煤自燃熱空氣環(huán)境模擬系統(tǒng)

陳清華，陳文濤，秦汝祥，高 偉，徐同震，劉雅瑞

（1.安徽理工大學(xué) 礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 淮南232001；2.省部共建深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室（安徽理工大學(xué)），安徽 淮南232001）

煤經(jīng)過長期大量的堆積，會緩慢氧化發(fā)熱，如果熱量無法及時散發(fā)或傳遞，溫度會逐漸升高，最終導(dǎo)致自燃起火。由于現(xiàn)場試驗工作量大且難以實施，通過建立相似模擬試驗裝置研究煤自燃發(fā)火規(guī)律，成為重要研究手段之一[1-2]。煤低溫氧化進程與空氣溫度、濕度、氧濃度等多種因素有關(guān)，而如何真實模擬現(xiàn)場實際氣流和溫濕度環(huán)境，直接決定模擬試驗結(jié)果的準確性和可靠性。

為了準確調(diào)控溫度參數(shù)以模擬不同氣溫環(huán)境，通常需要設(shè)計空氣加熱裝置，針對不同研究需要有關(guān)學(xué)者設(shè)計了各種空氣加熱器。例如，曹春華[3]為了在堿回收爐中實現(xiàn)蒸汽冷凝水，設(shè)計了一種高低壓蒸汽空氣加熱系統(tǒng)；泰國農(nóng)業(yè)大學(xué)Sompol Skullong[4]為了研究安裝三角翼型渦發(fā)生器的太陽能空氣加熱器通道的傳熱和流動摩擦特性，對太陽能空氣加熱器進行了改進設(shè)計；由于再生用壓縮空氣的溫度可有效提高再生效率，武漢第二船舶設(shè)計研究所張思平[5]等針對該問題采用傳統(tǒng)理論計算方法對錯排式加熱器參數(shù)進行設(shè)計；東北電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院孫佰仲[6]為了優(yōu)化高溫空氣加熱器，將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用到空氣加熱領(lǐng)域；高溫空氣加熱器是高溫空氣點火試驗臺的關(guān)鍵設(shè)備，為此杭州電子科技大學(xué)聶欣等[7]將中頻加熱器和靜態(tài)混合器相結(jié)合，進而開發(fā)了一種新型的混合器式高溫空氣加熱器。

綜上所述，有關(guān)學(xué)者基于不同應(yīng)用場景對空氣加熱技術(shù)和技術(shù)進行了研究，并取得了大量成果，但應(yīng)用于煤自燃研究的空氣加熱器尚未見報道。為此基于現(xiàn)場實際以及煤自燃試驗研究需求，研制了一種新型空氣加熱器，將螺旋盤管換熱器應(yīng)用于該研究方向，結(jié)合理論計算，對空氣加熱器進行設(shè)計。

1 總體結(jié)構(gòu)

空氣加熱器工作流程圖如圖1。環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖1 空氣加熱器工作流程圖Fig.1 Flow chart of air heater

設(shè)備通過氣泵將空氣泵入盤管，通過油浴設(shè)備內(nèi)循環(huán)加熱盤管[8]，盤管對內(nèi)部空氣進行加熱，經(jīng)過加熱后的空氣通入與空氣加熱器相連的環(huán)境模擬箱，模擬在不同溫度的環(huán)境條件下的煤實際貯藏情況，并觀察不同溫度的環(huán)境條件下的煤自燃情況，為煤貯藏安全提供更有參考性的數(shù)據(jù)[9-10]。

圖2 環(huán)境模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the environment simulation system

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 螺旋盤管換熱器計算

本設(shè)計中，油浴設(shè)備的實際儲油空間尺寸為：長a=0.44 m，寬b=0.325 m，高c=0.21 m。螺旋盤管的平均半徑取螺旋中心線到盤管中心線的距離R=0.115 m，盤管內(nèi)徑D=0.008 m，盤管外徑d0=0.01 m，螺旋盤管的平均直徑DH=0.23 m，螺距P=0.015 m，設(shè)備開啟后氣體流量q=16 L/min，油液溫度始終保持，通過螺旋盤管加熱空氣，使入口溫度為20 ℃的空氣在出口時可達到最高80 ℃左右的出口溫度。

螺旋盤管換熱器的設(shè)計計算流程圖如圖3。

圖3 設(shè)計計算流程圖Fig.3 Design and calculation flow chart

螺旋盤管換熱器的主要設(shè)計程序[11]如下：

N 圈盤管所需的長度L 為：

式中：P 為螺距，m；R 為螺旋中心線到盤管中心線的距離，m；N 為圈數(shù)。

盤管所占的體積VC為：

式中：K 為流體的導(dǎo)熱率，kcal/（h·m·℃）；pr為普蘭德數(shù)，無因次[12]；μ 為在全容積流體平均溫度下的流體黏度；μω為在管壁溫度下的流體黏度。

