程应用都证明了热管优良的导热性能和小温差下良好的运行能力[15]。邓军[16-17]在煤堆-热管实验中也表明了热管是可以实现对地下煤层“热心冷皮”的连续散热。然而，目前对不同热源温度和不同充液率时热管作用于煤堆不同高度的降温规律仍不清晰。为此通过建立热管-储煤堆冷却实验平台，通过数据拟合分析煤堆温降变化与时间的关系，分析不同热源强度下热管对不同高度的煤连续散热性能的影响规律。

1 热管抑制煤自燃原理

热管抑制煤自燃原理图如图1。

热管在插入煤堆后，热管蒸发端以煤内部氧化热为驱动力开始运行，工质吸热气化，并压差的作用下气态工质会上升至热管冷凝端。工质在冷凝段与周围环境交换热量冷却液化后受重力作用返回热管蒸发端并再次吸热蒸发完成循环[18-20]，这样可将煤堆内部氧化热连续不断以热管工质液相变的形式提取，从而快速扩散煤堆深部热量积聚，避免了煤自燃的发生。

2 实验装置与方法

2.1 实验装置

储煤堆重力热管移热实验台如图2。

图2 储煤堆重力热管移热实验台Fig.2 Simulation experiment platform for heat transfer by heat pipe

实验装置包含温度采集和控制系统、电加热板、储煤箱以及重力热管。为更真实模拟煤堆内部的高温区，选取功率为1.5 kW的圆形加热板对煤堆进行升温加热，避免了U型加热器在运行时呈现条状分布的高温带，而对整体实验结果造成一定误差影响。

此次实验采用的实验煤为无烟沫煤，煤炭颗粒粒度小，还可以增加与重力热管的热交换面积。煤炭被装在不易燃烧且具有耐高温的保温性夹层（夹层厚度为0.04 m）的矩形装载柜中，其箱体的长和宽均为0.68 m，箱高为1 m。

实验中所采用的热管示意图如图3。

图3 实验中所采用的热管示意图Fig.3 Schematic diagram of heat pipe parameters for experiment

实验采用热管为碳钢-水材料的重力热管，内部无毛细结构，工作温度范围为50～250℃。实验过程中共采用4根重力热管。实验所用热管为圆形翅片热管，翅片热管的翅片厚度均为2 mm，其中圆形翅片热管翅片数量为75片。热管分别装有不同体积工质液，充液率分别为10%、20%、30%、40%。

2.2 实验和数据处理方法

实验中热管埋入煤堆的深度为480 mm，距离热管下方80 mm处放置圆形电加热器，采用圆形平板加热的方式来模拟实际煤堆内部的高温热源，当热源处的温度达到了75℃和120℃时停止对煤堆进行加热，实验中通过改变热管工质液充装量，对比各组煤堆前后期降温幅度和降温速率定量分析热管对煤堆热性能的影响规律。

煤堆降温速率计算公式为：

式中：v为煤堆高温区的降温速率，℃/h；△T为高温区煤堆温度测点的温度变化值，℃；t为降温时间，h。

煤堆高温区的温度变化幅度△T为：

式中：Tb为煤堆高温区开始降温时的温度值，℃；Te为高温区经过时间t后的温度值，℃。

高温区降至50℃的降温速率衰减幅度为：

式中：η为煤堆高温区降温速率衰减度；v1为煤堆起始温度降至50℃时间段前期的降温速率，℃/h；v2为50℃后同等时间段后期的降温速率，℃/h。

3 实验结果

3.1 热管煤堆系统降温特性

热管插入煤堆后高温区温度随时间变化如图4。

图4 热管插入煤堆后高温区温度随时间变化图Fig.4 Variation of tem perature in high tem perature zone w ith time after inserting heat pipe into coal stack

