基于熱棒降溫技術的自燃煤堆熱遷移行為數(shù)值模擬

程方明 常助川 李貝

摘 要：為研究熱棒作用下煤堆內部傳熱行為特征及冷卻效果，在物理實驗基礎上，建立了煤堆-熱棒系統(tǒng)復合傳熱模型，采用ANSYS模擬軟件，對自燃煤堆在熱棒作用下溫度場進行數(shù)值模擬。通過分析有、無熱棒時煤堆內的溫度場及溫度等值線的變化，對熱棒的降溫效果進行評價。結果表明，熱棒可以改變煤堆內部的熱傳導路徑，幫助煤堆散熱。熱棒的存在可以使溫度等值線向熱端移動，而且越靠近熱棒位移量越大，形成包圍熱棒的“馬鞍狀”降溫模態(tài)。根據熱棒對松散煤體降溫的效果，把熱棒的作用范圍劃分為“敏感區(qū)”、“過渡區(qū)”、“遲鈍區(qū)”三區(qū)，來有效判斷熱棒的降溫半徑，給實際應用中控制熱棒的密度提供參考。對比實驗和模擬結果，模擬值與實驗實測值相近，精度較高。

關鍵詞：煤自燃;熱棒;數(shù)值模擬;溫度等值線;溫度場

中圖分類號：TD 75 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0404 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0581-08

Abstract：In order to study the internal thermal migration behavior under the action of Heat Pipe（HP）in coal stockpile，the physical mathematical model of coal stockpile HP was established on the basis of physical experiment，and the temperature field of spontaneous combustion coal stockpile under the action of HP was numerically simulated by ANSYS simulation software.By analyzing the change of temperature field and temperature contour in coal stockpile with and without HP，the cooling effects of HP was evaluated.The results show that the HP can change the heat conduction path inside the coal stockpile and help the coal stockpile dissipate heat.The existence of a HP can make the temperature contour move toward the high temperature end，and the closer to the HP，the greater the displacement of the temperature contour，thus the final formation of the “saddle” cooling mode which surronds the HP is formed.According to the effects of HP cooling on the coal pile，the cooling range of the HP is divided into three areas：“sensitive area”，“transition area” and “transfer area”，to judge the cooling radius of the HP effectively，which provides a reference for controlling the density of HPs in practice.By comparing the experimental results，it can be seen that the simulated values are close to the experimental measured values with higher precesion.

Key words：coal spontaneous combustion;heat pipes;numerical simulation;temperature contour;temperature field

0 引 言

煤自燃釋放的二氧化碳及其它有毒有害氣體嚴重地影響人類健康并污染全球環(huán)境[1-2]，其防治技術一直是煤礦安全的研究熱點。熱棒作為一種單向導熱能力極強的設備[3-7]，具有破壞煤自燃蓄熱環(huán)境的潛力，可作為防治煤自燃災害的一種新型技術手段[8-11]。開展熱棒對煤堆內部溫度場分布影響的相關研究可為煤自燃移熱技術研發(fā)奠定重要基礎，促進熱棒技術在煤礦安全領域發(fā)揮更大的作用。

Liang等研究發(fā)現(xiàn)刀具上40%的熱量經由熱管散失，刀具斜切面溫度降低50 ℃，與物件接觸點最高溫度降低200 ℃，熱量密度大時熱管嵌入式刀具降溫效果更佳[12]。Zhang等對凍土區(qū)隧道斷面淺埋熱棒群進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)熱棒群可以使解凍深度變淺，有效地冷卻淺埋隧道段的永久凍土，確保隧道的熱穩(wěn)定性[13]。Yu等通過對多年凍土區(qū)公路路基熱棒的冷卻性能分析發(fā)現(xiàn)，熱棒的最大冷卻深度約12 m，而且安裝熱棒后路面平均變形率是沒安裝前的6倍[14-15]。Chiou等把熱管安裝在切割工具上，通過實驗和模擬證明了使用熱管可以降低切具產生的熱量，減少切削液的使用，從而切具壽命被延長，環(huán)境污染被降低[16]。屈瑞在煤垛中插入多根光管，當熱管間距縮小、插入深度減小、熱管布置角度減小時，發(fā)現(xiàn)可以有效提高煤堆的散熱，當煤堆內部溫度升高時，冷凝段加裝翅片的熱管降溫效果更好[17]。鄧軍等通過研究熱棒對煤堆升溫過程的影響，發(fā)現(xiàn)熱棒對煤堆420 mm范圍的溫度場有影響，距離熱棒邊緣半徑20 mm處煤堆溫度下降最為顯著，隨著距離熱棒邊緣半徑尺寸的增大，熱棒對煤堆內部溫度場的分布影響逐漸減小[3]。

