多工况条件下重力热管提热性能优化研究

马 欣，谢容宇，孟 曦，刘静雯，肖 旸，2，芦 星，2

（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

目前我国治理煤自燃的方法主要是从“隔氧、降温”方面考虑，达到抑制煤自燃的效果。据有关数据显示，煤自燃产能远远超过水利发电站的产能[1]。因此，使用传统的煤自燃防治方法会造成大量的煤自燃热能损失。

重力热管是一种高效的导热元件，其结构简单、导热性能好、运行可靠，被广泛的应用于石油化工、热力发电设备、太阳能集热器等相关领域里[2-5]。近年来，许多学者将重力热管应用于煤自燃防治领域。徐礼华[6]将重力热管应用于煤垛，发现重力热管能有效的降低煤垛温度，且单根热管作用时影响半径为30 cm 左右；邓军等[7]通过实验探究了重力热管对煤堆的降温作用，当重力热管作用于温度为50 ℃左右的煤堆时，最高降温温差可达13.3 ℃，降温率可达19.9%；苏贺涛[8]结合通过现场实验结合重力热管与温差发电技术试验了煤火的“治”与“用”。重力热管工作时，蒸发段工质吸收热量蒸发为气体，在压差的作用下移动至冷凝段，气态工质接触冷凝段较冷的壁面，释放热量并冷凝为液体回流至蒸发段，如此循环往复，将蒸发段热量传递至冷凝段。重力热管的传热性能受其固有参数和操作条件2 方面的影响[9]；固有参数包括工质种类、充液率、长径比、有无翅片等，操作条件包括热管工作温度、倾角、插入深度等；通常通过对固有参数与操作条件的改变来减小其自身的热阻，提高重力热管的传热系数。

工质的表面张力、潜热以及热稳定性等因素影响着热管的传热性能。因此，选择合适的工质是保证热管高效工作的基础。近年来，以纳米颗粒与传统工质组成的纳米流体成为了主流，LIU 等[10]发现在热管中加入纳米粒子可以增强传热和临界热通量；周根明等[11]通过实验对比了去离子水和TiO2纳米流重力热管的启动时间与热管蒸发段和冷凝段之间的温度差，发现工质为TiO2纳米流体的重力热管，启动时间短，蒸发段与冷凝段温差小；李东东[12]研究了Al2O3、CuO 等纳米流体的传热系数和热阻，结果显示与水热管相比，纳米流体可有效提高重力热管的对流传热性能。充液率是指工质体积占整个重力热管体积的百分数，充液率影响着重力热管的工作效率。当充液率较小时，热管会出现干涸极限，其传热系数降低；充液率过大时，会减小加热段的换热系数，因此，选择合适的充液率对提升热管的传热性能至关重要。吴伟[13]通过实验得出，当纳米流体重力热管工作温度为80、130 ℃时，最佳充液率为35%；杨文斌等[14]对比了不同充液率下，SiO2-乙醇纳米流体的热传导性能，发现在相同粒径和浓度下，充液率为24%时热管传输功率最大，充液率为32%时热管传热系数最大。长径比是指重力热管长度与热管直径之比；长径比越大说明重力热管蒸发段工质受热面积越大，热管热通量大，有利于热管的传热；然而，当热管长径比过大时，又会增大热管的阻力，降低重力热管的传热系数。刘敏等[15]通过对重力热管内部汽液两相流的模拟研究发现重力热管径大的热管极限传热量大于管径小的热管；AMATACHAYA等[16]发现，重力热管的热通量随长径比的增加而增加，并且在最大长径比处略微降低。

目前，研究者大都采用控制变量法确定影响重力热管移热效果的某个因素下的最佳参数，但当使用这种方法进行多因素全面实验时，工作量大，实验成本高，试验周期长，难以实现。为此采用正交实验，研究工质种类、充液率、以及长径比对重力热管提热性能的影响，结合多指标权重分析优选重力热管最佳提热性能的参数指标。

