熱管充液率對高溫煤堆內部溫度場的影響分析

王建國，周侗柱，鄭晨光

(西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

煤在自然堆積時會形成較大的孔隙，煤與空氣中的氧氣接觸后會發生氧化反應并蓄熱，在煤堆內部形成高溫點，容易引起煤堆自燃[1]。煤堆自燃不僅會造成資源浪費，影響生產，同時煤自燃產生的有害氣體也會污染環境，甚至威脅人們的生命健康[2-4]。目前，熱管移熱抑制煤堆自燃的方法已被國內外研究者廣泛接受[5-6]，并開展了大量研究工作。孫美華[7]研究了重力熱管插入煤堆的角度、深度及間距對抑制煤堆自燃的影響，發現當熱管插進煤堆深度較大、傾角為70°時，重力熱管的散熱性能最高；程方明等[8]分析了有無熱管時煤堆內的溫度場，結果表明熱管可以有助于煤堆散熱，并且熱管可以使溫度等值線向熱端移動，形成包圍熱管的“馬鞍狀”降溫模型；LI Bei等[9]分析了重力熱管對煤堆散熱性能的影響，實驗發現重力熱管具有有效的散熱能力，煤堆內部降溫幅度最大的區域為重力熱管半徑20 mm的區域；陳清華等[10]分析了重力熱管對煤堆內部溫度場的影響，研究發現當熱管距熱源越近，其散熱效果越好，且熱管外側降溫效果比內側降溫效果差；張懷潔等[11]對重力熱管幾何結構做了優化，研究發現熱管蒸發段、絕熱段、冷凝段長度的最佳比例為10∶5∶8，此條件下熱管進入穩定運行狀態用時最短，熱阻值最小，散熱效果最佳；鄧軍等[12]通過研究發現熱管可以有效地延緩煤堆溫度上升，且隨著距離熱棒邊緣半徑尺寸的增大，熱管對煤堆內部溫度場的影響逐漸減弱。

綜合現有文獻資料發現，已有研究大多集中在熱管的外部幾何結構、熱管的作用半徑，以及熱管的插入角度、深度等方面，對熱管充液率的研究相對較少。鑒于此，筆者采用實驗的方法，研究熱管不同充液率對高溫煤堆內部溫度場的影響，以期為熱管移熱防控煤堆自燃的現場應用提供參考。

1 熱管移熱原理

熱管主要通過管內的工質液受熱后發生相變進行熱量傳遞[13]，其結構主要包括蒸發段、絕熱段、冷凝段3部分[14]。熱管工作原理如圖1所示。

圖1 熱管工作原理示意圖

當煤堆內部因氧化蓄熱產生高溫點時，插入熱管，熱管蒸發段內的工質液吸收煤堆熱量發生相變成為蒸氣[15]，當蒸氣上升時將熱量傳遞至冷凝段；由于冷凝段暴露在空氣中，其與空氣進行對流換熱，蒸氣液化后回流至熱管底部蒸發段；煤堆內部的熱量被連續循環轉移，改變了煤堆內部蓄熱環境，使煤堆內部溫度降低進而抑制煤自燃[16]。

2 實驗裝置與方法

實驗采用自行搭建的熱管移熱防控煤堆自燃實驗系統，如圖2 所示。

圖2 熱管移熱防控煤堆自燃實驗系統

該實驗系統主要包括儲煤箱體、加熱板、熱電阻、熱管、數據采集系統等。箱體高1.00 m，長、寬均為0.68 m。實驗采用碳鋼—水重力熱管，長度約為 1 400 mm，外徑為32 mm，熱管壁厚為3 mm，最大熱阻系數為0.08 ℃/W，工質充液率分別為10%、20%、30%、40%，工作溫度為50～250 ℃。

實驗煤樣取自平涼新安煤業5#煤層，該煤層屬于自燃煤層，該煤為半亮型煤。其硫分約為0.41%、灰分約為8.06%、發熱量約為29.83 MJ/kg。

實驗過程中，首先預留熱管位置，在其周圍水平和垂直方向布置溫度測點，再接通加熱板電源模擬煤堆高溫熱源。當測點溫度達到實驗指定溫度時斷開加熱板電源，插入熱管，采集數據，并對實驗數據進行分析。

