多工況條件下重力熱管提熱性能優化研究

馬 欣，謝容宇，孟 曦，劉靜雯，肖 旸，2，蘆 星，2

（1.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤火災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054）

目前我國治理煤自燃的方法主要是從“隔氧、降溫”方面考慮，達到抑制煤自燃的效果。據有關數據顯示，煤自燃產能遠遠超過水利發電站的產能[1]。因此，使用傳統的煤自燃防治方法會造成大量的煤自燃熱能損失。

重力熱管是一種高效的導熱元件，其結構簡單、導熱性能好、運行可靠，被廣泛的應用于石油化工、熱力發電設備、太陽能集熱器等相關領域里[2-5]。近年來，許多學者將重力熱管應用于煤自燃防治領域。徐禮華[6]將重力熱管應用于煤垛，發現重力熱管能有效的降低煤垛溫度，且單根熱管作用時影響半徑為30 cm 左右；鄧軍等[7]通過實驗探究了重力熱管對煤堆的降溫作用，當重力熱管作用于溫度為50 ℃左右的煤堆時，最高降溫溫差可達13.3 ℃，降溫率可達19.9%；蘇賀濤[8]結合通過現場實驗結合重力熱管與溫差發電技術試驗了煤火的“治”與“用”。重力熱管工作時，蒸發段工質吸收熱量蒸發為氣體，在壓差的作用下移動至冷凝段，氣態工質接觸冷凝段較冷的壁面，釋放熱量并冷凝為液體回流至蒸發段，如此循環往復，將蒸發段熱量傳遞至冷凝段。重力熱管的傳熱性能受其固有參數和操作條件2 方面的影響[9]；固有參數包括工質種類、充液率、長徑比、有無翅片等，操作條件包括熱管工作溫度、傾角、插入深度等；通常通過對固有參數與操作條件的改變來減小其自身的熱阻，提高重力熱管的傳熱系數。

工質的表面張力、潛熱以及熱穩定性等因素影響著熱管的傳熱性能。因此，選擇合適的工質是保證熱管高效工作的基礎。近年來，以納米顆粒與傳統工質組成的納米流體成為了主流，LIU 等[10]發現在熱管中加入納米粒子可以增強傳熱和臨界熱通量；周根明等[11]通過實驗對比了去離子水和TiO2納米流重力熱管的啟動時間與熱管蒸發段和冷凝段之間的溫度差，發現工質為TiO2納米流體的重力熱管，啟動時間短，蒸發段與冷凝段溫差小；李東東[12]研究了Al2O3、CuO 等納米流體的傳熱系數和熱阻，結果顯示與水熱管相比，納米流體可有效提高重力熱管的對流傳熱性能。充液率是指工質體積占整個重力熱管體積的百分數，充液率影響著重力熱管的工作效率。當充液率較小時，熱管會出現干涸極限，其傳熱系數降低；充液率過大時，會減小加熱段的換熱系數，因此，選擇合適的充液率對提升熱管的傳熱性能至關重要。吳偉[13]通過實驗得出，當納米流體重力熱管工作溫度為80、130 ℃時，最佳充液率為35%；楊文斌等[14]對比了不同充液率下，SiO2-乙醇納米流體的熱傳導性能，發現在相同粒徑和濃度下，充液率為24%時熱管傳輸功率最大，充液率為32%時熱管傳熱系數最大。長徑比是指重力熱管長度與熱管直徑之比；長徑比越大說明重力熱管蒸發段工質受熱面積越大，熱管熱通量大，有利于熱管的傳熱；然而，當熱管長徑比過大時，又會增大熱管的阻力，降低重力熱管的傳熱系數。劉敏等[15]通過對重力熱管內部汽液兩相流的模擬研究發現重力熱管徑大的熱管極限傳熱量大于管徑小的熱管；AMATACHAYA等[16]發現，重力熱管的熱通量隨長徑比的增加而增加，并且在最大長徑比處略微降低。

目前，研究者大都采用控制變量法確定影響重力熱管移熱效果的某個因素下的最佳參數，但當使用這種方法進行多因素全面實驗時，工作量大，實驗成本高，試驗周期長，難以實現。為此采用正交實驗，研究工質種類、充液率、以及長徑比對重力熱管提熱性能的影響，結合多指標權重分析優選重力熱管最佳提熱性能的參數指標。

