高地溫巷道熱害資源化利用數(shù)值模擬研究

李清波

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

隨著巷道埋深不斷增加，高地溫帶來的危害越來越嚴(yán)重[1-2]。對(duì)于高地溫巷道，現(xiàn)有技術(shù)一般只能通過各種方式阻止圍巖熱量傳遞或加快熱量釋放，但是都忽略了對(duì)高地溫巷道中地?zé)豳Y源的利用。地?zé)釋?duì)于我們來說是把雙刃劍，一方面高地溫會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、施工人員等造成影響[3]，還會(huì)加劇圍巖變形，產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象[4-6]；另一方面，利用天然的地?zé)豳Y源[7-9]，對(duì)高地溫巷道中熱害進(jìn)行二次開發(fā)利用，可實(shí)現(xiàn)改善巷道環(huán)境與有效利用巷道地?zé)崮艿碾p贏。

近幾年，不同學(xué)者逐漸將這種技術(shù)應(yīng)用到了實(shí)際并做了許多研究。2003年，第一個(gè)“能源土工布”安裝在新奧地利巷道開挖的Lainzer巷道一次襯砌和二次襯砌之間，發(fā)現(xiàn)能源巷道具有良好的運(yùn)營效果[10]。Wilhelm和Rybach[11]對(duì)瑞士阿爾卑斯山的地?zé)釢摿M(jìn)行了討論，其中施工期間和施工后的巷道涌水可以用于相鄰建筑物的加熱和冷卻。Schneider M等[12]在一段能源巷道中配備了地?zé)崽綔y設(shè)備和溫度探頭，調(diào)查了4 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)，目的是評(píng)估能源巷道熱能提取潛力、對(duì)底土溫度的影響。Zhang G Z等[13]通過巷道模型試驗(yàn)，研究在通風(fēng)和地下水滲流條件下，不同換熱環(huán)布設(shè)方式對(duì)能源巷道熱行為的影響。Asal A B等[14]通過數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了巷道內(nèi)GHEs、地面和空氣的傳熱機(jī)理,并考慮了地下水流速對(duì)溫度分布、巷道內(nèi)空氣溫度變化以及巷道GHEs內(nèi)平均流體溫度的影響。

隨之也出現(xiàn)了幾個(gè)問題。首先，現(xiàn)場安裝熱交換管難以施工;其次，對(duì)于不同工況下熱交換管提取的熱量情況尚不清楚;最后，當(dāng)在熱交換中通入冷水后，會(huì)與高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大溫差，其引起的溫度應(yīng)力在一定程度上會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[15]。為此，本文提出了一種預(yù)制混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件熱能利用系統(tǒng)，并研究了不同條件下對(duì)于熱能提取效果以及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 物理模型

通過COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件選擇“固體和流體傳熱”、“非等溫流管道”和“固體力學(xué)”模塊，多物理場接口為熱膨脹接口，建立了1個(gè)三維幾何模型。該模型由圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、熱交換管和空氣4部分組成，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用一維單元對(duì)布置在巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱交換管進(jìn)行建模。物理模型幾何尺寸為：100 m×100 m×15 m，巷道直徑為10 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度為0.6 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)鋪設(shè)熱交換管，如圖1(a)所示。時(shí)間步長設(shè)置為1 d，總時(shí)間為100 d，采用非穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行計(jì)算。

圖1 物理模型

在數(shù)值模型中，將襯砌均勻分為5個(gè)預(yù)制構(gòu)件，每個(gè)預(yù)制構(gòu)件環(huán)向長度約為6.3 m，縱向長度為1.5 m，厚度為60 cm.熱交換管間距為0.5 m，距離預(yù)制構(gòu)件邊界0.25 m.相鄰預(yù)制構(gòu)件以及每列預(yù)制構(gòu)件之間采用鏡像方式進(jìn)行安裝，如圖1(b)所示。一塊預(yù)制構(gòu)件內(nèi)熱交換管總長度約為20 m.

