高溫礦井硅橡膠/中空玻璃微珠圍巖隔熱試驗研究

薛韓玲，彭俊杰，郭佩奇，朱 曌，陳 柳，張 波，張小艷

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

礦井更深層的開采導(dǎo)致了礦井熱害問題日益嚴重[1-3]，熱害在對作業(yè)人員的健康產(chǎn)生損害，造成煤礦安全隱患，降低生產(chǎn)效率的同時，增加礦產(chǎn)資源的開采經(jīng)濟成本[4-8]。目前，應(yīng)用隔熱材料治理深部礦井熱害是一重要途徑。

迄今為止，國內(nèi)外大量學(xué)者對礦用隔熱材料的傳熱性能進行了深入研究，并獲得許多具有實踐意義的成果。KAZMINA等以石英廢料為原料，在不完全熔化的狀態(tài)下合成的泡沫玻璃材料具有強度高、吸水率低、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點[9]；李國富研究了非隔熱圍巖和隔熱圍巖與風流進行熱量交換時的熱量釋放模式[10]；呂芳禮發(fā)現(xiàn)采用玻化微珠砂漿進行巷道圍巖隔熱具有較好的工程實踐效果[11]；王杰研究蛭石砂漿隔熱材料的傳熱性能，得出以蛭石砂漿作為巷道隔熱層可有效降低風流的增溫幅度，且在厚度為6 cm時，隔熱效果最好[12]；SUVOROV分析膨脹蛭石具有低體積密度，低導(dǎo)熱性及較高的熔點，這符合隔熱材料的基本特點[13]；鄒聲華發(fā)現(xiàn)掘進巷道采用隔熱分流排熱降溫技術(shù)后，送入工作面的風溫降低了2.5 ℃，由隔熱板、巷道及圍巖形成的復(fù)合傳熱結(jié)構(gòu)的熱阻增加了42.64%[14]；龐建勇研制出一種新型隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通混凝土的1/8，且其施工工藝簡單，成本低廉，可滿足深井高溫巷道隔熱要求[15]。上述文獻目前主要針對礦井隔熱研究，多為以砂漿、混凝土為隔熱材料的配比及隔熱效果分析。

研究新型礦用隔熱材料對巷道巖壁進行隔熱降溫，對從源頭上控制礦井熱害具有重要的應(yīng)用價值，對保護礦工身心健康，保證安全生產(chǎn)具有更深遠的意義。通過分析礦用隔熱材料在不同壁面溫度、送風風速和送風溫度下的實驗特征來揭示傳熱特性，將有助于在控制熱量來源方面從本質(zhì)上更加深入隔熱材料的實用效果。因此，以硅橡膠/中空玻璃微珠為巷道圍巖隔熱材料，對其導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強度和表觀密度進行測試，并利用相似實驗臺，模擬風流與巷道圍巖的傳熱過程，分析不同壁面溫度、送風風速和送風溫度對隔熱性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 材料選取

實驗用隔熱材料以硅橡膠(深圳紅葉杰科技有限公司A,B雙組份室溫硫化加成制備)為基體，中空玻璃微珠(美國3M公司K1，VS5500型空心玻璃微珠)為填充材料，制備中空玻璃微珠/硅橡膠隔熱材料。基本參數(shù)分別見表1、表2。

表1 雙組份硅橡膠混合后基本物性參數(shù)

1.1.2 材料制備

材料配比為硅橡膠∶K1∶VS5500=100∶15∶5。將填料K1，VS5500預(yù)先烘干，與硅橡膠B組分混合，用電動攪拌棒低速攪拌30 min，再與硅橡膠A組分(mA∶mB=1.0∶1.0)混勻，快速澆筑在PVC模具上，達到目標直徑豎直放置，室溫固化24 h，放入溫度為(20±1)℃、濕度(95±1)%)恒溫恒濕箱養(yǎng)護7 d，制備的復(fù)合隔熱材料如圖1所示。

