導熱棒提取松散高溫介質內部熱量的實驗研究

劉 鑫，任萬興，2，石晶泰

（1.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州221116；2.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州221116）

我國煤炭大部分具有自燃傾向性，煤堆自燃將是影響煤炭開采、運輸、儲存及安全管理的一大難題。現階段投入使用的煤自燃防治技術的核心主要為隔絕氧氣與煤體接觸、降低煤堆內部氧氣體積分數，對于提取煤堆內部熱量以阻斷自燃的防治方法研究較少。導熱棒因具有傳熱能力大、啟動溫度低、安全經濟的特點，逐漸應用于各個領域。19 世紀，J Pcking[1]發現了一種優良的散熱元件，被稱為帕金斯管；1965 年，Cotter[2]第1 次闡述了完整的導熱棒理論；Amir F[3]進行了導熱棒尺寸和管殼材質的研究；焦波等人[4]通過建立導熱二維穩態模型分析了垂直放置的導熱棒冷凝段的攜帶極限；Asghar A[5]、Richard L[6]、Marian J[7]等人，研究了適用于導熱棒的最佳充液率為30 %～40 %；Chiasson A D 等人[8]將導熱棒用于煤火余熱回收；劉清龍等人[9]利用導熱棒進行露天煤礦煤堆自燃防治，發現降溫效果明顯；徐禮華[10]通過現場實驗，得出在煤堆中插入導熱棒有明顯的降溫效果；馬礪等[11]結合地面煤堆（矸石山）自燃特性及導熱棒原理，分析了導熱棒在深部移熱方面具有優良的導熱性；曲銳[12]通過導熱棒提取煤堆熱量的實驗，發現加有翅片的導熱棒性能優于光管；鄧軍等[13]得出在應用導熱棒技術進行強化煤堆降溫幅度時，導熱棒對煤堆內部420 mm 范圍內的溫度場有明顯降溫影響；張亞平[14]通過實驗分析了導熱棒插入深度、數量、傾斜角度對煤堆溫度變化的影響；王力偉[15]研究了充液率和冷凝段類型對導熱棒移熱能力的影響，得出充液率在40%左右降溫速率最佳，垂直翅片和彎曲垂直翅片在不同充液率下啟動性能均較好，彎曲垂直翅片的移熱能力最好；王皎[16]得出煤堆內部高溫區域遷移是1 個動態變化過程，導熱棒降溫的最佳位置為z=0 m（不宜大于0.5 m），x=1 m（不宜大于1.5 m），y=1 m；陳清華等[17]基于理論分析與數值模擬，研究得出當導熱棒傾斜60°、間距0.15 m、插入600 mm 時，降溫效果最佳；李文勛等人[18]提出利用低溫導熱棒技術降低煤堆內部溫度，以防止煤堆自燃，通過實驗發現此過程運行穩定、無能耗、人工維護量小、初投資低、易于實施等特點，具有很大前景。

1 導熱棒原理及工質選擇

導熱棒的定義為：在封閉真空棒狀容器內填充適量的工質，利用工質在真空棒內連續快速相變，實現熱量轉移的設備。結構上可劃分為3 部分，從下至上為蒸發段、絕熱段和冷凝段，導熱棒原理如圖1。

圖1 導熱棒原理Fig.1 Heat conducting rod principle

當導熱棒豎直插入高溫熱源中時，由于外部環境溫度高于工質的沸點，使其內部的工質吸收熱源熱量而蒸發成氣體，其蒸氣在真空環境中上升至冷凝段，使蒸氣放出熱量而凝結成液體，在重力的作用下沿管壁形成液膜回流至蒸發段，繼續吸收高溫熱源的熱量，從而蒸發為氣體，完成1 個循環。通過工質不斷地蒸發、冷凝，從而達到降溫的目的。

根據煤堆自燃溫度可知，用于松散高溫煤巖介質的導熱棒內工質的沸點需要在70 ℃左右，以保證能夠控制高溫區域的溫度。通過對有機物和無機物的沸點、物理化學性質進行比較分析，篩選出甲醇、乙醇和正己烷作為本次研究的預選工質。

2 實驗方法

2.1 工質優選實驗設計

實驗采用小型導熱棒，總長為700 mm，其中蒸發段、絕熱段、冷凝段分別長300、100、300 mm，內徑為28 mm，壁厚2 mm。采用加熱功率為370 W 的電加熱套對導熱棒蒸發段進行加熱處理，充液率為40%，工質優選實驗系統如圖2。3 組實驗均在恒功率加熱10 min 后斷開電源，待蒸發段溫度和冷凝段溫度出現交叉時，讀取實驗數據進行分析。