采用自由三角形網(wǎng)格將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？諝馀c襯砌間的傳熱是影響溫度場的關(guān)鍵因素，因此在襯砌與空氣間采用了密集的邊界層網(wǎng)格。進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性分析，選擇熱交換管出口溫度作為反映網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的因素，結(jié)果如圖1(c)所示?？梢钥闯觯?dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到1×106時(shí)，出口溫度基本不變?？紤]到計(jì)算時(shí)間和精度，采用1×106網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分方法。

在非等溫流管道模塊設(shè)置熱交換管一側(cè)為流體入口，熱交換管另一側(cè)設(shè)置為熱流出邊界；圍巖四周、空氣入口以及熱交換管入口設(shè)置為溫度邊界；其他邊界設(shè)置為熱絕緣邊界，不與外界產(chǎn)生傳熱；支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖邊界設(shè)置為無滑移壁條件。在熱交換管出口處設(shè)置1個(gè)域點(diǎn)探針，記錄不同情況下出水溫度情況。模型中圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、空氣和水的物理性質(zhì)由COMSOL自身設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模型材料基本參數(shù)

本文主要討論圍巖溫度、載體流速、熱交換管位置和管徑對(duì)熱交換管出口溫度和襯砌應(yīng)力的影響，這4個(gè)參數(shù)的值如表2所示，其中下標(biāo)s的值為標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 數(shù)值模型使用參數(shù)

1.2 控制方程

熱交換管內(nèi)流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)過程遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程：

一般連續(xù)性方程的形式是：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中：Cp為恒壓比熱容，J/kg；T為溫度，℃；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，(W/m·K)；Q為單位體積單位時(shí)間內(nèi)熱源的生成熱，(J/m3·s).

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基于上述數(shù)值模型，模擬了圍巖溫度為40 ℃、載體溫度為5 ℃、載體速度為0.5 m/s、運(yùn)行100 d后熱交換管換熱情況，如圖2所示?？梢钥闯觯谡麄€(gè)熱交換管中，載體溫度沿著熱交換管布置路徑均勻升高。當(dāng)通入5 ℃載體后，載體與高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行換熱，運(yùn)行100 d后可將低溫載體加熱到13 ℃，這也說明了在高地溫巷道中采取熱交換管提取高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)中的熱量是具有可行性的。

圖2 熱交換管溫度分布圖(100 d)

圖3為一環(huán)預(yù)制構(gòu)件制冷工況應(yīng)力分布示意。當(dāng)?shù)蜏厮魅霟峤粨Q管時(shí)，低溫水與高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)間會(huì)產(chǎn)生高溫差，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。由圖3可以看出，在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)熱交換管處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，在支護(hù)結(jié)構(gòu)左下角最大拉應(yīng)力為1.75 MPa，支護(hù)結(jié)構(gòu)右上角最大拉應(yīng)力為1.48 MPa，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土最大拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重影響施工和運(yùn)營期的安全。

圖3 制冷工況預(yù)制構(gòu)件應(yīng)力分布(100 d)

3 影響因素分析

影響高地溫巷道熱能提取的因素主要有內(nèi)因和外因兩大類。內(nèi)因包括圍巖初始溫度、原巖性質(zhì)等，外因包括載體流速、管徑和熱交換管位置等。為了準(zhǔn)確評(píng)估不同因素下的換熱效果，采用單位長度換熱量對(duì)換熱效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

熱交換管換熱量計(jì)算公式如下：

Q=cm(Tout-Tin)

(4)

式中：Q為熱交換管換熱量，W；c為比熱容，J/(kg·℃)；m為質(zhì)量流量，kg/s；Tout為出口溫度，℃；Tin為進(jìn)口溫度，℃.

單位長度換熱量：

q=Q/L

(5)

式中：L為熱交換管長度，m.

3.1 不同圍巖溫度的模擬結(jié)果

圍巖溫度是影響熱能提取的關(guān)鍵因素，圍巖溫度越大，圍巖釋放的熱量越高，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的傳熱增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度越高。從而熱交換管與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的傳熱以及熱應(yīng)力也會(huì)增加。為了研究圍巖溫度的影響，本節(jié)分別采取了40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃五種圍巖溫度條件進(jìn)行模擬，具體情況如圖4～圖6所示。