表2 中空玻璃微珠基本物性參數(shù)

圖1 復(fù)合隔熱材料Fig.1 Thermal-proof composite materials

1.2 性能測試

采用TPS-2500s熱參數(shù)分析儀(瑞典，Hot Disk)測試導(dǎo)熱系數(shù)，儀器內(nèi)阻值R=6.936 806，溫度-10～1 000 K，測量精度為3%。經(jīng)測定制備的隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.093 W/(m·K)。

采用Wance微機控制電液同服壓力試驗機(深圳，萬測公司)測試抗壓強度，測量精度1%，最小分辨率0.02%。電腦控制10 mm/min勻速加載至試件破壞，取3個試件的均值作為最終結(jié)果，測試制備隔熱材料的強度為1.48 MPa。

材料表觀密度ρ按式(1)計算為343 kg/m3

ρ=m/V

(1)

式中m為試塊制作完成28 d后的實測質(zhì)量，kg；V為試塊表觀體積，m3。

材料滿足導(dǎo)熱系數(shù)<0.23 W/(m·K)，抗壓強度在齡期28 d>1.0 MPa，表觀密度≤1 000 kg/m3的礦井用隔熱材料標準，可作為巷道壁的隔熱支護結(jié)構(gòu)[16]。

1.3 實驗過程

以實際圍巖斷面尺寸40 m×40 m，巷道直徑8 m，幾何相似比為40∶1制作相似模擬實驗臺，圍巖傳熱以傅里葉數(shù)為相似準則數(shù)，圍巖與風流換熱以努塞爾數(shù)為相似準則數(shù)[17-20]，計算出模擬圍巖寬×高為1 m×1 m，模擬巷道直徑為0.2 m。由于不考慮入口段效應(yīng)，巷道長度選取不受限制，實驗確定為2.5 m。模型主體采用12 mm的鋼板焊接而成，內(nèi)部由水、膨脹珍珠巖、水泥、石英砂和鋁粉混合制成圍巖相似材料，內(nèi)嵌電纜加熱帶模擬圍巖散熱，加熱量由所需原巖溫度大小決定。模型外表面敷設(shè)30 mm厚的保溫棉，模型主體四周和頂蓋均開有直徑為40 mm的小孔，便于熱電阻溫度傳感器補償導(dǎo)線進出，相似實驗臺如圖2所示，風流和溫度測點布置如圖3所示。

圖2 相似模擬巷道實驗臺Fig.2 Test-bed of similar simulated roadway

圖3 測點布置示意Fig.3 Sketch of measuring points arrangement

圖3(b)F1～F5為風流溫度測點，B1為圍巖側(cè)壁溫，B2為隔熱材料近風流側(cè)壁溫，采用XSLC-16S1V0型溫度巡檢儀(廣州，紋徠儀器公司)記錄風溫，測量速度為0.1 s/每通道，基本誤差為±0.2% F·S，5個測點位于巷道軸線中心，且熱電偶指向來風方向；壁溫通過布置在巷道中部下側(cè)的已校核的面接觸貼壁式熱電偶進行測量；入口風速采用SwemaAir 300熱線風速儀(北京，康高特儀器設(shè)備公司)測試，測點保持與風流方向垂直。

實際施工中隔熱材料厚度通常為10 cm，根據(jù)幾何相似比本次實驗隔熱材料厚度應(yīng)為0.25 cm。文獻表明[21]在一定范圍內(nèi)，隔熱材料的隔熱效果與厚度成正相關(guān)關(guān)系，但當厚度達到一定程度時，隨著厚度的增加，隔熱效果幾乎不再變化，因此實驗確定隔熱材料厚度大于臨界厚度，為便于加工，取隔熱層厚度為1 cm。另因模擬實驗臺巷道直徑為0.2 m，長2.5 m，且需更換材料進行實驗，硅橡膠/中空玻璃微珠復(fù)合材料未采用直接噴涂方式進行模擬巷道壁的隔熱支護，制作成隔熱管(圖1)，在與圍巖結(jié)合緊密條件下，進行隔熱實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 隔熱效果分析

