殷鵬程， 田兆君,2,3， 魯義,2,3， 張勝媛， 歐艷萍， 孫凱， 楊軼涵

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

煤的自熱和自燃是導(dǎo)致煤炭火災(zāi)的常見原因[1]。煤自燃是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象[2]，煤與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)釋放出熱量，若這些熱量沒(méi)有及時(shí)驅(qū)散，會(huì)發(fā)生熱量積聚，從而導(dǎo)致煤自燃。煤自燃可能發(fā)生于煤炭的開采、存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中，開采過(guò)程中的煤自燃一般發(fā)生于地下煤層中，而存儲(chǔ)和運(yùn)輸過(guò)程中的煤自燃一般發(fā)生于露天煤堆中。由于煤炭開采后存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間較長(zhǎng)，儲(chǔ)煤堆自燃經(jīng)常發(fā)生，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費(fèi)。此外，煤自燃還會(huì)產(chǎn)生二氧化硫、氮氧化物、砷、鎘、鉻和銅等有毒有害物，嚴(yán)重危害人的生命健康和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。因此，治理煤堆自燃對(duì)保護(hù)人員安全和生態(tài)環(huán)境等具有重要意義。

目前主要的煤堆自燃防治方法包括注水、注阻化劑、注漿、注凝膠泡沫等[3-4]。這些方法從隔氧、降溫的角度出發(fā)，雖然能暫時(shí)阻止煤堆自燃的發(fā)生，卻無(wú)法從根本上破壞煤堆內(nèi)部的蓄熱環(huán)境。重力熱管作為一種高效的傳熱元件，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)保性強(qiáng)且工作性能優(yōu)異，已被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能系統(tǒng)、工業(yè)余熱回收等[5-7]。重力熱管在煤自燃防治中的應(yīng)用也引起了很多學(xué)者的關(guān)注。黨逸峰等[8]研究了重力熱管插入煤堆后對(duì)其內(nèi)部溫度的影響，驗(yàn)證了熱管能夠有效抑制煤堆升溫。劉鑫等[9]采用不同工質(zhì)液熱管對(duì)不同水平煤堆的內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)液為甲醇時(shí)在100 mm和200 mm水平降溫幅度較大，甲醇為最佳熱管工質(zhì)液。陳清華等[10]通過(guò)數(shù)值模擬建立了在煤堆中插入2根重力熱管的數(shù)學(xué)模型。程方明等[11]通過(guò)數(shù)值模擬研究了在有熱管和無(wú)熱管插入煤堆情況下煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)變化，并建立了熱管插入煤堆后的有效降溫半徑模型。李貝等[12]通過(guò)在礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)地布置熱管和測(cè)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)熱管對(duì)煤堆高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度產(chǎn)生了顯著影響。王皎[13]利用數(shù)值模擬方式建立了風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的三維非穩(wěn)態(tài)煤堆自燃預(yù)測(cè)模型，并分析了重力熱管布置深度和插入間距對(duì)大型煤堆溫度場(chǎng)的影響。蘇賀濤[14]利用重力熱管的傳熱性質(zhì)，建立了基于重力熱管的煤火提熱及溫差發(fā)電系統(tǒng)，將煤火轉(zhuǎn)化為可再利用的資源。

現(xiàn)有研究已得出重力熱管的數(shù)量、插入深度和角度、充液率、工質(zhì)液等會(huì)影響煤堆內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，但對(duì)重力熱管在煤堆中的最佳布置方式的研究還比較少。鑒于此，本文基于重力熱管傳熱理論模型，將熱源等效為球體，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，分析重力熱管不同布置方式下煤堆內(nèi)部溫度的變化規(guī)律，并得出了重力熱管的最佳布置方式。

1 重力熱管工作原理

重力熱管也稱為兩相閉式熱虹吸管，由管殼和內(nèi)部工質(zhì)液組成，從幾何結(jié)構(gòu)上可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段[15]，如圖1所示。熱管內(nèi)部是具有一定真空狀態(tài)的空間，由于工質(zhì)液沸點(diǎn)較低，當(dāng)熱管底部受熱后，蒸發(fā)段吸收熱量，工質(zhì)液沸騰并產(chǎn)生蒸氣；高溫蒸氣在氣壓差的作用下沿著絕熱段上升，到達(dá)熱管冷凝段后，通過(guò)冷凝段管殼與外界空氣對(duì)流換熱；熱管內(nèi)部的高溫蒸氣受冷液化，在重力的作用下沿著絕熱段回流到蒸發(fā)段，在熱管兩側(cè)形成液膜，并將熱源中的熱量排出[16]。在這樣的循環(huán)作用下，煤堆中高溫處的熱量被導(dǎo)出，無(wú)法積聚熱量，從而抑制煤的自燃。

