多工況條件下重力熱管提熱性能優(yōu)化研究

馬 欣，謝容宇，孟 曦，劉靜雯，肖 旸，2，蘆 星，2

（1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實驗室，陜西 西安 710054）

目前我國治理煤自燃的方法主要是從“隔氧、降溫”方面考慮，達(dá)到抑制煤自燃的效果。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，煤自燃產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水利發(fā)電站的產(chǎn)能[1]。因此，使用傳統(tǒng)的煤自燃防治方法會造成大量的煤自燃熱能損失。

重力熱管是一種高效的導(dǎo)熱元件，其結(jié)構(gòu)簡單、導(dǎo)熱性能好、運(yùn)行可靠，被廣泛的應(yīng)用于石油化工、熱力發(fā)電設(shè)備、太陽能集熱器等相關(guān)領(lǐng)域里[2-5]。近年來，許多學(xué)者將重力熱管應(yīng)用于煤自燃防治領(lǐng)域。徐禮華[6]將重力熱管應(yīng)用于煤垛，發(fā)現(xiàn)重力熱管能有效的降低煤垛溫度，且單根熱管作用時影響半徑為30 cm 左右；鄧軍等[7]通過實驗探究了重力熱管對煤堆的降溫作用，當(dāng)重力熱管作用于溫度為50 ℃左右的煤堆時，最高降溫溫差可達(dá)13.3 ℃，降溫率可達(dá)19.9%；蘇賀濤[8]結(jié)合通過現(xiàn)場實驗結(jié)合重力熱管與溫差發(fā)電技術(shù)試驗了煤火的“治”與“用”。重力熱管工作時，蒸發(fā)段工質(zhì)吸收熱量蒸發(fā)為氣體，在壓差的作用下移動至冷凝段，氣態(tài)工質(zhì)接觸冷凝段較冷的壁面，釋放熱量并冷凝為液體回流至蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)，將蒸發(fā)段熱量傳遞至冷凝段。重力熱管的傳熱性能受其固有參數(shù)和操作條件2 方面的影響[9]；固有參數(shù)包括工質(zhì)種類、充液率、長徑比、有無翅片等，操作條件包括熱管工作溫度、傾角、插入深度等；通常通過對固有參數(shù)與操作條件的改變來減小其自身的熱阻，提高重力熱管的傳熱系數(shù)。

工質(zhì)的表面張力、潛熱以及熱穩(wěn)定性等因素影響著熱管的傳熱性能。因此，選擇合適的工質(zhì)是保證熱管高效工作的基礎(chǔ)。近年來，以納米顆粒與傳統(tǒng)工質(zhì)組成的納米流體成為了主流，LIU 等[10]發(fā)現(xiàn)在熱管中加入納米粒子可以增強(qiáng)傳熱和臨界熱通量；周根明等[11]通過實驗對比了去離子水和TiO2納米流重力熱管的啟動時間與熱管蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫度差，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)為TiO2納米流體的重力熱管，啟動時間短，蒸發(fā)段與冷凝段溫差??；李東東[12]研究了Al2O3、CuO 等納米流體的傳熱系數(shù)和熱阻，結(jié)果顯示與水熱管相比，納米流體可有效提高重力熱管的對流傳熱性能。充液率是指工質(zhì)體積占整個重力熱管體積的百分?jǐn)?shù)，充液率影響著重力熱管的工作效率。當(dāng)充液率較小時，熱管會出現(xiàn)干涸極限，其傳熱系數(shù)降低；充液率過大時，會減小加熱段的換熱系數(shù)，因此，選擇合適的充液率對提升熱管的傳熱性能至關(guān)重要。吳偉[13]通過實驗得出，當(dāng)納米流體重力熱管工作溫度為80、130 ℃時，最佳充液率為35%；楊文斌等[14]對比了不同充液率下，SiO2-乙醇納米流體的熱傳導(dǎo)性能，發(fā)現(xiàn)在相同粒徑和濃度下，充液率為24%時熱管傳輸功率最大，充液率為32%時熱管傳熱系數(shù)最大。長徑比是指重力熱管長度與熱管直徑之比；長徑比越大說明重力熱管蒸發(fā)段工質(zhì)受熱面積越大，熱管熱通量大，有利于熱管的傳熱；然而，當(dāng)熱管長徑比過大時，又會增大熱管的阻力，降低重力熱管的傳熱系數(shù)。劉敏等[15]通過對重力熱管內(nèi)部汽液兩相流的模擬研究發(fā)現(xiàn)重力熱管徑大的熱管極限傳熱量大于管徑小的熱管；AMATACHAYA等[16]發(fā)現(xiàn)，重力熱管的熱通量隨長徑比的增加而增加，并且在最大長徑比處略微降低。

目前，研究者大都采用控制變量法確定影響重力熱管移熱效果的某個因素下的最佳參數(shù)，但當(dāng)使用這種方法進(jìn)行多因素全面實驗時，工作量大，實驗成本高，試驗周期長，難以實現(xiàn)。為此采用正交實驗，研究工質(zhì)種類、充液率、以及長徑比對重力熱管提熱性能的影響，結(jié)合多指標(biāo)權(quán)重分析優(yōu)選重力熱管最佳提熱性能的參數(shù)指標(biāo)。