2.1.1 通風初期非穩(wěn)態(tài)壁面和風流溫度變化

該實驗設(shè)置初始壁溫tw0為40 ℃，在不同的送風溫度tf，送風速度Vf及無隔熱圍巖、有隔熱圍巖(以*標注)條件下，測定的壁溫隨通風時間的變化，如圖4所示。

圖4 壁面溫度隨通風時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of wall temperature with ventilation time

在相似模擬巷道中通入風流后，原來的穩(wěn)定狀態(tài)會被破壞，通風開始時，巷道壁面溫度會隨著通風時間的變化而變化。從圖4可知，不同工況下，隔熱圍巖與非隔熱圍巖壁面溫度隨通風時間的變化規(guī)律基本一致，在通風開始前3 min內(nèi)，由于壁面與風流的溫差較大，圍巖壁溫下降迅速。隨著通風時間的延長，兩者之間的溫差逐漸減小，巷道壁面溫度降低趨勢變緩。

添加硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料后，壁面溫度降幅明顯減小，說明隔熱圍巖向風流的放熱量小于未隔熱圍巖，材料起到了阻隔圍巖與風流進行熱量傳遞的作用。這是由于中空玻璃微珠的添加使隔熱材料產(chǎn)生封閉氣孔，熱量經(jīng)歷了不同相的傳遞過程。由于氣相的導(dǎo)熱系數(shù)遠低于固相，故此階段降低了熱量傳遞的效率，另一方面，其路徑長度增加，相當于增加了熱阻，從而熱量傳遞過程中的損耗增大，起到了一定的隔熱效果，隔熱機理如圖5所示。

圖5 多孔材料熱量傳遞過程Fig.5 Heat transfer process of porous materials

由于風流與圍巖換熱方式主要以對流換熱為主，當流體為空氣時，在一定溫度范圍內(nèi)，空氣物性變化不大，對換熱過程影響較小，對比圖4可知，通風初期隔熱與非隔熱情況下，壁面溫度變化與送風溫度無明顯關(guān)系，但受送風速度影響較大。通風速度越小，圍巖側(cè)壁面溫度越高，通風前后壁面溫差越小。以40-30-1.5與40-30-0.5為例，非隔熱圍巖前者溫差為4.2 ℃，后者為3.5 ℃，而隔熱圍巖前者溫差為2.5 ℃，后者為2.0 ℃，表明風流的熱量越少溫升幅度越小。當工況為壁溫40 ℃，送風溫度為30 ℃，入口風速0.5 m/s時，其壁面溫差最小，隔熱效果最好，比相同工況下未隔熱圍巖壁溫溫差減小了29%。

從圖6可以看出，通風前3 min內(nèi)，風流溫度與圍巖壁溫相差較大，換熱劇烈，風流溫度急劇增加。隨通風時間增加，二者溫差減小，換熱減緩，此時風流增溫幅度減緩，直至出口風溫幾乎不再改變，換熱達到穩(wěn)定狀態(tài)。添加隔熱材料與非隔熱的巷道圍巖相比，出口風溫約降低50%。

圖6 出口風溫隨通風時間的變化規(guī)律(tw0=40 ℃，tf =24 ℃，Vf =0.5 m/s)Fig.6 Variation of outlet air temperature with ventilation time(tw0=40 ℃，tf=24 ℃，Vf=0.5 m/s)

2.1.2 穩(wěn)態(tài)換熱風流溫度變化

壁面溫度及出口風溫在通風開始后的15 min左右達到穩(wěn)定值，此時換熱速率極小，可視為穩(wěn)態(tài)換熱，巷道內(nèi)風溫變化如圖7，圖8所示。

圖7 風流溫度隨入口風速的變化規(guī)律(tw0=36 ℃，tf=24 ℃)Fig.7 Variation of air flow temperature with inlet wind speed(tw0=36 ℃，tf=24 ℃)