1 實驗系統

實驗裝置圖如圖1。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental system and schematic diagram

實驗煤樣來自寧夏回族自治區紅柳煤礦，屬于不黏煤；裝煤箱體為鋼板結構，箱體內部長×寬×高為0.8 m×0.6 m×0.5 m。溫度控制系統主要包括加熱板和溫控儀2 部分，加熱板功率為1 500 W，長寬為0.6 m×0.5 m，置于裝煤箱體左側；加熱板連接溫控儀，控制煤堆溫度。溫度采集系統由K 型玻璃纖維熱電偶，MT-X 多路溫度巡檢儀組成；熱電偶埋置于煤堆固定位置，煤堆內測點位置正對熱管蒸發段中部，布置7 個測點，第1 個測點與熱管接觸，測點間間距為6 cm，測點自左向右編號為A1～A7。

2 正交實驗設計以及指標參數確定

2.1 正交實驗設計

影響納米流體重力熱管降溫效果的影響因素主要有：工質種類（A）、充液率（B）、長徑比（C）。為了研究3 種影響因素對重力熱管降溫效果的影響程度，以及降溫效果最佳的水平組合，確定的正交實驗因素與水平設計見表1。

表1 正交實驗因素與水平設計Table 1 Factors and level design of orthogonal experimental

根據實驗所選取的因素水平數，選用L9（34）正交表，對實驗所使用的重力熱管進行設計，正交實驗方案見表2。結合實驗工作溫度（70、210 ℃），重力熱管管殼選用碳鋼材質，納米顆粒平均粒徑為80 nm，納米顆粒占比濃度為10 %，在將納米流體充入熱管前，使用超聲攪拌儀攪拌納米粒流體，以保證納米流體高效穩定。重力熱管總長1 m，蒸發段長度0.4 m，冷凝段長度0.6 m。

表2 正交實驗方案Table 2 Orthogonal experiment plan

2.2 指標參數的確定

2.2.1 重力熱管降溫幅度與降溫率

重力熱管的降溫幅度、降溫率、量可作為客觀評價重力熱管提熱性能的指標參數。計算公式如下：

式中：Qhp為重力熱管的產冷量，kJ；Tm為煤堆平均溫度，℃；Tair為空氣溫度，℃；τ 為熱管工作時長，h；Ra為熱管蒸發段與煤堆之間的熱阻，℃/W；Rc為熱管冷凝段與空氣流之間的熱阻，℃/W；

熱阻計算公式如下：

式中：r 為重力熱管的有效影響半徑，m；D 為重力熱管外徑，m；λm為煤體的導熱系數，W/（m·℃）；Le為重力熱管蒸發段長度，m；Ahp，c為重力熱管冷凝段表面積，m2；α 為對流換熱系數，取2.75 W/（m2·℃）。

3 實驗結果

3.1 重力熱管降溫幅度與降溫率

為確定不同煤堆溫度下重力熱管的降溫幅度與降溫率，將煤堆溫度分別升至70、210 ℃，待煤堆溫度穩定后，放入熱管，并記錄重力熱管工作24 h 內，煤堆各測點的降溫幅度與降溫率。不同煤堆溫度下重力熱管降溫幅度與降溫率如圖2。

圖2 不同煤堆溫度下重力熱管降溫幅度與降溫率Fig.2 Cooling amplitude and cooling rate of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile

重力熱管作用于煤堆時，均對煤堆溫度有一定的降溫效果，但不同水平組合的重力熱管其降溫幅度與降溫率有較大差異。當煤堆溫度為70 ℃左右時，1#熱管降溫幅度與降溫率最佳，降溫幅度為20.6 ℃，降溫率為30.7%；當煤堆溫度穩定在210 ℃左右時，3#熱管降溫幅度與降溫率最佳，降溫幅度為96.4 ℃，降溫率為49.7%。結果證明：重力熱管可有效降低煤堆溫度，抑制煤自燃的發展，另外，煤堆溫度越高，重力熱管提熱效果越好。這是因為熱管工作溫度越高，其蒸發段換熱系數越大，熱管內部工質兩相流動速率增加[17]，從而增加熱管的提熱效果。隨著測點與重力熱管之間距離的增加，測點處降溫效果越來越小。這是因為熱管的傳熱過程主要是以熱管為中心，向四周擴散[18]所造成的。

