熱管作用于煤堆的移熱效果研究

熱管作用于煤堆的移熱效果研究

長(zhǎng)期沉積后，室外煤爐內(nèi)的氧化熱持續(xù)產(chǎn)生，形成高溫蓄熱區(qū)。隨著粉煤灰爐中的逐漸氧化，最終會(huì)導(dǎo)致碳質(zhì)下降和碳自殺。如何長(zhǎng)期且有效轉(zhuǎn)移煤堆中熱量，阻止煤堆內(nèi)部熱量堆積，防止煤堆內(nèi)溫度過(guò)熱，可采用1種相變?nèi)岬母咝?dǎo)熱裝置—熱管1煤內(nèi)氧化熱管開(kāi)始運(yùn)行熱管抑制煤自燃原理圖如圖1。熱管在插入煤堆后，熱管蒸發(fā)端以煤內(nèi)部氧化熱為驅(qū)動(dòng)力開(kāi)始運(yùn)行，工質(zhì)吸熱氣化，并壓差的作用下氣態(tài)工質(zhì)會(huì)上升至熱管冷凝端。工質(zhì)在冷凝段與周圍環(huán)境交換熱量冷卻液化后受重力作用返回?zé)峁苷舭l(fā)端并再次吸熱蒸發(fā)完成循環(huán)2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析儲(chǔ)煤堆重力熱管移熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2。實(shí)驗(yàn)裝置包含溫度采集和控制系統(tǒng)、電加熱板、儲(chǔ)煤箱以及重力熱管。為更真實(shí)模擬煤堆內(nèi)部的高溫區(qū)，選取功率為1.5kW的圓形加熱板對(duì)煤堆進(jìn)行升溫加熱，避免了U型加熱器在運(yùn)行時(shí)呈現(xiàn)條狀分布的高溫帶，而對(duì)整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定誤差影響。此次實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)煤為無(wú)煙沫煤，煤炭顆粒粒度小，還可以增加與重力熱管的熱交換面積。煤炭被裝在不易燃燒且具有耐高溫的保溫性?shī)A層（夾層厚度為0.04m）的矩形裝載柜中，其箱體的長(zhǎng)和寬均為0.68m，箱高為1m。實(shí)驗(yàn)中所采用的熱管示意圖如圖3。實(shí)驗(yàn)采用熱管為碳鋼-水材料的重力熱管，內(nèi)部無(wú)毛細(xì)結(jié)構(gòu)，工作溫度范圍為50～250℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共采用4根重力熱管。實(shí)驗(yàn)所用熱管為圓形翅片熱管，翅片熱管的翅片厚度均為2mm，其中圓形翅片熱管翅片數(shù)量為75片。熱管分別裝有不同體積工質(zhì)液，充液率分別為10%、20%、30%、40%。2.2熱管對(duì)煤堆的降溫特性實(shí)驗(yàn)中熱管埋入煤堆的深度為480mm，距離熱管下方80mm處放置圓形電加熱器，采用圓形平板加熱的方式來(lái)模擬實(shí)際煤堆內(nèi)部的高溫?zé)嵩?，?dāng)熱源處的溫度達(dá)到了75℃和120℃時(shí)停止對(duì)煤堆進(jìn)行加熱，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變熱管工質(zhì)液充裝量，對(duì)比各組煤堆前后期降溫幅度和降溫速率定量分析熱管對(duì)煤堆熱性能的影響規(guī)律。煤堆降溫速率計(jì)算公式為：式中：v為煤堆高溫區(qū)的降溫速率，℃/h；△T為高溫區(qū)煤堆溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化值，℃；t為降溫時(shí)間，h。煤堆高溫區(qū)的溫度變化幅度△T為：式中：T高溫區(qū)降至50℃的降溫速率衰減幅度為：式中：η為煤堆高溫區(qū)降溫速率衰減度；v3結(jié)果3.1熱管煤堆內(nèi)部溫度與時(shí)間的計(jì)算熱管插入煤堆后高溫區(qū)溫度隨時(shí)間變化如圖4。實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)75℃時(shí)停止加熱并插入熱管。由圖4可知，從整體上看，4種不同充液率熱管在插入煤堆后都能夠迅速得以啟動(dòng),煤堆熱源附近高溫區(qū)的溫度在熱管的作用下迅速降低。隨著時(shí)間推移煤堆高溫區(qū)溫度下降趨勢(shì)逐步減緩。