圖4 不同圍巖溫度下熱交換管出口溫度隨時(shí)間變化情況

圖5 不同圍巖溫度關(guān)系曲線

圖6 不同圍巖溫度下應(yīng)力隨時(shí)間變化情況

由圖4可以看出，在任一給定圍巖初始溫度下，熱交換管出口溫度隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在35 d前較為顯著，出口溫度下降幅度較大，為快速下降階段，在35 d后出口溫度下降幅度逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，為緩慢下降階段；熱交換管出口溫度與圍巖初始溫度呈正相關(guān)關(guān)系，出口溫度隨圍巖初始溫度的增加而增加；不同圍巖初始溫度條件下，溫差變化幅度隨圍巖初始溫度的增加而降低，相鄰圍巖溫度下溫差變化幅度為29.1%、22.5%、17.6%和14.3%.這也說明了雖然圍巖溫度增加會(huì)增加熱交換管出口溫度，但圍巖溫度越高，對(duì)于熱交換管出口溫度的影響效果越小。

圍巖初始溫度的增加勢(shì)必會(huì)增加圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的溫差，加快了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的傳熱，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度上升，熱交換管與支護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱增大，熱交換管內(nèi)載體溫度上升。但隨著時(shí)間的增加，圍巖釋放的熱量逐漸被支護(hù)結(jié)構(gòu)吸收，導(dǎo)致圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)間溫差減小，兩者間的傳熱減小。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間時(shí)，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響基本消失，支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，出口溫度不再發(fā)生變化。

由圖5可知，在相同的運(yùn)行時(shí)間下，單位長度換熱量隨圍巖初始溫度的增加而增加；在任一給定圍巖初始圍巖溫度下，單位長度換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先迅速下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，在運(yùn)行前期，單位長度換熱量下降幅度較大，隨后下降幅度越來越小，最后趨于穩(wěn)定；熱交換管的出口溫度、單位長度換熱量與圍巖初始溫度呈線性關(guān)系，隨著圍巖初始溫度的增加，熱交換管出口溫度和單位長度換熱量不斷增加。這是因?yàn)閲鷰r溫度越大，熱交換管與外界溫差越大，傳熱現(xiàn)象越明顯，帶走的熱量越多，載體上升溫度越大。由此可見，在高地溫巷道中安置熱交換管時(shí)，應(yīng)盡量安置在圍巖溫度較高的地方。

由圖6可知，在任一給定圍巖初始溫度下，應(yīng)力隨運(yùn)行時(shí)間的增加整體呈先下降后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)；在相同的運(yùn)行時(shí)間下，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著圍巖初始溫度的增加而增加。這是因?yàn)閲鷰r初始溫度越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度越高，支護(hù)結(jié)構(gòu)與熱交換管間的溫差越大，導(dǎo)致熱交換管處溫度梯度加大，引起的溫度應(yīng)力越大。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)與熱交換管間充分換熱，兩者間的溫差逐漸減小，導(dǎo)致溫度梯度減小，隨運(yùn)行時(shí)間的增加，溫度應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

3.2 不同載體流速的模擬結(jié)果

熱交換管通過管內(nèi)載體與管壁以對(duì)流換熱的方式進(jìn)行換熱，為此，熱交換管的換熱效果與對(duì)流換熱強(qiáng)度有著直接關(guān)系，對(duì)流換熱強(qiáng)度可以用對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行表述。

管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[16]：

(6)

Nu=0.023Re0.8Prn

(7)

式中：Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；λ為管內(nèi)流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；L為管徑，m；n為常數(shù)。

通過公式(6)和公式(7)可知，對(duì)流換熱系數(shù)的大小與努塞爾數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而雷諾數(shù)與載體流速呈正相關(guān)關(guān)系。因此，載體流速的大小直接決定了管內(nèi)載體與管壁的對(duì)流換熱強(qiáng)度。為了研究載體流速的影響，本節(jié)分別采取了0.1 m/s(Re=2 970)、0.3 m/s(Re=8 910)、0.5 m/s(Re=14 850)、0.7 m/s(Re=20 790)、0.9 m/s(Re=26 730)和1.1 m/s(Re=32 670)6種載體流速條件進(jìn)行模擬，具體情況如圖7～圖9所示。