3.2 重力熱管有效影響半徑及產冷量

重力熱管在不同煤溫下的有效影響半徑見表3。由表3 可以看出，煤堆溫度越高重力熱管有效影響半徑越大。這是因為煤堆溫度越高，重力熱管冷凝段與蒸發段溫差越大，熱管內部壓差增大，工質汽-液循環加快，重力熱管的提熱效果增加。

表3 重力熱管在不同煤溫下的有效影響半徑Table 3 Effective cooling radius of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile

不同煤溫下重力熱管產冷量如圖3。由圖3 可看出，重力熱管的產冷量與煤堆溫度成正比，即煤堆溫度越高，重力熱管產冷量越大，提熱效果越好。這說明重力熱管可高效的將煤自燃產生的熱量提取至煤自燃區之外，若采取一定的方法，將提取出的熱能加以利用，可實現煤自燃綠色治理。

圖3 不同煤溫下重力熱管產冷量（單位：kJ）Fig.3 Cooling capacity of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile（unit: kJ）

3.3 正交實驗分析

選擇重力熱管的降溫幅度、降溫、有效影響半徑以及產冷量4 個指標參數作為衡量重力熱管提熱效果的參數，進行正交實驗極差分析時，發現不同的指標參數會得出不同的較優水平組合。通過層次分析法對試驗所求得的4 個指標進行多指標權重分析，將多指標的正交實驗轉換為單指標正交實驗，再使用極差法對正交實驗結果進行分析。使用1～9 標定法對所涉及的指標參數進行兩兩比較，指標成對比較的判斷優先圖如圖4。

圖4 指標成對比較的判斷優先圖Fig.4 Judgment priority graph for pairwise comparison of indexes

根據圖4 計算重力熱管有效影響半徑、產冷量、降溫幅度以及降溫率的權重分別為0.068 3、0.528 7、0.134 3、0.268 7。并對權重進行一致性CR 分析，計算得CR=0.066 9＜0.1，權重系數有效，計算綜合評分Y（Y=（重力熱管有效影響半徑/重力熱管有效影響半徑最大值）×0.068 3×100+（重力熱管產冷量/重力熱管產冷量最大值）×0.528 7×100+（降溫幅度/降溫幅度最大值）×0.134 3×100+（降溫率/降溫率最大值）×0.268 7×100），重力熱管提熱效果綜合評分見表4。

表4 重力熱管提熱效果綜合評分Table 4 Comprehensive score of gravity heat pipe heat raising effect

使用極差分析法對正交實驗結果進行分析，正交實驗結果極差分析見表5。

實驗選用L9（34）標準正交表，L 表示正交表，9代表實驗次數，3 代表3 水平，4 代表4 因素。但本實驗僅涉及3 因素3 水平，因此可空出最后一列作為誤差項，用來減小實驗誤差。根據表5，k 值的大小可獲得重力熱管提熱效率最佳的水平組合。當煤堆溫度為70 ℃時，重力熱管提熱效最優的水平組合為：Al2O3、15%、25.0。當煤堆溫度為210 ℃時，重力熱管提熱效果最優的水平組合為：Al2O3、25%、25.0。

表5 正交實驗結果極差分析Table 5 Results of orthogonal experimental

4 結 論

1）煤堆溫度穩定在70 ℃時，重力熱管最大降溫幅度為20.6 ℃，最大降溫率為30.7%。當煤堆溫度穩定為210 ℃，重力熱管作用于煤堆最大降溫幅度94.6 ℃，最大降溫率達47.9 %。重力熱管可有效降低煤堆溫度，抑制煤自燃發展。當使用同一根熱管作用于不同溫度的煤堆，煤堆溫度越高重力熱管降溫幅度越高，且測點距熱管越近其提熱效果越好。

2）當煤堆溫度為70 ℃時，重力熱管提熱效果較優水平組合：工質為Al2O3、充液率為15 %、長徑比為25.0；當煤堆溫度為210 ℃時，重力熱管提熱效果較優水平組合：工質為Al2O3、充液率為25 %、長徑比為25.0。