圖1 重力熱管原理Fig.1 Principle of gravity heat pipe

2 數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型及網(wǎng)格分布

基于儲(chǔ)煤堆移熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用Comsol軟件建立煤堆、熱管和熱源的物理模型。設(shè)置煤堆模型為1.2 m×1.2 m×1.2 m的多孔介質(zhì)立方體，熱源模型為半徑為0.1 m的球體，重力熱管模型為具有冷源屬性的金屬棒，如圖2(a)所示。采用軟件內(nèi)置的網(wǎng)格控件將煤堆模型劃分為自由三角形網(wǎng)格，完整網(wǎng)格共包含44 720個(gè)域單元、5 100個(gè)邊界單元和516個(gè)邊單元，如圖2(b)所示。

(a) 物理模型

(b) 網(wǎng)格分布圖2 物理模型及網(wǎng)格分布Fig.2 Physical model and grid distribution

2.2 邊界條件和初始條件

設(shè)置熱管外徑為0.1 m，內(nèi)徑為0.05 m，長(zhǎng)度為1.5 m；設(shè)煤堆初始溫度為20 ℃，熱源溫度為130 ℃，外界環(huán)境溫度為12 ℃；煤堆周圍和熱管邊界采用自然對(duì)流換熱，煤堆底部為熱絕緣。

綜合傳熱能力是重力熱管的重要性能。本文引入等效導(dǎo)熱系數(shù)λeff來(lái)等價(jià)描述重力熱管的綜合傳熱能力[16]：

(1)

式中：L為熱管的總長(zhǎng)度，m；λ為熱管外殼的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；d0為熱管外徑，m；di為熱管內(nèi)徑，m；e=L1/L，f=L2/L，L1，L2分別為蒸發(fā)段和冷凝段長(zhǎng)度，m；α1，α2分別為蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

部分材料屬性及參數(shù)設(shè)置見表1。結(jié)合表1中的參數(shù)值，通過(guò)式(1)計(jì)算出等效導(dǎo)熱系數(shù)。在Comsol軟件中，設(shè)置重力熱管的導(dǎo)熱系數(shù)為等效導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 部分材料屬性及參數(shù)設(shè)置Table 1 Some material properties and parameter settings

數(shù)值模擬包括加熱和降溫2個(gè)過(guò)程，在Comsol軟件中設(shè)置求解步驟。步驟1：對(duì)無(wú)熱管插入的煤堆進(jìn)行加熱，加熱時(shí)長(zhǎng)為48 h，得到煤堆高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的溫度值；步驟2：在煤堆中加入熱管并禁用熱源項(xiàng)，將步驟1得到的高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度的最后值作為初始值，模擬時(shí)長(zhǎng)為24 h，每1 h記錄1次測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮煤堆的熱輻射，采用瞬態(tài)求解方式求解高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的溫度。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

煤堆高溫?zé)嵩袋c(diǎn)加熱至一定溫度后，將熱管插入煤堆中，插入深度H分別取40，50，60 cm，插入傾角θ分別取30，45，60，90°，煤堆內(nèi)部高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度變化的模擬值如圖3所示。由圖3可看出，煤堆降溫過(guò)程可分為3個(gè)階段，即大幅降溫階段、過(guò)渡階段和緩慢降低階段。以熱管插入深度60 cm為例，0～5 h為大幅降溫階段，該階段煤堆溫度較高，外界環(huán)境溫度較低，由于空氣對(duì)流換熱和熱管換熱的影響，高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度急劇下降；5～15 h為過(guò)渡階段，煤堆降溫速率變慢，這是因?yàn)槊憾褱囟冉档停c外界溫差減小，且隨著煤堆溫度降低，熱管的工作效率也隨之降低，從而導(dǎo)致降溫速度減緩；15～24 h為緩慢降低階段，由于煤堆溫度降低，與外界環(huán)境溫度接近，煤堆溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(a) H=40 cm

(b) H=50 cm

(c) H=60 cm圖3 不同布置方式下高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度變化的模擬值Fig.3 Simulation values of temperature change of high temperature heat source point under different arrangements