实验中测点温度达75℃时停止加热并插入热管。由图4可知，从整体上看，4种不同充液率热管在插入煤堆后都能够迅速得以启动,煤堆热源附近高温区的温度在热管的作用下迅速降低。随着时间推移煤堆高温区温度下降趋势逐步减缓。从图5看出，不同充液率的重力热管降温曲线相似，拟合分析发现不同充液率的热管对煤堆内部温度与时间降温曲线符合Allometricl函数，得出重力热管作用下煤堆内温度与时间的拟合公式：

式中：T为煤堆内高温测点温度，℃；t为热管作用于煤堆降温的时间，h；μ、v分别为与煤堆内初始温度和热管充液率有关的修正参数。

不同充液率影响下煤堆高温测点的温降曲线拟合度都在0.985 05～0.987 6之间，说明整体的降温曲线拟合效果较好，可用于堆放临界温度下煤堆内的温度随时间变化的近似计算。

不同充液率条件下煤堆高温区测点的降温幅度和降温速率如图5。

图5 不同热管充液率条件下煤堆高温区测点降温效果对比Fig.5 Com parison of cooling effect in high temperature zone of coal stack under different filling ratios of heat pipe

热管充液率不同，在实验过程中对煤堆的降温效果上仍存在一定差异。在测点温度降至50℃前后同样的时间内，热管在测点温度降至50℃前的平均降温速率为9.77℃/h，降至50℃后同样时间内的平均降温速率为3.73℃/h，同比降温速率衰减了61.82%。其中充液率为20%的热管衰减幅度最大，为62.72%；10%充液率热管降温幅度最小，为61.05%。同样时间内降温幅度越大，说明热管对煤堆的移热性能越好，总结发现在堆放临界温度下不同充液率热管的移热性能优劣的关系为：20%>30%>40%>10%。

3.2 不同热源温度时热管对煤堆的降温特性

不同热能温度下，煤堆内测点温度随时间的变化关系如图6。不同热源温度下热管的平均降温速率变化如图7。

图6 不同热源温度下热管作用于煤堆温度变化Fig.6 Temperature variation of heat pipe acting on coal pile under different heat source temperatures

从图7可以看出，热管作用于煤堆的降温速率的高低与热源温度的大小有关：在开始的3 h内，热源温度在130℃时煤堆内的温度变化速率可达18.44℃/h，而热源温度在75℃时煤堆内的降温速率为9.24℃/h，两者温降速率相差几乎2倍，表明煤堆内存在的热源温度越高，热管对煤堆的移热性能越优。同样充液率下高温热源与外界气温温差越大，热管的自动移热性能越好。随着煤堆内部温度与环境温度两者的温差减小，煤堆的平均速率逐步缓慢降低。

图7 不同热源温度下热管的平均降温速率变化Fig.7 Variation of average cooling rate of heat pipe under different heat source tem peratures

3.3 煤堆不同高度的温度分布规律

煤箱内部布置了上、中、下3层温度测点，在同一水平高度上测点布置位置与热管的距离分别为100 mm和200 mm。煤堆不同水平高度下内部温度分布变化如图8。

从图8可以看出，距离热源越近，煤层温度变化越明显。最下层煤堆距离热源最近，受到热源升温和热管散热2方面作用。因为煤层接受来自热源的热量存在延迟效应，所以在开始阶段下部不同距离煤的平均温度变化幅度有一定差异；同一水平上，100 mm处煤温变化大于200 mm处的煤温变化。之后受到热管的高效散热作用，煤体温度逐渐下降，并最终降至安全储存温度以下。中部煤层同样受到导热延迟的影响，100 mm处煤温与200 mm处煤的温度变化几乎一致，只是在时间上有所延迟，受到热源的影响较小。上部煤层距外界环境较近，必须考虑外界环境温度对上部煤层温度的影响。从图中可以看出，上部煤层受到热源的作用很小，煤体温度变化受到外界环境温度变化的影响较大。此时100 mm与200 mm处的煤体温度随时间变化基本一致，但由于100 mm处的煤距离热管较近，会受到热管降温的作用，平均煤体温度比200mm处的煤体温度略低，这也表明热管能扩散煤堆内蓄积的热量。