破壞蓄熱環(huán)境，及時散除熱量，對煤堆和煤矸石堆自燃防治至關重要，通過熱棒來強化煤堆內部熱量散失，能夠有效防止煤自燃災害發(fā)生[3]。然而，開展熱棒對煤自燃影響的實驗研究耗時較長，且現(xiàn)場情況復雜，實驗條件難以準確控制，再現(xiàn)難度較大。因此，文中在熱棒傳熱特性實驗測試基礎上，建立煤堆與熱棒熱傳導的復合傳熱模型，利用ANSYS軟件進行小規(guī)模數(shù)值模擬，通過模擬與實驗結果的對比，定量分析熱棒強化散熱作用下煤堆內部冷卻效果和傳熱行為，為大規(guī)模數(shù)值模擬提供重要思路和基礎，對現(xiàn)場工程應用的優(yōu)化設計與效果預測具有重要意義，為熱棒防滅火技術的推廣應用和相關工藝參數(shù)確定提供可靠的理論支持。

1 模型建立

1.1 數(shù)學模型及邊界條件

1.2 物理模型

熱棒防滅火性能測試實驗臺[23]由裝煤箱體、加熱升溫系統(tǒng)、溫度檢測與控制分析系統(tǒng)和熱棒組模4部分組成（圖1（a）），基于該實驗臺幾何參數(shù)建立物理模型（圖1（b）），圖中煤堆長×寬×高為700 mm×600 mm×500 mm，熱棒總長度1 200 mm，直徑為0.047 mm.圖1（c）、（d）為劃分的網格（加熱板和煤堆采用六面體網格，熱棒采用四面體網格），其中無熱棒模型（圖1（c））有27 000個單元。有熱棒模型（圖1（d））有42 032個單元。

為了對比有、無熱棒對煤堆內部溫度場的影響，在煤堆內部設置3組測溫點，位置在高度Z=300 mm處的XY平面上，方向沿Y的正方向，距離加熱面依次為145，170，200 mm處設置。當進行有熱棒的實驗和模擬時，熱棒在煤中埋深500 mm，暴露于空氣段700 mm，插入煤堆的位置在Y方向上距離加熱面100 mm處，如圖1（b）所示。

1.3 參數(shù)設置

物理實驗在室內完成，由于室內的風速較小，因此被忽略不計，室內的環(huán)境溫度范圍為7～11 ℃，煤堆內的溫度范圍為9～11 ℃，實驗中通過計算機控制，每10 h采集一次數(shù)據，總共實驗時長80 h.為了使數(shù)值模擬結果可靠，模擬中把環(huán)境溫度與煤堆初始溫度設為10 ℃，加熱板設為恒溫150 ℃，模擬結束時間設為80 h.采集數(shù)據的位置與實驗采集數(shù)據的位置相同，并設定每10 h輸出一組測點數(shù)據，進而得出煤堆內部測點隨時間變化的溫度值。其余描述煤堆和熱棒傳熱過程的部分關鍵參數(shù)是依據實驗測得的數(shù)據設置，詳見表1.

2 模擬結果分析及驗證

2.1 結果分析

2.1.1 溫度場分析

模擬80 h后，得到無熱棒煤堆溫度場（圖2（a）、圖2（c））和有熱棒煤堆溫度場（圖2（b）、圖2（d））。圖2中，加熱面處溫度最高，內部溫度場背向加熱面凸出而呈拱形，溫度值從熱源端向右逐漸遞減。而外壁與空氣對流換熱作用使其表面溫度較低并呈現(xiàn)出深藍色。對比無熱棒模擬溫度場結果（圖2（c）），發(fā)現(xiàn)當插入熱棒后（圖2（d）），熱棒與煤堆接觸的周圍溫度場發(fā)生了改變，中間向里凹陷，呈現(xiàn)出“馬鞍狀”，表明熱棒的存在，改變了熱量的傳導路徑，使得熱量不但可以從外壁流出，還可以通過熱棒流出，證實了熱棒用來移走煤堆內熱量是可行的。

