重力熱管布置方式對煤堆高溫點的影響研究

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 資源環境與安全工程學院， 湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室， 湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

0 引言

煤的自熱和自燃是導致煤炭火災的常見原因[1]。煤自燃是一種比較復雜的現象[2]，煤與氧氣發生化學反應時會釋放出熱量，若這些熱量沒有及時驅散，會發生熱量積聚，從而導致煤自燃。煤自燃可能發生于煤炭的開采、存儲和運輸過程中，開采過程中的煤自燃一般發生于地下煤層中，而存儲和運輸過程中的煤自燃一般發生于露天煤堆中。由于煤炭開采后存儲和運輸的時間較長，儲煤堆自燃經常發生，造成了大量的經濟損失和能源浪費。此外，煤自燃還會產生二氧化硫、氮氧化物、砷、鎘、鉻和銅等有毒有害物，嚴重危害人的生命健康和生態環境系統。因此，治理煤堆自燃對保護人員安全和生態環境等具有重要意義。

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，雖然能暫時阻止煤堆自燃的發生，卻無法從根本上破壞煤堆內部的蓄熱環境。重力熱管作為一種高效的傳熱元件，由于結構簡單、環保性強且工作性能優異，已被廣泛應用于太陽能系統、工業余熱回收等[5-7]。重力熱管在煤自燃防治中的應用也引起了很多學者的關注。黨逸峰等[8]研究了重力熱管插入煤堆后對其內部溫度的影響，驗證了熱管能夠有效抑制煤堆升溫。劉鑫等[9]采用不同工質液熱管對不同水平煤堆的內部溫度進行測定，發現工質液為甲醇時在100 mm和200 mm水平降溫幅度較大，甲醇為最佳熱管工質液。陳清華等[10]通過數值模擬建立了在煤堆中插入2根重力熱管的數學模型。程方明等[11]通過數值模擬研究了在有熱管和無熱管插入煤堆情況下煤堆內部溫度場變化，并建立了熱管插入煤堆后的有效降溫半徑模型。李貝等[12]通過在礦場實驗地布置熱管和測點，發現熱管對煤堆高溫熱源點溫度產生了顯著影響。王皎[13]利用數值模擬方式建立了風力驅動的三維非穩態煤堆自燃預測模型，并分析了重力熱管布置深度和插入間距對大型煤堆溫度場的影響。蘇賀濤[14]利用重力熱管的傳熱性質，建立了基于重力熱管的煤火提熱及溫差發電系統，將煤火轉化為可再利用的資源。

現有研究已得出重力熱管的數量、插入深度和角度、充液率、工質液等會影響煤堆內部溫度場的分布，但對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，通過數值模擬和實驗相結合的方式，分析重力熱管不同布置方式下煤堆內部溫度的變化規律，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，由管殼和內部工質液組成，從幾何結構上可分為蒸發段、絕熱段和冷凝段[15]，如圖1所示。熱管內部是具有一定真空狀態的空間，由于工質液沸點較低，當熱管底部受熱后，蒸發段吸收熱量，工質液沸騰并產生蒸氣；高溫蒸氣在氣壓差的作用下沿著絕熱段上升，到達熱管冷凝段后，通過冷凝段管殼與外界空氣對流換熱；熱管內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段，在熱管兩側形成液膜，并將熱源中的熱量排出[16]。在這樣的循環作用下，煤堆中高溫處的熱量被導出，無法積聚熱量，從而抑制煤的自燃。

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

2 數值模擬分析

2.1 物理模型及網格分布

基于儲煤堆移熱實驗臺，采用Comsol軟件建立煤堆、熱管和熱源的物理模型。設置煤堆模型為1.2 m×1.2 m×1.2 m的多孔介質立方體，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。采用軟件內置的網格控件將煤堆模型劃分為自由三角形網格，完整網格共包含44 720個域單元、5 100個邊界單元和516個邊單元，如圖2(b)所示。

(a) 物理模型

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

2.2 邊界條件和初始條件

設置熱管外徑為0.1 m，內徑為0.05 m，長度為1.5 m；設煤堆初始溫度為20 ℃，熱源溫度為130 ℃，外界環境溫度為12 ℃；煤堆周圍和熱管邊界采用自然對流換熱，煤堆底部為熱絕緣。

綜合傳熱能力是重力熱管的重要性能。本文引入等效導熱系數λeff來等價描述重力熱管的綜合傳熱能力[16]：

(1)