從圖7可看出，隔熱圍巖(有*)條件下各影響因素的變化規(guī)律與非隔熱圍巖(無*)類似，對工況為tw0=36 ℃，tf=24 ℃的非隔熱圍巖，計算得出當風速為0.3，0.5，1.0和1.5 m/s通過整個巷道的平均風流溫度的變化率分別是1.6， 1.0， 0.6和0.4 ℃/m，風流溫度均是沿巷道長度方向逐漸升高，且風速越大，風流升高幅度越小。根據(jù)熱流量公式[21]，由于風流速度越大，通過整個巷道的時間越短，風流溫度差就越小，風流帶走的熱量越少。而對隔熱圍巖，對應(yīng)變化率僅為0.83，0.45，0.21，0.13 ℃/m。因此相同工況下，添加隔熱材料后風溫的增加幅度減小，硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料具有顯著的降溫效果。

圖8 風流溫度隨入口風溫的變化規(guī)律Fig.8 Variation of air flow temperature with inlet air temperature

從圖8可看出，對比隔熱與非隔熱的圍巖巷道，可以得出添加隔熱材料后，巷道內(nèi)氣流溫度隨入口風溫變化的趨勢基本相似，送風溫度越低，出口風溫也越低。還可看出不同送風溫度下風流沿長度方向的變化幅度不同，即初始送風溫度越低，相鄰兩測點的溫差越大，且進出口風流的溫差越大，以初始風流溫度24與30 ℃為例，非隔熱圍巖前者各段溫差為0.4，0.2，0.3，0.2 ℃，后者為0.2，0.2，0.1，0.1 ℃，隔熱圍巖前者各段溫差為0.2，0.1，0.1，0.1 ℃，后者為0.1，0.1，0，0.2 ℃，除隔熱圍巖1.8 m可能由于接近出口受到影響外基本符合規(guī)律。這是因為初始壁溫相同時，送風溫度越低，風流與巷道壁面之間的溫差就越大，其兩者間的換熱強度越大，穩(wěn)定階段部分工況下風流的顯熱增加量見表3。

2.2 圍巖與風流對流換熱系數(shù)

本次實驗為干圍巖狀態(tài)，風流得熱量僅用于風流顯熱的增加，對流換熱系數(shù)h按式(2)計算[22]。對不同因素下圍巖與風流的對流換熱系數(shù)計算結(jié)果如圖9～圖11所示。

h=[mcp·g(tf2-tf1)]/A(tw0-tf)

(2)

式中h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；m為空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp·g為干空氣定壓比熱，1.005，kJ/(kg·℃)；tf1，tf2為進、出口風流溫度，℃；A為換熱面積，m2；tw0，tf分別為圍巖壁面溫度和風流平均溫度，℃。

表3 部分典型工況下風流的顯熱增量

圖9 換熱系數(shù)隨送風速度的變化規(guī)律(tw0=36 ℃)Fig.9 Variation of convective heat transfer coefficient with air supply velocity(tw0=36 ℃)

從圖9可看出，tw0=36 ℃，對于非隔熱圍巖(無*)與隔熱圍巖(有*)，設(shè)置巷道初始壁溫和送風溫度不變，僅改變送風速度時，對流換熱系數(shù)均隨著送風速度的增大而增大。這是因為在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，速度是影響對流換熱過程強弱的主要因素之一，且在該范圍內(nèi)，增加單位流速對換熱過程的強度影響越大。以送風溫度30 ℃為例，送風風速從0.3 m/s增加到1.5 m/s，在非隔熱圍巖工況下，對流換熱系數(shù)增加了1.5 W/(m2·K)，當添加了硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料后，對流換熱系數(shù)僅增加了0.25 W/(m2·K)。