圖2 工質優選實驗系統Fig.2 Experimental system for optimum selection of working medium

由于每組測點對稱布置在導熱棒兩側，且銅的熱阻較低，則其平均值可以用來表示壁內溫度，蒸發段位置測點溫度按式（1）進行平均化處理，其它位置測點溫度處理方式相同。

2.2 導熱棒散熱實驗

1）導熱棒尺寸。本實驗導熱棒管殼材質采用導熱系數高、熱阻小的銅，導熱棒設計尺寸如圖3。影響導熱棒降溫效率的主要參數是充液率和翅片類型，根據已有研究[15]，選擇充液率為40%，翅片類型為垂直翅片，在冷凝段均勻布置8 個翅片，長度為600 mm，厚度為2 mm，寬度為60 mm。

2）實驗箱體。根據實驗設計使用的導熱棒確定箱體尺寸，實驗箱體如圖4。在外側包裹1 層保溫棉，厚度為10 mm，用于防止高溫砂石通過箱體壁發生熱傳遞散失熱量。

圖3 導熱棒設計尺寸Fig.3 Design dimensions of heat conducting rod

圖4 實驗箱體Fig.4 Experimental chamber

3）實驗方案。使用工質優選實驗分析得出的甲醇工質充入導熱棒進行實驗。將導熱棒垂直插入細砂石堆中，插入深度為500 mm，導熱棒下端距離電加熱板50 mm，中間以砂石隔開。在同方向上每隔50 mm 布置1 個溫度測點，同方向同水平共布置3個測點，在同水平的圓周上，以導熱棒為中心，前后左右均勻布置3 個測點，并進行編號，豎直方向上每隔100 mm 為1 個水平，每個水平的溫度測點布置與100 mm 水平相同，4 個水平共布置48 個溫度測點，記為1#～48#。采用多路溫度記錄儀對細砂石堆中各測點進行溫度記錄。將得到的實驗數據進行降溫幅度分析，分析導熱棒對內部高溫區域的降溫效果、溫度場的變化情況。繪制相關的溫度變化趨勢圖，計算得出單位散熱量。實驗系統如圖5，實驗箱體內部溫度測點布置示意圖如圖6。

3 實驗結果

3.1 工質優選實驗結果

圖5 實驗系統Fig.5 Experimental system

圖6 實驗箱體內部溫度測點布置示意圖Fig.6 Arrangement of temperature points inside the experimental chamber

蒸發段的溫度變化反映了導熱棒的工作范圍，溫度變化趨勢如圖7。從圖7（a）可以看出，在溫升階段，甲醇和正己烷變化一致，而且啟動溫度較乙醇高，但在溫降階段，甲醇能夠快速降到更低的溫度，說明工作溫度范圍更大。圖7（b）表明了導熱棒在冷凝段的溫度變化，3 種工質的啟動時間相差不大，均為10 s，但是溫降階段的曲線斜率反映導熱棒的工作性能，即斜率的絕對值越大，表示降溫速率越快，導熱棒工作性能越好。經分析，甲醇在3 種預選工質中具有更大的工作溫度范圍，且其工作性能最好。

3.2 導熱棒散熱實驗結果

3.2.1 溫度變化

對實驗數據進行篩選后，實驗箱體4 個水平上的溫度變化趨勢如圖8。

從圖8 可以看出，4 個水平位置的溫度變化均可以分為快速變化階段和平緩變化階段，以下將100 mm 水平和200 mm 水平分為1 組，300 mm 水平和400 mm 水平分為1 組，分別分析2 組中2 個階段的溫度變化情況。