1 实验系统

实验装置图如图1。

图1 实验装置图Fig.1 Experimental system and schematic diagram

实验煤样来自宁夏回族自治区红柳煤矿，属于不黏煤；装煤箱体为钢板结构，箱体内部长×宽×高为0.8 m×0.6 m×0.5 m。温度控制系统主要包括加热板和温控仪2 部分，加热板功率为1 500 W，长宽为0.6 m×0.5 m，置于装煤箱体左侧；加热板连接温控仪，控制煤堆温度。温度采集系统由K 型玻璃纤维热电偶，MT-X 多路温度巡检仪组成；热电偶埋置于煤堆固定位置，煤堆内测点位置正对热管蒸发段中部，布置7 个测点，第1 个测点与热管接触，测点间间距为6 cm，测点自左向右编号为A1～A7。

2 正交实验设计以及指标参数确定

2.1 正交实验设计

影响纳米流体重力热管降温效果的影响因素主要有：工质种类（A）、充液率（B）、长径比（C）。为了研究3 种影响因素对重力热管降温效果的影响程度，以及降温效果最佳的水平组合，确定的正交实验因素与水平设计见表1。

表1 正交实验因素与水平设计Table 1 Factors and level design of orthogonal experimental

根据实验所选取的因素水平数，选用L9（34）正交表，对实验所使用的重力热管进行设计，正交实验方案见表2。结合实验工作温度（70、210 ℃），重力热管管壳选用碳钢材质，纳米颗粒平均粒径为80 nm，纳米颗粒占比浓度为10 %，在将纳米流体充入热管前，使用超声搅拌仪搅拌纳米粒流体，以保证纳米流体高效稳定。重力热管总长1 m，蒸发段长度0.4 m，冷凝段长度0.6 m。

表2 正交实验方案Table 2 Orthogonal experiment plan

2.2 指标参数的确定

2.2.1 重力热管降温幅度与降温率

重力热管的降温幅度、降温率、量可作为客观评价重力热管提热性能的指标参数。计算公式如下：

式中：Qhp为重力热管的产冷量，kJ；Tm为煤堆平均温度，℃；Tair为空气温度，℃；τ 为热管工作时长，h；Ra为热管蒸发段与煤堆之间的热阻，℃/W；Rc为热管冷凝段与空气流之间的热阻，℃/W；

热阻计算公式如下：

式中：r 为重力热管的有效影响半径，m；D 为重力热管外径，m；λm为煤体的导热系数，W/（m·℃）；Le为重力热管蒸发段长度，m；Ahp，c为重力热管冷凝段表面积，m2；α 为对流换热系数，取2.75 W/（m2·℃）。

3 实验结果

3.1 重力热管降温幅度与降温率

为确定不同煤堆温度下重力热管的降温幅度与降温率，将煤堆温度分别升至70、210 ℃，待煤堆温度稳定后，放入热管，并记录重力热管工作24 h 内，煤堆各测点的降温幅度与降温率。不同煤堆温度下重力热管降温幅度与降温率如图2。

图2 不同煤堆温度下重力热管降温幅度与降温率Fig.2 Cooling amplitude and cooling rate of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile

重力热管作用于煤堆时，均对煤堆温度有一定的降温效果，但不同水平组合的重力热管其降温幅度与降温率有较大差异。当煤堆温度为70 ℃左右时，1#热管降温幅度与降温率最佳，降温幅度为20.6 ℃，降温率为30.7%；当煤堆温度稳定在210 ℃左右时，3#热管降温幅度与降温率最佳，降温幅度为96.4 ℃，降温率为49.7%。结果证明：重力热管可有效降低煤堆温度，抑制煤自燃的发展，另外，煤堆温度越高，重力热管提热效果越好。这是因为热管工作温度越高，其蒸发段换热系数越大，热管内部工质两相流动速率增加[17]，从而增加热管的提热效果。随着测点与重力热管之间距离的增加，测点处降温效果越来越小。这是因为热管的传热过程主要是以热管为中心，向四周扩散[18]所造成的。

