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        煤自燃熱空氣環(huán)境模擬系統(tǒng)

        2020-11-02 08:27:42陳清華陳文濤秦汝祥徐同震劉雅瑞
        煤礦安全 2020年10期
        關(guān)鍵詞:圈數(shù)盤管加熱器

        陳清華,陳文濤,秦汝祥,高 偉,徐同震,劉雅瑞

        (1.安徽理工大學(xué) 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室,安徽 淮南232001;2.省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室(安徽理工大學(xué)),安徽 淮南232001)

        煤經(jīng)過長期大量的堆積,會緩慢氧化發(fā)熱,如果熱量無法及時散發(fā)或傳遞,溫度會逐漸升高,最終導(dǎo)致自燃起火。由于現(xiàn)場試驗工作量大且難以實施,通過建立相似模擬試驗裝置研究煤自燃發(fā)火規(guī)律,成為重要研究手段之一[1-2]。煤低溫氧化進(jìn)程與空氣溫度、濕度、氧濃度等多種因素有關(guān),而如何真實模擬現(xiàn)場實際氣流和溫濕度環(huán)境,直接決定模擬試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

        為了準(zhǔn)確調(diào)控溫度參數(shù)以模擬不同氣溫環(huán)境,通常需要設(shè)計空氣加熱裝置,針對不同研究需要有關(guān)學(xué)者設(shè)計了各種空氣加熱器。例如,曹春華[3]為了在堿回收爐中實現(xiàn)蒸汽冷凝水,設(shè)計了一種高低壓蒸汽空氣加熱系統(tǒng);泰國農(nóng)業(yè)大學(xué)Sompol Skullong[4]為了研究安裝三角翼型渦發(fā)生器的太陽能空氣加熱器通道的傳熱和流動摩擦特性,對太陽能空氣加熱器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計;由于再生用壓縮空氣的溫度可有效提高再生效率,武漢第二船舶設(shè)計研究所張思平[5]等針對該問題采用傳統(tǒng)理論計算方法對錯排式加熱器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計;東北電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院孫佰仲[6]為了優(yōu)化高溫空氣加熱器,將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用到空氣加熱領(lǐng)域;高溫空氣加熱器是高溫空氣點火試驗臺的關(guān)鍵設(shè)備,為此杭州電子科技大學(xué)聶欣等[7]將中頻加熱器和靜態(tài)混合器相結(jié)合,進(jìn)而開發(fā)了一種新型的混合器式高溫空氣加熱器。

        綜上所述,有關(guān)學(xué)者基于不同應(yīng)用場景對空氣加熱技術(shù)和技術(shù)進(jìn)行了研究,并取得了大量成果,但應(yīng)用于煤自燃研究的空氣加熱器尚未見報道。為此基于現(xiàn)場實際以及煤自燃試驗研究需求,研制了一種新型空氣加熱器,將螺旋盤管換熱器應(yīng)用于該研究方向,結(jié)合理論計算,對空氣加熱器進(jìn)行設(shè)計。

        1 總體結(jié)構(gòu)

        空氣加熱器工作流程圖如圖1。環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

        圖1 空氣加熱器工作流程圖Fig.1 Flow chart of air heater

        設(shè)備通過氣泵將空氣泵入盤管,通過油浴設(shè)備內(nèi)循環(huán)加熱盤管[8],盤管對內(nèi)部空氣進(jìn)行加熱,經(jīng)過加熱后的空氣通入與空氣加熱器相連的環(huán)境模擬箱,模擬在不同溫度的環(huán)境條件下的煤實際貯藏情況,并觀察不同溫度的環(huán)境條件下的煤自燃情況,為煤貯藏安全提供更有參考性的數(shù)據(jù)[9-10]。

        圖2 環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the environment simulation system

        2 關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 螺旋盤管換熱器計算

        本設(shè)計中,油浴設(shè)備的實際儲油空間尺寸為:長a=0.44 m,寬b=0.325 m,高c=0.21 m。螺旋盤管的平均半徑取螺旋中心線到盤管中心線的距離R=0.115 m,盤管內(nèi)徑D=0.008 m,盤管外徑d0=0.01 m,螺旋盤管的平均直徑DH=0.23 m,螺距P=0.015 m,設(shè)備開啟后氣體流量q=16 L/min,油液溫度始終保持,通過螺旋盤管加熱空氣,使入口溫度為20 ℃的空氣在出口時可達(dá)到最高80 ℃左右的出口溫度。

        螺旋盤管換熱器的設(shè)計計算流程圖如圖3。

        圖3 設(shè)計計算流程圖Fig.3 Design and calculation flow chart

        螺旋盤管換熱器的主要設(shè)計程序[11]如下:

        N 圈盤管所需的長度L 為:

        式中:P 為螺距,m;R 為螺旋中心線到盤管中心線的距離,m;N 為圈數(shù)。

        盤管所占的體積VC為:

        式中:K 為流體的導(dǎo)熱率,kcal/(h·m·℃);pr為普蘭德數(shù),無因次[12];μ 為在全容積流體平均溫度下的流體黏度;μω為在管壁溫度下的流體黏度。

        流體在盤管內(nèi)流動時,傳熱系數(shù)ht0可以使用常規(guī)方法計算。根據(jù)盤管內(nèi)徑得到的傳熱系數(shù)ht是用求解直管的方法求得的,接著用[1+3.5(D/DH)]乘以ht進(jìn)行修正,從而得到螺旋盤管的傳熱系數(shù)hte[13]。

        綜合可得:h0=1.89,hte=2.12,ht0=0.169 6。

        總傳熱系數(shù)U 為:

        式中:x 為盤管壁厚,x=(d0-D)/2=0.001 m;Rt、Rσ為污垢系數(shù),均取決于流體的性質(zhì),即流體的操作溫度、流速等,取值均為1.4×10-5(h·m2·℃)/kcal;Kt為黃銅的導(dǎo)熱率,109 kcal/(h·m·℃)。

        可得:U=5.896 3。

        對數(shù)平均溫差△tm為:

        式中:T 為盤管換熱器外部加熱溫度,250 ℃;t1為空氣初始溫度值,20 ℃;t2為預(yù)期出口溫度值,80 ℃。

        可得△tm=198.5。由于2 種流體的運動呈垂直狀[14],故取校正系數(shù)為0.99,則校正對數(shù)平均溫差△tc=0.99×198.5=196.52。

        熱負(fù)荷Q 為:

        式中:q 為流體的體積流率,0.96 m3/h;λ 為換算系數(shù),1.293;cp為定壓比熱容,1 kJ/(kg·K);△t 為出入口空氣差值,△t=t2-t1=60 ℃。

        則Q=74.476 8 kcal。

        加熱所需面積A 為:

        則A=0.06 m2。

        計算盤管所需圈數(shù)N 為:

        得N=2.64,盤管所需圈數(shù)為整數(shù),故取N=3,即實際盤管圈數(shù)為3 圈,此時盤管長度為2.198 1 m。

        2.2 空氣加熱器結(jié)構(gòu)

        獲得加熱盤管的各項尺寸參數(shù)之后,綜合考慮空氣能夠在加熱器內(nèi)部充分換熱以確定加熱盤管的圈數(shù)以及管長。根據(jù)油浴設(shè)備的具體尺寸結(jié)合熱能損耗原則便可以確定整個盤管的尺寸[15],盤管外部直徑為10 mm,螺旋圈數(shù)為3,盤管盤旋直徑為200 m。盤管的盤繞方式如圖4。

        在實際的油浴加熱箱中,沿著空氣流向方向,根據(jù)實際體積以及加熱需求,采用圖4(b)進(jìn)行布置,間隔固定間距,形成網(wǎng)絡(luò)。加熱箱中間空腔充斥加熱用高溫硅油,并盤旋固定有螺旋加熱盤管,進(jìn)出口處采用絕熱陶瓷進(jìn)行絕熱。

        3 試驗測試

        為檢測所設(shè)計加熱器的控溫精度、空氣出口溫度及空氣加熱效率等,利用溫度傳感器在加熱器的加熱區(qū)域以及空氣出口處測定所需溫度值[16]。

        實際環(huán)境空氣溫度為18.858 ℃,將油浴加熱器設(shè)置為不同的溫度值,打開氣泵并通入不同流速的空氣,分別為2.21、4.42、6.63、8.84 m/s。

        相同溫度時,流速越低其加熱效率越低,從25℃加熱至30 ℃時,當(dāng)流速為2.21、4.42、6.63 m/s 時,空氣加熱效率從低水平快速上升至較高的水平,而流速為8.84 m/s 時略有上升。加熱溫度從30 ℃上升至70 ℃上升的過程中,效率略有上升并保持動態(tài)的趨勢穩(wěn)定。30~70 ℃的加熱過程中,流速從低到高的加熱效率平均值分別為59.75%、68.62%、71.9%、76.36%,呈現(xiàn)上升趨勢,可推測,一定溫度下,當(dāng)流速不斷升高時,空氣加熱效率會持續(xù)上升。

        4 結(jié) 語

        研制了一種煤自燃熱空氣環(huán)境模擬用空氣加熱器,采用螺旋盤管換熱器,為了提升空氣加熱精度,基于理論計算進(jìn)行了螺旋盤管換熱器設(shè)計(圈數(shù)為3 圈,換熱器長度為2.198 1 m)。加熱溫度與設(shè)定溫度差值在±1 ℃內(nèi),相對誤差在±3%內(nèi),設(shè)備加熱精度高,很好的滿足試驗需求。

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