3 實驗結果與分析

3.1 熱管降溫效應

為研究充液率對熱管抑制煤堆自燃降溫效應的影響，實時監測熱管不同充液率條件下煤堆內部高溫點溫度，并繪制其降溫曲線，如圖3所示。

圖3 熱管不同充液率條件下煤堆內部高溫點降溫曲線

由圖3可知，降溫曲線大體可以分為大幅降溫階段、過渡階段和穩定階段3個階段。以充液率40%的熱管為例，在75～46 ℃內的大幅降溫階段，降溫速率最大，在該階段內由于初始溫度較高，煤堆內部溫度梯度較大，熱管內工質液吸熱發生相變，熱管移熱效率較高，煤堆內熱量被快速傳遞到空氣中，溫度迅速降低至46 ℃；在46～32 ℃內的過渡階段，降溫速率明顯變慢，這是由于經前一階段散熱后，煤堆內部溫度梯度變小，熱管中的工質液相變減弱，主要散熱模式為熱管管壁與空氣發生對流換熱；在32～27 ℃內的穩定階段，因煤堆內部溫度與環境溫度相接近，煤堆內部基本上不存在溫度梯度，熱管基本停止工作，熱管管壁與空氣的對流換熱量很小，煤堆內的溫度變化很小，基本趨于穩定。

由圖3還可看出，熱管不同充液率條件下煤堆內部高溫點的降溫速率也不同，尤其在大幅降溫階段表現出明顯的差異；在過渡階段和穩定階段，由于散熱作用效果不同，故充液率對熱管降溫速率的影響不明顯。

在熱管作用下煤堆內部高溫點降溫速率可以表征熱管移熱性能的優劣。熱管不同充液率條件下不同熱源時的降溫速率曲線如圖4所示。

圖4 熱管不同充液率條件下不同熱源時的降溫速率曲線

由圖4可知，熱管不同充液率條件下在高溫及低溫熱源作用時煤堆內部高溫點降溫速率不同，但整體變化趨勢一致，隨著充液率增大，降溫速率先減小，到達最小值(充液率為20%)后又呈現上升的趨勢。

由圖4還可看出，熱管充液率為40%時，煤堆內部高溫點的降溫速率最大為9.92 ℃/h，對應的熱管移熱性能最佳，其次是充液率為10%的，充液率30%再次之，熱管充液率為20%時傳熱能力最差。

3.2 煤堆內部溫度場變化

在熱管作用下，與煤堆高溫點距離不同其溫度變化情況也不同。為分析這種現象，選擇充液率為40%的熱管插入煤堆后對其內部溫度場進行數據采集分析。在垂直方向上將煤堆分為上、中、下3個水平面，各個水平面之間間隔200 mm，在水平方向上選擇距離熱管100 mm(A測點)和200 mm(B測點)布置測點作為數據采集點，進行數據分析對比。熱管影響下煤堆內部不同水平面2個測點溫度隨時間的變化曲線如圖5～7所示。

圖5 上水平面溫度變化

由圖5可知，上水平面2個測點的溫度變化趨勢相似，在數值大小上存在差異，其溫度變化在1～ 2 ℃ 之內。這是由于上水平面位于煤堆上部，距離高溫點最遠，其溫度變化受室溫影響更大。煤堆內的熱量散發主要依靠空氣對流換熱和熱管管壁傳熱。

由圖6可知，在中水平面，在起始時間段A測點煤堆溫度逐漸上升，由于煤體熱阻大，距離熱管較遠的B測點仍處于自然降溫階段；隨著時間的推移，熱量開始向外側傳遞，B測點的溫度逐漸上升。此時A、B測點的溫度上升速率基本相同，在該時間段內熱量主要依靠煤體傳遞。由圖6還可看出，A測點的降溫速率略高于B測點，這是由于在降溫階段 A測點距熱管較近，受熱管管壁散熱影響所致。

圖6 中水平面溫度變化

由圖7可知，在初始溫度上升階段，由于下水平面距高溫點最近，受高溫點的影響，A測點溫度迅速升高，B測點溫度同樣升高，但峰值比A測點??；隨后，A、B測點溫度在熱管影響下開始下降，A測點降溫速率大于B測點，這是由于A測點靠近熱管，其熱管傳熱影響強于B測點，此時熱管的降溫方式主要為工質相變傳熱。

圖7 下水平面溫度變化

通過對煤堆內部不同水平面測點溫度變化的分析可以發現，熱管傳熱對煤堆內部溫度場的影響主要體現在距離熱源點最近的下水平面，此時熱管的降溫方式為相變傳熱。熱管對上水平面與中水平面溫度場的影響較弱，此時熱管基本處于“休眠狀態”，主要依靠熱管管壁傳熱。

4 結論

1)熱管可以有效地對煤堆進行散熱，有利于抑制煤堆自燃，其散熱過程可以分為3個階段，分別為大幅降溫階段、過渡階段、穩定階段。

2)充液率對熱管傳熱能力有明顯的影響，充液率為40%時，熱管傳熱性能最佳，其次為10%、30%，充液率為20%時熱管傳熱能力最差。

3)熱管對煤堆內部溫度場的影響因其水平面位置不同，其作用方式也不同，在上水平面、中水平面主要依靠熱管管壁傳熱，下水平面主要依靠熱管工質相變傳熱。