3.2 重力热管有效影响半径及产冷量

重力热管在不同煤温下的有效影响半径见表3。由表3 可以看出，煤堆温度越高重力热管有效影响半径越大。这是因为煤堆温度越高，重力热管冷凝段与蒸发段温差越大，热管内部压差增大，工质汽-液循环加快，重力热管的提热效果增加。

表3 重力热管在不同煤温下的有效影响半径Table 3 Effective cooling radius of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile

不同煤温下重力热管产冷量如图3。由图3 可看出，重力热管的产冷量与煤堆温度成正比，即煤堆温度越高，重力热管产冷量越大，提热效果越好。这说明重力热管可高效的将煤自燃产生的热量提取至煤自燃区之外，若采取一定的方法，将提取出的热能加以利用，可实现煤自燃绿色治理。

图3 不同煤温下重力热管产冷量（单位：kJ）Fig.3 Cooling capacity of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile（unit: kJ）

3.3 正交实验分析

选择重力热管的降温幅度、降温、有效影响半径以及产冷量4 个指标参数作为衡量重力热管提热效果的参数，进行正交实验极差分析时，发现不同的指标参数会得出不同的较优水平组合。通过层次分析法对试验所求得的4 个指标进行多指标权重分析，将多指标的正交实验转换为单指标正交实验，再使用极差法对正交实验结果进行分析。使用1～9 标定法对所涉及的指标参数进行两两比较，指标成对比较的判断优先图如图4。

图4 指标成对比较的判断优先图Fig.4 Judgment priority graph for pairwise comparison of indexes

根据图4 计算重力热管有效影响半径、产冷量、降温幅度以及降温率的权重分别为0.068 3、0.528 7、0.134 3、0.268 7。并对权重进行一致性CR 分析，计算得CR=0.066 9＜0.1，权重系数有效，计算综合评分Y（Y=（重力热管有效影响半径/重力热管有效影响半径最大值）×0.068 3×100+（重力热管产冷量/重力热管产冷量最大值）×0.528 7×100+（降温幅度/降温幅度最大值）×0.134 3×100+（降温率/降温率最大值）×0.268 7×100），重力热管提热效果综合评分见表4。

表4 重力热管提热效果综合评分Table 4 Comprehensive score of gravity heat pipe heat raising effect

使用极差分析法对正交实验结果进行分析，正交实验结果极差分析见表5。

实验选用L9（34）标准正交表，L 表示正交表，9代表实验次数，3 代表3 水平，4 代表4 因素。但本实验仅涉及3 因素3 水平，因此可空出最后一列作为误差项，用来减小实验误差。根据表5，k 值的大小可获得重力热管提热效率最佳的水平组合。当煤堆温度为70 ℃时，重力热管提热效最优的水平组合为：Al2O3、15%、25.0。当煤堆温度为210 ℃时，重力热管提热效果最优的水平组合为：Al2O3、25%、25.0。

表5 正交实验结果极差分析Table 5 Results of orthogonal experimental

4 结 论

1）煤堆温度稳定在70 ℃时，重力热管最大降温幅度为20.6 ℃，最大降温率为30.7%。当煤堆温度稳定为210 ℃，重力热管作用于煤堆最大降温幅度94.6 ℃，最大降温率达47.9 %。重力热管可有效降低煤堆温度，抑制煤自燃发展。当使用同一根热管作用于不同温度的煤堆，煤堆温度越高重力热管降温幅度越高，且测点距热管越近其提热效果越好。

2）当煤堆温度为70 ℃时，重力热管提热效果较优水平组合：工质为Al2O3、充液率为15 %、长径比为25.0；当煤堆温度为210 ℃时，重力热管提热效果较优水平组合：工质为Al2O3、充液率为25 %、长径比为25.0。