圖7 溫度變化趨勢Fig.7 Temperature trend

圖8 各水平溫度變化趨勢Fig.8 Temperature variation trend at all levels

1）快速變化階段。從圖8（a）、圖8（b）可以看出，在距導熱棒外邊沿50 mm 的位置上，100 mm 水平處溫度降至160 °C 左右降溫幅度最大（0～2 h），此階段的降溫速率達到79.26 ℃/h，200 mm 水平處溫度降至96 ℃左右降溫幅度最大（0～1.5 h），該水平此階段的降溫速率達到35.31 ℃/h。這是由于電加熱板在底部50 mm 水平位置進行加熱，故該位置受熱最早，溫度最高，而在距離導熱棒外邊沿50 mm的位置上，因導熱棒的作用，熱量快速往外導出，故溫度降低較快。在距導熱棒外邊沿100 mm 的位置上，100 mm 水平處的溫度降低至152 °C 左右（0～2 h）達到穩定，降溫速率為52.24 ℃/h，200 mm 水平處的溫度降低至89 °C 左右（0～1.5 h）達到穩定，降溫速率為16.35 ℃/h。在距導熱棒150 mm 的位置上，100 mm 水平處和200 mm 水平處的降溫速率分別為26.18、3.1 ℃/h，此位置因距離導熱棒較遠，所以降溫速率較低。由此可看出100 mm 水平處和200mm 水平處的降溫速率呈現出由上至下逐漸增大，由內至外逐漸減小的趨勢。從圖8（c）、圖8（d）可以看出，在300 mm 水平處和400 mm 水平處溫度有1 個快速上升的過程。在此水平位置，由于工質在導熱棒底部蒸發，蒸氣將熱量從底部帶至上水平，導致溫度有所上升。300 mm 水平處的溫度變化不僅受到工質蒸氣攜帶熱量的影響，還受到下水平細砂石堆高溫的影響，故溫升速度較快，而在400 mm 水平上，因距上表面空氣較近，熱量在積累的過程中也有部分散失，所以溫升速度較慢。

2）平緩變化階段。從圖8 可看出，100 mm 水平處離熱源較近，初始時溫度較高，在導熱棒工作一段時間后，將其中的一部分熱量帶到外界環境中，但降低至某一溫度時，導熱棒內部工質相變達到穩定，故此水平上的溫度最終趨于同一數值。200 mm 水平處，由內至外離熱源逐漸變遠，在導熱棒的作用下，距導熱棒外邊沿各位置的溫度各不相同。300 mm 水平和400 mm 水平處，距導熱棒外邊沿100 mm 和150 mm 位置的溫度最終穩定在某一相同數值，但是，由于導熱棒內工質蒸氣帶至上平面，使得靠近導熱棒部分的溫度較其他地方要高，這就導致在距導熱棒外邊沿50 mm 位置的穩定溫度高于外側。

3.2.2 降溫趨勢分析

100 mm 水平及200 mm 水平上的溫度有明顯的降溫趨勢，由于這2 個水平上距導熱棒相同位置的溫度變化趨勢較為接近，故按照距離導熱棒外邊沿的位置將100 mm 水平和200 mm 水平上的溫度數據分為3 組，對降溫曲線進行非線性回歸擬合，分析在距導熱棒相同位置上溫度變化的統一性規律，以及對比不同位置不同水平上溫度變化的差異。降溫曲線擬合結果如圖9。

圖9 降溫曲線擬合結果Fig.9 Fitting results of cooling curves

由擬合結果可知，松散高溫介質在插入導熱棒后，100 mm 水平和200 mm 水平上降溫效果明顯，且降溫趨勢滿足一特定公式：

式中：T 為內部高溫區域溫度值，℃；t 為時間，h；A、b 為常數項。

設定擬合得出的公式中的A 值取決于高溫區域的初始溫度，初始溫度越高，A 值越大，反之越小；b 值的大小反映導熱棒散熱能力的大小，b 值越大，說明導熱棒的工作性能越佳。

4 結 論

1）100 mm 水平和200 mm 水平上的降溫幅度較大，說明應用甲醇作為工質應用于導熱棒散熱效果較好。

2）高溫區域中位于100 mm 水平和200 mm 水平上的降溫趨勢接近，在距導熱棒外邊沿50 mm 的位置上降溫速率最大。2 個水平上距導熱棒外邊沿50 mm 的平均降溫速率為57.29 ℃/h，距導熱棒外邊沿100 mm 的平均降溫速率為34.30 °C/h，距導熱棒外邊沿150 mm 的平均降溫速率為14.64 ℃/h。由此可得，在距離導熱棒底部豎直方向200 mm 以內，水平方向150 mm 以內為導熱棒散熱最佳工作區域。

3）在對100 mm 水平和200 mm 水平上的降溫曲線趨勢進行擬合分析中，得出在松散高溫介質內部插入導熱棒后，溫度場變化滿足公式。其中A 值大小與高溫區域初始溫度有關，初始溫度越高，A 值越大；b 值大小與導熱棒的工作性能有關，取決于其降溫速率，降溫速率越大，b 值越大。