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，最終會導(dǎo)致碳質(zhì)下降和碳自殺。如何長期且有效轉(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)氧化熱管開始運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)動力開始運行，工質(zhì)吸熱氣化，并壓差的作用下氣態(tài)工質(zhì)會上升至熱管冷凝端。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熱管蒸發(fā)端并再次吸熱蒸發(fā)完成循環(huán)2實驗設(shè)備和方法2.1實驗結(jié)果分析儲煤堆重力熱管移熱實驗臺如圖2。實驗裝置包含溫度采集和控制系統(tǒng)、電加熱板、儲煤箱以及重力熱管。為更真實模擬煤堆內(nèi)部的高溫區(qū)，選取功率為1.5kW的圓形加熱板對煤堆進行升溫加熱，避免了U型加熱器在運行時呈現(xiàn)條狀分布的高溫帶，而對整體實驗結(jié)果造成一定誤差影響。此次實驗采用的實驗煤為無煙沫煤，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夾層（夾層厚度為0.04m）的矩形裝載柜中，其箱體的長和寬均為0.68m，箱高為1m。實驗中所采用的熱管示意圖如圖3。實驗采用熱管為碳鋼-水材料的重力熱管，內(nèi)部無毛細結(jié)構(gòu)，工作溫度范圍為50～250℃。實驗過程中共采用4根重力熱管。實驗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熱管對煤堆的降溫特性實驗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模擬實際煤堆內(nèi)部的高溫熱源，當熱源處的溫度達到了75℃和120℃時停止對煤堆進行加熱，實驗中通過改變熱管工質(zhì)液充裝量，對比各組煤堆前后期降溫幅度和降溫速率定量分析熱管對煤堆熱性能的影響規(guī)律。煤堆降溫速率計算公式為：式中：v為煤堆高溫區(qū)的降溫速率，℃/h；△T為高溫區(qū)煤堆溫度測點的溫度變化值，℃；t為降溫時間，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)部溫度與時間的計算熱管插入煤堆后高溫區(qū)溫度隨時間變化如圖4。實驗中測點溫度達75℃時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,煤堆熱源附近高溫區(qū)的溫度在熱管的作用下迅速降低。隨著時間推移煤堆高溫區(qū)溫度下降趨勢逐步減緩。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煤堆內(nèi)部溫度與時間降溫曲線符合Allometricl函數(shù)，得出重力熱管作用下煤堆內(nèi)溫度與時間的擬合公式：式中：T為煤堆內(nèi)高溫測點溫度，℃；t為熱管作用于煤堆降溫的時間，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點的溫降曲線擬合度都在0.98505～0.9876之間，說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)的溫度隨時間變化的近似計算。不同充液率條件下煤堆高溫區(qū)測點的降溫幅度和降溫速率如圖5。熱管充液率不同，在實驗過程中對煤堆的降溫效果上仍存在一定差異。在測點溫度降至50℃前后同樣的時間內(nèi)，熱管在測點溫度降至50℃前的平均降溫速率為9.77℃/h，降至50℃后同樣時間內(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%。同樣時間內(nèi)降溫幅度越大，說明熱管對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)測點溫度隨時間的變化關(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)：在開始的3h內(nèi)，熱源溫度在130℃時煤堆內(nèi)的溫度變化速率可達18.44℃/h，而熱源溫度在75℃時煤堆內(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，熱管對煤堆的移熱性能越優(yōu)。同樣充液率下高溫熱源與外界氣溫溫差越大，熱管的自動移熱性能越好。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．熱源對煤體溫度的影響煤箱內(nèi)部布置了上、中、下3層溫度測點，在同一水平高度上測點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。因為煤層接受來自熱源的熱量存在延遲效應(yīng)，所以在開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100mm與200mm處的煤體溫度隨時間變化基本一致，但由于100mm處的煤距離熱管較近，會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，這也表明熱管能擴散煤堆內(nèi)蓄積的熱量。4熱源及熱管對煤堆的降溫特性1）不同充液率熱管插入煤堆后其溫度測點隨時間的降溫曲線滿足。通過對不同充液率熱管在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熱源下煤堆降溫速率是低溫熱源下降溫速率的2倍，熱