1 實驗系統(tǒng)

實驗裝置圖如圖1。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental system and schematic diagram

實驗煤樣來自寧夏回族自治區(qū)紅柳煤礦，屬于不黏煤；裝煤箱體為鋼板結(jié)構(gòu)，箱體內(nèi)部長×寬×高為0.8 m×0.6 m×0.5 m。溫度控制系統(tǒng)主要包括加熱板和溫控儀2 部分，加熱板功率為1 500 W，長寬為0.6 m×0.5 m，置于裝煤箱體左側(cè)；加熱板連接溫控儀，控制煤堆溫度。溫度采集系統(tǒng)由K 型玻璃纖維熱電偶，MT-X 多路溫度巡檢儀組成；熱電偶埋置于煤堆固定位置，煤堆內(nèi)測點(diǎn)位置正對熱管蒸發(fā)段中部，布置7 個測點(diǎn)，第1 個測點(diǎn)與熱管接觸，測點(diǎn)間間距為6 cm，測點(diǎn)自左向右編號為A1～A7。

2 正交實驗設(shè)計以及指標(biāo)參數(shù)確定

2.1 正交實驗設(shè)計

影響納米流體重力熱管降溫效果的影響因素主要有：工質(zhì)種類（A）、充液率（B）、長徑比（C）。為了研究3 種影響因素對重力熱管降溫效果的影響程度，以及降溫效果最佳的水平組合，確定的正交實驗因素與水平設(shè)計見表1。

表1 正交實驗因素與水平設(shè)計Table 1 Factors and level design of orthogonal experimental

根據(jù)實驗所選取的因素水平數(shù)，選用L9（34）正交表，對實驗所使用的重力熱管進(jìn)行設(shè)計，正交實驗方案見表2。結(jié)合實驗工作溫度（70、210 ℃），重力熱管管殼選用碳鋼材質(zhì)，納米顆粒平均粒徑為80 nm，納米顆粒占比濃度為10 %，在將納米流體充入熱管前，使用超聲攪拌儀攪拌納米粒流體，以保證納米流體高效穩(wěn)定。重力熱管總長1 m，蒸發(fā)段長度0.4 m，冷凝段長度0.6 m。

表2 正交實驗方案Table 2 Orthogonal experiment plan

2.2 指標(biāo)參數(shù)的確定

2.2.1 重力熱管降溫幅度與降溫率

重力熱管的降溫幅度、降溫率、量可作為客觀評價重力熱管提熱性能的指標(biāo)參數(shù)。計算公式如下：

式中：Qhp為重力熱管的產(chǎn)冷量，kJ；Tm為煤堆平均溫度，℃；Tair為空氣溫度，℃；τ 為熱管工作時長，h；Ra為熱管蒸發(fā)段與煤堆之間的熱阻，℃/W；Rc為熱管冷凝段與空氣流之間的熱阻，℃/W；

熱阻計算公式如下：

式中：r 為重力熱管的有效影響半徑，m；D 為重力熱管外徑，m；λm為煤體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Le為重力熱管蒸發(fā)段長度，m；Ahp，c為重力熱管冷凝段表面積，m2；α 為對流換熱系數(shù)，取2.75 W/（m2·℃）。

3 實驗結(jié)果

3.1 重力熱管降溫幅度與降溫率

為確定不同煤堆溫度下重力熱管的降溫幅度與降溫率，將煤堆溫度分別升至70、210 ℃，待煤堆溫度穩(wěn)定后，放入熱管，并記錄重力熱管工作24 h 內(nèi)，煤堆各測點(diǎn)的降溫幅度與降溫率。不同煤堆溫度下重力熱管降溫幅度與降溫率如圖2。

圖2 不同煤堆溫度下重力熱管降溫幅度與降溫率Fig.2 Cooling amplitude and cooling rate of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile

重力熱管作用于煤堆時，均對煤堆溫度有一定的降溫效果，但不同水平組合的重力熱管其降溫幅度與降溫率有較大差異。當(dāng)煤堆溫度為70 ℃左右時，1#熱管降溫幅度與降溫率最佳，降溫幅度為20.6 ℃，降溫率為30.7%；當(dāng)煤堆溫度穩(wěn)定在210 ℃左右時，3#熱管降溫幅度與降溫率最佳，降溫幅度為96.4 ℃，降溫率為49.7%。結(jié)果證明：重力熱管可有效降低煤堆溫度，抑制煤自燃的發(fā)展，另外，煤堆溫度越高，重力熱管提熱效果越好。這是因為熱管工作溫度越高，其蒸發(fā)段換熱系數(shù)越大，熱管內(nèi)部工質(zhì)兩相流動速率增加[17]，從而增加熱管的提熱效果。隨著測點(diǎn)與重力熱管之間距離的增加，測點(diǎn)處降溫效果越來越小。這是因為熱管的傳熱過程主要是以熱管為中心，向四周擴(kuò)散[18]所造成的。