圖7 不同載體流速下熱交換管出口溫度隨時(shí)間變化情況

圖8 不同載體流過曲線

圖9 不同載體流速下應(yīng)力隨時(shí)間變化情況

由圖7可知，在任一給定的載體流速下，熱交換管出口溫度隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，在低流速情況下，熱交換管出口溫度整體變化趨勢(shì)不明顯，均為緩慢變化，而隨著載體流速增加，出口溫度下降趨勢(shì)越來越大；熱交換管出口溫度與載體流速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，出口溫度隨著載體流速的增加而減?。徊煌d體流速條件下，出口溫度溫差變化幅度隨載體流速的增加而降低。這是因?yàn)檩d體流速的增加會(huì)縮短熱交換管內(nèi)載體在管內(nèi)的停留時(shí)間，因而減少載體與管壁的換熱時(shí)間，同時(shí)熱交換管加熱功率基本恒定，載體流速小時(shí)載體流量小、加熱的載體溫度大，隨著載體流速增大，載體流量增大，相同加熱功率下加熱的載體溫度變小，從而導(dǎo)致出口溫度減小。

由圖8可知，無論載體流速如何，單位長度換熱量在開始時(shí)相對(duì)較高，然后降低。不同之處在于，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，載體流速越高，單位長度換熱量下降幅度越大；在相同的運(yùn)行時(shí)間下，單位長度換熱量呈先下降后趨于穩(wěn)定趨勢(shì)；單位長度換熱量與載體流速呈正相關(guān)關(guān)系，隨載體流速的增加而增加；當(dāng)載體流速低于0.5 m/s時(shí)，單位長度換熱量隨流速增加而迅速增加，但當(dāng)載體流速超過0.5 m/s時(shí)，單位長度換熱量增加較為緩慢。

載體流速是影響對(duì)流傳熱的主要因素，在湍流范圍內(nèi)傳熱效果與載體流速呈正相關(guān)關(guān)系，所以當(dāng)增大載體流速時(shí)，單位長度換熱量變大，但載體流速?zèng)Q定了載體在熱交換管內(nèi)的停留時(shí)間，因此當(dāng)載體流速的增大，管內(nèi)載體相對(duì)停留時(shí)間減少，最終熱交換管出口溫度反而較低，并且流速越高，管內(nèi)阻力越大，壓力損失越大，所消耗的功率也越大，運(yùn)行成本增高。

由圖9可知，當(dāng)載體流速小于0.5 m/s時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸減小，但當(dāng)載體流速大于0.5 m/s時(shí)，應(yīng)力隨運(yùn)行時(shí)間的增加出現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)；在任一給定載體流速下，應(yīng)力在10 d前下降幅度較大，為快速下降階段，在10 d后下降幅度逐漸減小且趨于穩(wěn)定，為緩慢下降階段；支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與載體流速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著載體流速的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸減小，此外，載體流速在較低情況下增加時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降較為顯著，但當(dāng)載體流速增加到0.5 m/s時(shí)，再增加載體流速對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的減少不再顯著。

3.3 不同熱交換管位置的模擬結(jié)果

在實(shí)際工程中，通常需要考慮到熱交換管埋置位置對(duì)熱能提取的影響，研究支護(hù)結(jié)構(gòu)中熱交換管與巷道內(nèi)拱之間的距離(即熱交換管埋置位置)的影響。為了能夠代表任何厚度的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，熱交換管埋置位置以標(biāo)準(zhǔn)化形式表示，即熱交換管位置到巷道內(nèi)拱距離S(mm)與巷道外供到巷道內(nèi)拱距離L(mm)(60 cm)的比值，即0.0、0.5和1.0.圖10為支護(hù)結(jié)構(gòu)垂直于巷道軸線方向的部分橫截面圖。熱交換管位于支護(hù)結(jié)構(gòu)不同位置，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻的緣故，高溫圍巖對(duì)于不同支護(hù)結(jié)構(gòu)位置處的傳熱效果不同，支護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻公式如下：

圖10 熱交換管埋置位置示意

(8)

式中：ds為熱交換管外徑，cm；db為熱交換管內(nèi)徑，cm；λ為熱交換導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