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

部分材料屬性及參數設置見表1。結合表1中的參數值，通過式(1)計算出等效導熱系數。在Comsol軟件中，設置重力熱管的導熱系數為等效導熱系數。

表1 部分材料屬性及參數設置Table 1 Some material properties and parameter settings

數值模擬包括加熱和降溫2個過程，在Comsol軟件中設置求解步驟。步驟1：對無熱管插入的煤堆進行加熱，加熱時長為48 h，得到煤堆高溫熱源點的溫度值；步驟2：在煤堆中加入熱管并禁用熱源項，將步驟1得到的高溫熱源點溫度的最后值作為初始值，模擬時長為24 h，每1 h記錄1次測點溫度數據。為了簡化計算，不考慮煤堆的熱輻射，采用瞬態求解方式求解高溫熱源點的溫度。

2.3 數值模擬結果

煤堆高溫熱源點加熱至一定溫度后，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°，煤堆內部高溫熱源點溫度變化的模擬值如圖3所示。由圖3可看出，煤堆降溫過程可分為3個階段，即大幅降溫階段、過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，外界環境溫度較低，由于空氣對流換熱和熱管換熱的影響，高溫熱源點溫度急劇下降；5～15 h為過渡階段，煤堆降溫速率變慢，這是因為煤堆溫度降低，與外界溫差減小，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，與外界環境溫度接近，煤堆溫度趨于穩定狀態。

(a) H=40 cm

(b) H=50 cm

(c) H=60 cm圖3 不同布置方式下高溫熱源點溫度變化的模擬值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熱源點的降溫幅度對比如圖4所示?？梢?，熱管插入不同深度時溫度變化較大，插入不同角度時溫度變化較小，說明熱管插入深度對煤堆內高溫熱源點的溫度影響較大。這是由于熱管插入深度較大時，熱管底部距離煤堆高溫熱源點較近，熱管工質液溫度受高溫熱源點的影響較大，熱管工作效率較高。另外，熱管傾角為60°時降溫效果最好，傾角為90°時次之，傾角為45°時的降溫幅度大于30°時的降溫幅度，這說明熱管的傾角存在一個最佳值。這是由熱管的工作原理導致的，當熱管傾角較小時，蒸發段工質液受熱面積較大，而作用在熱管內部工質液的剪切力很小，導致工質液不能快速返回蒸發段，影響氣液轉化率，熱管工作效率較低；當傾角逐漸增大時，管內氣液兩相流處于上下2層，互不沖突，當傾角達到60°時，內部達到動態平衡；當熱管接近垂直放置時，隨著傾角繼續增大，管內的氣液兩相流處于反向運動狀態，會產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熱源點的降溫幅度對比Fig.4 Comparison of cooling range of high temperature heat source point under different arrangements

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

3 實驗分析

為更加準確地分析重力熱管的最佳布置方式，搭建了儲煤堆移熱實驗臺，如圖5所示。該實驗臺由熱管、儲煤堆、熱電偶、溫度巡檢儀和計算機組成，利用U型加熱棒充當熱源對煤堆進行加熱，將熱管布置在煤堆中，利用溫度巡檢儀對煤堆內部高溫熱源點溫度進行實時監控，將溫度巡檢儀連接計算機，待高溫點溫度達到設定溫度時停止加熱并插入熱管，監測24 h內熱管的溫度變化。

圖5 儲煤堆移熱實驗臺Fig.5 Heat transfer test bench for coal storage pile

不同布置方式下高溫熱源點溫度變化的實驗值如圖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熱源點溫度變化的實驗值Fig.6 Experimental values of temperature change of high temperature heat source point under different arrangements

從圖6可看出，當插入深度為60 cm、插入傾角為60°時，煤堆內部高溫熱源點的降溫效果最好，實驗結果與模擬結果一致。

熱管降溫速率模擬結果與實驗結果對比如圖7所示?？梢钥闯?，雖然不同布置方式下的實驗數值與模擬數值具有一定差異，但除熱管插入深度為40 cm時之外，整體趨勢相近。從實驗結果可看出，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，降溫速率達到最大值。在實驗過程中，熱管插入深度為40 cm、傾角為90°時，高溫熱源點降溫速率高于插入深度為50 cm和60 cm時的降溫速率。這是由于實驗過程周期較長，外界溫差較大，空氣與煤堆的對流換熱加強，從而導致降溫幅度與趨勢不符。另外，由于數值模擬忽略了煤堆的含水率、環境風速及空氣濕度變化等因素影響，其結果與實驗結果有一定誤差。

圖7 熱管降溫速率模擬結果與實驗結果對比Fig.7 Comparison of simulation results and experimental results of cooling rate

4 結論

(1) 重力熱管的布置方式對煤堆內部高溫熱源點有很大影響，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，降溫幅度依次遞減。

(3) 數值模擬與實驗結果表明，重力熱管插入深度為60 cm、插入傾角為60°時，降溫速率達到最大值，降溫效果最好。