3.2 重力熱管有效影響半徑及產(chǎn)冷量

重力熱管在不同煤溫下的有效影響半徑見表3。由表3 可以看出，煤堆溫度越高重力熱管有效影響半徑越大。這是因為煤堆溫度越高，重力熱管冷凝段與蒸發(fā)段溫差越大，熱管內(nèi)部壓差增大，工質(zhì)汽-液循環(huán)加快，重力熱管的提熱效果增加。

表3 重力熱管在不同煤溫下的有效影響半徑Table 3 Effective cooling radius of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile

不同煤溫下重力熱管產(chǎn)冷量如圖3。由圖3 可看出，重力熱管的產(chǎn)冷量與煤堆溫度成正比，即煤堆溫度越高，重力熱管產(chǎn)冷量越大，提熱效果越好。這說明重力熱管可高效的將煤自燃產(chǎn)生的熱量提取至煤自燃區(qū)之外，若采取一定的方法，將提取出的熱能加以利用，可實現(xiàn)煤自燃綠色治理。

圖3 不同煤溫下重力熱管產(chǎn)冷量（單位：kJ）Fig.3 Cooling capacity of gravity heat pipe under different temperatures of coal pile（unit: kJ）

3.3 正交實驗分析

選擇重力熱管的降溫幅度、降溫、有效影響半徑以及產(chǎn)冷量4 個指標(biāo)參數(shù)作為衡量重力熱管提熱效果的參數(shù)，進(jìn)行正交實驗極差分析時，發(fā)現(xiàn)不同的指標(biāo)參數(shù)會得出不同的較優(yōu)水平組合。通過層次分析法對試驗所求得的4 個指標(biāo)進(jìn)行多指標(biāo)權(quán)重分析，將多指標(biāo)的正交實驗轉(zhuǎn)換為單指標(biāo)正交實驗，再使用極差法對正交實驗結(jié)果進(jìn)行分析。使用1～9 標(biāo)定法對所涉及的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行兩兩比較，指標(biāo)成對比較的判斷優(yōu)先圖如圖4。

圖4 指標(biāo)成對比較的判斷優(yōu)先圖Fig.4 Judgment priority graph for pairwise comparison of indexes

根據(jù)圖4 計算重力熱管有效影響半徑、產(chǎn)冷量、降溫幅度以及降溫率的權(quán)重分別為0.068 3、0.528 7、0.134 3、0.268 7。并對權(quán)重進(jìn)行一致性CR 分析，計算得CR=0.066 9＜0.1，權(quán)重系數(shù)有效，計算綜合評分Y（Y=（重力熱管有效影響半徑/重力熱管有效影響半徑最大值）×0.068 3×100+（重力熱管產(chǎn)冷量/重力熱管產(chǎn)冷量最大值）×0.528 7×100+（降溫幅度/降溫幅度最大值）×0.134 3×100+（降溫率/降溫率最大值）×0.268 7×100），重力熱管提熱效果綜合評分見表4。

表4 重力熱管提熱效果綜合評分Table 4 Comprehensive score of gravity heat pipe heat raising effect

使用極差分析法對正交實驗結(jié)果進(jìn)行分析，正交實驗結(jié)果極差分析見表5。

實驗選用L9（34）標(biāo)準(zhǔn)正交表，L 表示正交表，9代表實驗次數(shù)，3 代表3 水平，4 代表4 因素。但本實驗僅涉及3 因素3 水平，因此可空出最后一列作為誤差項，用來減小實驗誤差。根據(jù)表5，k 值的大小可獲得重力熱管提熱效率最佳的水平組合。當(dāng)煤堆溫度為70 ℃時，重力熱管提熱效最優(yōu)的水平組合為：Al2O3、15%、25.0。當(dāng)煤堆溫度為210 ℃時，重力熱管提熱效果最優(yōu)的水平組合為：Al2O3、25%、25.0。

表5 正交實驗結(jié)果極差分析Table 5 Results of orthogonal experimental

4 結(jié) 論

1）煤堆溫度穩(wěn)定在70 ℃時，重力熱管最大降溫幅度為20.6 ℃，最大降溫率為30.7%。當(dāng)煤堆溫度穩(wěn)定為210 ℃，重力熱管作用于煤堆最大降溫幅度94.6 ℃，最大降溫率達(dá)47.9 %。重力熱管可有效降低煤堆溫度，抑制煤自燃發(fā)展。當(dāng)使用同一根熱管作用于不同溫度的煤堆，煤堆溫度越高重力熱管降溫幅度越高，且測點(diǎn)距熱管越近其提熱效果越好。

2）當(dāng)煤堆溫度為70 ℃時，重力熱管提熱效果較優(yōu)水平組合：工質(zhì)為Al2O3、充液率為15 %、長徑比為25.0；當(dāng)煤堆溫度為210 ℃時，重力熱管提熱效果較優(yōu)水平組合：工質(zhì)為Al2O3、充液率為25 %、長徑比為25.0。