流體在盤管內(nèi)流動時，傳熱系數(shù)ht0可以使用常規(guī)方法計算。根據(jù)盤管內(nèi)徑得到的傳熱系數(shù)ht是用求解直管的方法求得的，接著用［1+3.5（D/DH）］乘以ht進行修正，從而得到螺旋盤管的傳熱系數(shù)hte[13]。

綜合可得：h0=1.89，hte=2.12，ht0=0.169 6。

總傳熱系數(shù)U 為：

式中：x 為盤管壁厚，x=（d0-D）/2=0.001 m；Rt、Rσ為污垢系數(shù)，均取決于流體的性質(zhì)，即流體的操作溫度、流速等，取值均為1.4×10-5（h·m2·℃）/kcal；Kt為黃銅的導(dǎo)熱率，109 kcal/（h·m·℃）。

可得：U=5.896 3。

對數(shù)平均溫差△tm為:

式中：T 為盤管換熱器外部加熱溫度，250 ℃；t1為空氣初始溫度值，20 ℃；t2為預(yù)期出口溫度值，80 ℃。

可得△tm=198.5。由于2 種流體的運動呈垂直狀[14]，故取校正系數(shù)為0.99，則校正對數(shù)平均溫差△tc=0.99×198.5=196.52。

熱負荷Q 為:

式中：q 為流體的體積流率，0.96 m3/h；λ 為換算系數(shù)，1.293；cp為定壓比熱容，1 kJ/（kg·K）；△t 為出入口空氣差值，△t=t2－t1=60 ℃。

則Q=74.476 8 kcal。

加熱所需面積A 為:

則A=0.06 m2。

計算盤管所需圈數(shù)N 為：

得N=2.64，盤管所需圈數(shù)為整數(shù)，故取N=3，即實際盤管圈數(shù)為3 圈，此時盤管長度為2.198 1 m。

2.2 空氣加熱器結(jié)構(gòu)

獲得加熱盤管的各項尺寸參數(shù)之后，綜合考慮空氣能夠在加熱器內(nèi)部充分換熱以確定加熱盤管的圈數(shù)以及管長。根據(jù)油浴設(shè)備的具體尺寸結(jié)合熱能損耗原則便可以確定整個盤管的尺寸[15]，盤管外部直徑為10 mm，螺旋圈數(shù)為3，盤管盤旋直徑為200 m。盤管的盤繞方式如圖4。

在實際的油浴加熱箱中，沿著空氣流向方向，根據(jù)實際體積以及加熱需求，采用圖4（b）進行布置，間隔固定間距，形成網(wǎng)絡(luò)。加熱箱中間空腔充斥加熱用高溫硅油，并盤旋固定有螺旋加熱盤管，進出口處采用絕熱陶瓷進行絕熱。

3 試驗測試

為檢測所設(shè)計加熱器的控溫精度、空氣出口溫度及空氣加熱效率等，利用溫度傳感器在加熱器的加熱區(qū)域以及空氣出口處測定所需溫度值[16]。

實際環(huán)境空氣溫度為18.858 ℃，將油浴加熱器設(shè)置為不同的溫度值，打開氣泵并通入不同流速的空氣，分別為2.21、4.42、6.63、8.84 m/s。

相同溫度時，流速越低其加熱效率越低，從25℃加熱至30 ℃時，當(dāng)流速為2.21、4.42、6.63 m/s 時，空氣加熱效率從低水平快速上升至較高的水平，而流速為8.84 m/s 時略有上升。加熱溫度從30 ℃上升至70 ℃上升的過程中，效率略有上升并保持動態(tài)的趨勢穩(wěn)定。30～70 ℃的加熱過程中，流速從低到高的加熱效率平均值分別為59.75%、68.62%、71.9%、76.36%，呈現(xiàn)上升趨勢，可推測，一定溫度下，當(dāng)流速不斷升高時，空氣加熱效率會持續(xù)上升。

4 結(jié) 語

研制了一種煤自燃熱空氣環(huán)境模擬用空氣加熱器，采用螺旋盤管換熱器，為了提升空氣加熱精度，基于理論計算進行了螺旋盤管換熱器設(shè)計（圈數(shù)為3 圈，換熱器長度為2.198 1 m）。加熱溫度與設(shè)定溫度差值在±1 ℃內(nèi)，相對誤差在±3%內(nèi)，設(shè)備加熱精度高，很好的滿足試驗需求。