從圖10可看出，對于非隔熱圍巖(無*)與隔熱圍巖(有*)，設(shè)置巷道初始壁溫和送風速度不變，僅改變送風溫度時，對流換熱系數(shù)隨著送風溫度的增大均有增加趨勢。但對比圖9可知，對流換熱系數(shù)隨送風溫度的變化趨勢相對于隨送風風速的變化趨勢并不明顯，這是由于在對流換熱過程中，流體溫度的變化會引起其物性的變化，也就是會使普朗特數(shù)Pr改變，從而對對流換熱過程的強弱產(chǎn)生影響，但當風溫變化不大時，空氣物性的變化很小，對對流換熱強度影響不大。

圖10 對流換熱系數(shù)隨送風溫度的變化規(guī)律(tw0=36 ℃)Fig.10 Variation of convective heat transfer coefficient with air supply temperature(tw0=36 ℃)

圖11 對流換熱系數(shù)隨初始壁溫的變化規(guī)律(tf=28 ℃)Fig.11 Variation of convective heat transfer coefficient with initial wall temperature(tf=28 ℃)

從圖11可看出，對于非隔熱圍巖(無*)與隔熱圍巖(有*)，當送風溫度和送風速度相同時，對流換熱系數(shù)隨巷道初始壁溫的增加有減小趨勢，但減小幅度不大。

2.3 隔熱圍巖對流換熱系數(shù)相關(guān)因素及準則關(guān)聯(lián)式

上述分析結(jié)果為送風速度對換熱過程影響較大，而送風溫度和壁面溫度對換熱過程基本沒有影響。為進一步驗證該規(guī)律，且保證擬合的準確性[23-24]，利用SPSS統(tǒng)計軟件對對流換熱系數(shù)與送風速度、初始壁溫、風流進出口平均溫度的相關(guān)性進行分析，并采用Spearman分布檢驗，若檢驗結(jié)果p小于0.05，說明兩者之間具有顯著相關(guān)性。

添加硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料的對流換熱系數(shù)與風速、初始壁溫、風流進出口平均溫度的相關(guān)性見表4。

表4 硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱圍巖對流換熱與各參數(shù)的相關(guān)性分析

從表4可以看出，對流換熱系數(shù)與送風速度存在顯著相關(guān)關(guān)系，而與初始壁溫和平均溫度的相關(guān)性不大。使用SPSS軟件對雷諾數(shù)Re，平均溫度對應(yīng)的普朗特數(shù)Pr和努塞爾數(shù)Nu進行冪函數(shù)回歸，得準則關(guān)聯(lián)式為

Nu=1.544Re0.237

(3)

式中 擬合優(yōu)度R2=0.908，表示上述回歸方程能夠解釋努塞爾數(shù)90.8%的信息，9.2%的信息需要其他因素進行解釋。且對流方式為強制對流且流體為空氣時，努塞爾數(shù)Nu僅與雷諾數(shù)Re有關(guān)。可將此次實驗結(jié)果推廣至實際礦井中換熱過程的分析。

3 結(jié) 論

1)巷道壁添加硅橡膠/中空玻璃微珠復(fù)合隔熱支護材料后，壁面溫度變化規(guī)律與無隔熱材料基本一致，但壁溫降幅明顯減小。壁面溫差受送風溫度影響較小，受送風速度影響顯著。添加隔熱材料后風流溫度的增加幅度顯著減小，硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料具有顯著的降溫效果。

2)隔熱圍巖與風流的對流換熱系數(shù)，隨送風溫度的增加有增大趨勢，隨壁面溫度的增大有降低趨勢，但相對于隨送風風速的變化趨勢，對流換熱系數(shù)隨送風溫度及初始壁溫的變化幅度均較小，即受送風速度影響較大且為正相關(guān)關(guān)系。在添加硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱后，對流換熱系數(shù)相比未隔熱情況均有明顯降低。

3)通過SPSS統(tǒng)計軟件分析對流換熱系數(shù)與送風速度有顯著相關(guān)關(guān)系，與初始壁溫、風流進出口平均溫度相關(guān)性不大，其準則關(guān)聯(lián)式為Nu=1.544Re0.237。