從圖5看出，不同充液率的重力熱管降溫曲線相似，擬合分析發(fā)現(xiàn)不同充液率的熱管對(duì)煤堆內(nèi)部溫度與時(shí)間降溫曲線符合Allometricl函數(shù)，得出重力熱管作用下煤堆內(nèi)溫度與時(shí)間的擬合公式：式中：T為煤堆內(nèi)高溫測(cè)點(diǎn)溫度，℃；t為熱管作用于煤堆降溫的時(shí)間，h；μ、v分別為與煤堆內(nèi)初始溫度和熱管充液率有關(guān)的修正參數(shù)。不同充液率影響下煤堆高溫測(cè)點(diǎn)的溫降曲線擬合度都在0.98505～0.9876之間，說(shuō)明整體的降溫曲線擬合效果較好，可用于堆放臨界溫度下煤堆內(nèi)的溫度隨時(shí)間變化的近似計(jì)算。不同充液率條件下煤堆高溫區(qū)測(cè)點(diǎn)的降溫幅度和降溫速率如圖5。熱管充液率不同，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)煤堆的降溫效果上仍存在一定差異。在測(cè)點(diǎn)溫度降至50℃前后同樣的時(shí)間內(nèi)，熱管在測(cè)點(diǎn)溫度降至50℃前的平均降溫速率為9.77℃/h，降至50℃后同樣時(shí)間內(nèi)的平均降溫速率為3.73℃/h，同比降溫速率衰減了61.82%。其中充液率為20%的熱管衰減幅度最大，為62.72%;10%充液率熱管降溫幅度最小，為61.05%。同樣時(shí)間內(nèi)降溫幅度越大，說(shuō)明熱管對(duì)煤堆的移熱性能越好，總結(jié)發(fā)現(xiàn)在堆放臨界溫度下不同充液率熱管的移熱性能優(yōu)劣的關(guān)系為：20%>30%>40%>10%。3.2熱源溫度與溫度的關(guān)系不同熱能溫度下，煤堆內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6。不同熱源溫度下熱管的平均降溫速率變化如圖7。從圖7可以看出，熱管作用于煤堆的降溫速率的高低與熱源溫度的大小有關(guān)：在開(kāi)始的3h內(nèi)，熱源溫度在130℃時(shí)煤堆內(nèi)的溫度變化速率可達(dá)18.44℃/h，而熱源溫度在75℃時(shí)煤堆內(nèi)的降溫速率為9.24℃/h，兩者溫降速率相差幾乎2倍，表明煤堆內(nèi)存在的熱源溫度越高，熱管對(duì)煤堆的移熱性能越優(yōu)。同樣充液率下高溫?zé)嵩磁c外界氣溫溫差越大，熱管的自動(dòng)移熱性能越好。隨著煤堆內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度兩者的溫差減小，煤堆的平均速率逐步緩慢降低。3.3．熱源對(duì)煤體溫度的影響煤箱內(nèi)部布置了上、中、下3層溫度測(cè)點(diǎn)，在同一水平高度上測(cè)點(diǎn)布置位置與熱管的距離分別為100mm和200mm。煤堆不同水平高度下內(nèi)部溫度分布變化如圖8。從圖8可以看出，距離熱源越近，煤層溫度變化越明顯。最下層煤堆距離熱源最近，受到熱源升溫和熱管散熱2方面作用。因?yàn)槊簩咏邮軄?lái)自熱源的熱量存在延遲效應(yīng)，所以在開(kāi)始階段下部不同距離煤的平均溫度變化幅度有一定差異；同一水平上，100mm處煤溫變化大于200mm處的煤溫變化。之后受到熱管的高效散熱作用，煤體溫度逐漸下降，并最終降至安全儲(chǔ)存溫度以下。中部煤層同樣受到導(dǎo)熱延遲的影響，100mm處煤溫與200mm處煤的溫度變化幾乎一致，只是在時(shí)間上有所延遲，受到熱源的影響較小。上部煤層距外界環(huán)境較近，必須考慮外界環(huán)境溫度對(duì)上部煤層溫度的影響。從圖中可以看出，上部煤層受到熱源的作用很小，煤體溫度變化受到外界環(huán)境溫度變化的影響較大。此時(shí)100mm與200mm處的煤體溫度隨時(shí)間變化基本一致，但由于100mm處的煤距離熱管較近，會(huì)受到熱管降溫的作用，平均煤體溫度比200mm處的煤體溫度略低，這也表明熱管能擴(kuò)散煤堆內(nèi)蓄積的熱量。4熱源及熱管對(duì)煤堆的降溫特性1）不同充液率熱管插入煤堆后其溫度測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的降溫曲線滿足。通過(guò)對(duì)不同充液率熱管在50℃前后降溫速率分析，發(fā)現(xiàn)熱管的降溫性能與充液率的關(guān)系為：20%>30%>40%>10%。2）在不同熱能品級(jí)條件下，熱源溫度越高，則煤堆的溫降速率越快。同樣熱管充液率且高溫?zé)嵩聪旅憾呀禍厮俾适堑蜏責(zé)嵩聪陆禍厮俾实?倍，熱