不同布置方式下高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的降溫幅度對(duì)比如圖4所示?？梢姡瑹峁懿迦氩煌疃葧r(shí)溫度變化較大，插入不同角度時(shí)溫度變化較小，說(shuō)明熱管插入深度對(duì)煤堆內(nèi)高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的溫度影響較大。這是由于熱管插入深度較大時(shí)，熱管底部距離煤堆高溫?zé)嵩袋c(diǎn)較近，熱管工質(zhì)液溫度受高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的影響較大，熱管工作效率較高。另外，熱管傾角為60°時(shí)降溫效果最好，傾角為90°時(shí)次之，傾角為45°時(shí)的降溫幅度大于30°時(shí)的降溫幅度，這說(shuō)明熱管的傾角存在一個(gè)最佳值。這是由熱管的工作原理導(dǎo)致的，當(dāng)熱管傾角較小時(shí)，蒸發(fā)段工質(zhì)液受熱面積較大，而作用在熱管內(nèi)部工質(zhì)液的剪切力很小，導(dǎo)致工質(zhì)液不能快速返回蒸發(fā)段，影響氣液轉(zhuǎn)化率，熱管工作效率較低；當(dāng)傾角逐漸增大時(shí)，管內(nèi)氣液兩相流處于上下2層，互不沖突，當(dāng)傾角達(dá)到60°時(shí)，內(nèi)部達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；當(dāng)熱管接近垂直放置時(shí)，隨著傾角繼續(xù)增大，管內(nèi)的氣液兩相流處于反向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大的反向剪切力，從而影響熱管的傳熱性能。

圖4 不同布置方式下高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的降溫幅度對(duì)比Fig.4 Comparison of cooling range of high temperature heat source point under different arrangements

由仿真結(jié)果可知，插入深度為60 cm、插入傾角為60°時(shí)，最高降溫幅度達(dá)61.2 ℃，煤堆降溫效果最好。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為更加準(zhǔn)確地分析重力熱管的最佳布置方式，搭建了儲(chǔ)煤堆移熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由熱管、儲(chǔ)煤堆、熱電偶、溫度巡檢儀和計(jì)算機(jī)組成，利用U型加熱棒充當(dāng)熱源對(duì)煤堆進(jìn)行加熱，將熱管布置在煤堆中，利用溫度巡檢儀對(duì)煤堆內(nèi)部高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將溫度巡檢儀連接計(jì)算機(jī)，待高溫點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)停止加熱并插入熱管，監(jiān)測(cè)24 h內(nèi)熱管的溫度變化。

圖5 儲(chǔ)煤堆移熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Heat transfer test bench for coal storage pile

不同布置方式下高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度變化的實(shí)驗(yàn)值如圖6所示。

(a) H=60 cm

(b) H=50 cm

(c) H=40 cm圖6 不同布置方式下高溫?zé)嵩袋c(diǎn)溫度變化的實(shí)驗(yàn)值Fig.6 Experimental values of temperature change of high temperature heat source point under different arrangements

從圖6可看出，當(dāng)插入深度為60 cm、插入傾角為60°時(shí)，煤堆內(nèi)部高溫?zé)嵩袋c(diǎn)的降溫效果最好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致。

熱管降溫速率模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。可以看出，雖然不同布置方式下的實(shí)驗(yàn)數(shù)值與模擬數(shù)值具有一定差異，但除熱管插入深度為40 cm時(shí)之外，整體趨勢(shì)相近。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著傾角增加，熱管降溫速率先減小、后增加；熱管插入傾角為60°時(shí)，降溫速率達(dá)到最大值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，熱管插入深度為40 cm、傾角為90°時(shí)，高溫?zé)嵩袋c(diǎn)降溫速率高于插入深度為50 cm和60 cm時(shí)的降溫速率。這是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程周期較長(zhǎng)，外界溫差較大，空氣與煤堆的對(duì)流換熱加強(qiáng)，從而導(dǎo)致降溫幅度與趨勢(shì)不符。另外，由于數(shù)值模擬忽略了煤堆的含水率、環(huán)境風(fēng)速及空氣濕度變化等因素影響，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定誤差。

圖7 熱管降溫速率模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of simulation results and experimental results of cooling rate

4 結(jié)論

(1) 重力熱管的布置方式對(duì)煤堆內(nèi)部高溫?zé)嵩袋c(diǎn)有很大影響，且插入深度的影響大于插入傾角的影響。

(2) 在相同傾角下，重力熱管布置深度越大越好，即距離熱源越近越好；在相同深度下，重力熱管布置傾角為60，90，45，30°時(shí)，降溫幅度依次遞減。

(3) 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重力熱管插入深度為60 cm、插入傾角為60°時(shí)，降溫速率達(dá)到最大值，降溫效果最好。