為了清晰觀察橫截面的溫度場分布，基于圖2橫截面云圖做出對應截面溫度等值線圖3，圖3（a）中溫度等值線呈波狀從加熱板（此后稱為熱端）向最遠邊界（此后稱為冷端，其溫度為環(huán)境溫度10 ℃）擴散，越靠近熱端，溫度等值線越密集，溫度梯度也越大，冷端則反之。在圖3（b）中，因為熱量被吸收的多少與離熱棒距離呈正比，所以溫度等值線彎曲程度不同[21]，所以X在0～0.3 m的熱棒主要影響區(qū)內，熱量被吸收的更多，等值線彎曲程度也越大，呈現(xiàn)出“馬鞍狀”，因此該區(qū)域為溫度梯度的“振蕩區(qū)”。然而由于熱棒降溫能力的有限性，在圖3（b）中，X在0.3～0.7 m的范圍內，溫度及溫度梯度變化相對較為平緩，溫度等值線稀疏，形狀變化小甚至沒變化，所以并沒有呈現(xiàn)出“馬鞍狀”，因此該區(qū)域呈為溫度梯度的“平緩區(qū)”。

由于溫度場內等值線規(guī)律趨勢類似，在此以6根溫度等值線（從冷端至熱端依次為10.0，13.0，18.8，29.7，45.0，62.5 ℃）為例進行分析。首先對所選的溫度等值線的最大變形處（Y=0.3 m）做標記（無熱棒標記為mn，有熱棒標記為m′n），對比標記點的橫坐標發(fā)現(xiàn)，同樣的溫度等值線，在有熱棒的情況下，明顯更加靠近熱端，而且與環(huán)境溫度相等的10 ℃等值線的前移，使得冷端區(qū)域變大，即熱棒的存在使得溫度場整體向熱端收縮，溫度等值線發(fā)生了位移，高溫區(qū)因此減小。

2.2.2 煤堆內部測點監(jiān)測值對比驗證

圖6是模擬與實驗中測點的溫度值以及模擬的誤差值，分析實驗數(shù)據與模擬數(shù)據，在圖7（a）中，0～30 h內升溫速率約0.7～1.3 ℃/h，30～50 h內，升溫速率約0.2～0.4 ℃/h，50～80 h內，升溫速率約0.09～0.17 ℃/h，在圖6（b）中，在0～30 h內升溫速率約0.7～1.03 ℃/h，30～50 h內，升溫速率約0.25～0.3 ℃/h，50～80 h內，升溫速率約0.03～0.2 ℃/h，顯然無論有、無熱棒，在前50 h內溫度上升速率都較大，在50 h后升溫速率逐漸減小，并隨時間趨于平緩。計算1#，2#，3#各測點降溫幅度，發(fā)現(xiàn)模擬中測點降溫幅度依次為22.3，16.3，11.7 ℃，實驗中測點的降溫幅度依次是20.9，14.5，10.9 ℃，模擬趨勢與實驗趨勢一致，降溫幅度幾乎相近。

與實驗結果比較，模擬結果在各時刻都產生了一定的誤差。其中在無熱棒（圖6（a））模擬結果中，測點在個別點誤差較大，其他時刻模擬值的相對誤差都在5%內。而插入熱棒后（圖6（b）），測點普遍相對誤差接近或已超過5%，這是由于熱棒的插入，使得影響煤堆內部溫度的因素增多，例如對熱棒模擬時的等效簡化、熱棒與煤體接觸熱阻的忽略等。但是從總體上，數(shù)值模擬曲線規(guī)律與實驗一致，所得數(shù)據與實驗結果相近，故模擬是可接受的、可靠的。

3 結 論

1）熱棒的存在使得溫度等值線向熱端發(fā)生位移，溫度等值線最大位移量ΔX與L呈反比，距熱棒越近，最大位移量會越大，反之則越小，最終呈現(xiàn)出“馬鞍”狀，致使高溫區(qū)域縮小。

2）根據熱棒對松散煤體“抑制”作用，把熱棒的作用范圍劃分為三區(qū)，即“敏感區(qū)”（L在0～0.2 m）、“過渡區(qū)”（L在0.2～0.35 m）、“遲鈍區(qū)”（L在0.35～0.6 m），通過提出對熱棒降溫范圍區(qū)域劃分方法，可以有效判斷熱棒的降溫半徑，給實際中煤堆內插入熱棒的密度提供新的方法及參考。

3）數(shù)值模擬與實驗結果都表明熱棒可降低煤堆內的溫度，而且降溫幅度與離熱棒的距離呈反比，越靠近熱棒的地方，降溫幅度越大。雖然數(shù)值模擬的溫度結果有一定的誤差，但是模擬中測點的溫度時程曲線變化規(guī)律與實驗結果一致，而且誤差較小，都在可接受范圍內，因此該數(shù)值模擬方法及模型對研究煤堆熱棒移熱過程具有可行性。

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