為了研究熱交換管不同埋置位置的影響，本節(jié)分別采取了熱交換管在內(nèi)拱處S/L=0.0、內(nèi)拱和外拱中心處S/L=0.5和外拱處S/L=1.0三種不同埋置位置條件進(jìn)行模擬，具體情況如圖11～圖13所示。

由圖11可知，熱交換管埋置在任意位置，熱交換管出口溫度均隨運(yùn)行時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，整體分為兩個(gè)階段，第一階段為前40 d，出口溫度下降較快，為快速下降階段，且S/L=0.5時(shí)的下降速度高于S/L=0.0和S/L=1.0的情況。第二階段為40 d到100 d，此階段出口溫度下降幅度較小，為緩慢下降階段；熱交換管出口溫度與S/L的大小呈正相關(guān)關(guān)系，出口溫度隨著S/L比值的增加而增加，即熱交換管越靠近外拱出口溫度越大。熱交換管位置對(duì)于熱能提取效果有著重要影響，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量將熱交換管安置在圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)交界處。

圖11 不同熱交換管埋置位置下熱交換管出口溫度隨時(shí)間變化情況

由圖12可以看出，單位長度換熱量與S/L比值呈正相關(guān)關(guān)系，隨S/L比值的增大而增加；在任一位置處，單位長度換熱量曲線斜率先增大后減小，最后保持不變，反應(yīng)出單位長度換熱量變化速率先增大后減小，最后保持不變；S/L=0.5時(shí)的單位長度換熱量下降速度高于S/L=0.0和S/L=1.0的情況；熱交換管出口溫度、單位長度換熱量與熱交換管位置呈指數(shù)關(guān)系，隨著熱交換管距離圍巖越近，出口溫度和單位長度換熱量不斷增大。

圖12 不同熱交換管埋置位置

由圖13可知，當(dāng)熱交換管位于巷道外拱，即S/L=1.0時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力為拉應(yīng)力，當(dāng)熱交換管位于支護(hù)結(jié)構(gòu)中間和巷道內(nèi)拱處，即S/L=0.5和S/L=0.0時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力為壓應(yīng)力，且任一位置，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均隨運(yùn)行時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)；S/L=0.5時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降幅度低于S/L=0.0和S/L=1.0時(shí)的應(yīng)力下降幅度。

圖13 不同熱交換管埋置位置下應(yīng)力隨時(shí)間變化情況

綜上可知，熱交換管安置在支護(hù)結(jié)構(gòu)中間時(shí)應(yīng)力變化幅度最小，但熱交換管安置在支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖交界處時(shí)，應(yīng)力下降幅度最大，這說明了熱交換管安置在支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)，低溫載體流入熱交換管對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響最小。

3.4 不同管徑的模擬結(jié)果

管徑的增加勢(shì)必會(huì)影響到管內(nèi)載體的質(zhì)量流量。由公式(6)可知，相同流速下，載體質(zhì)量流量隨管徑的增加呈非線性增加。為了研究管徑對(duì)于熱交換管換熱效果的影響，分別采取了管徑2.0 cm、2.5 cm、3.0 cm和3.5 cm四種條件進(jìn)行模擬，具體情況如圖14～圖16所示。

圖14 不同管徑下熱交換管出口溫度隨時(shí)間變化情況

圖15 不同管徑曲線

圖16 不同管徑下應(yīng)力隨時(shí)間變化情況

(9)

式中：L為管徑，m；v為載體流速，m/s.

由圖14可知，熱交換管出口溫度隨運(yùn)行時(shí)間的增加整體呈下降趨勢(shì)，但管徑為2.0 cm時(shí)，運(yùn)行前5 d熱交換管出口溫度保持不變，之后才緩慢下降；相同運(yùn)行時(shí)間下，熱交換管出口溫度與管徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨管徑的增大而減?。还軓皆黾訉?duì)于熱交換管出口溫度的影響越來越小。主要原因是較小管徑下，管內(nèi)載體可以與支護(hù)結(jié)構(gòu)充分換熱，但隨著管徑的增加，載體的質(zhì)量流量增加，管內(nèi)載體與支護(hù)結(jié)構(gòu)換熱不充分，且隨著管徑增加，熱交換管中間的載體換熱越不充分，導(dǎo)致出口溫度變化幅度越來越小。

由圖15可知，管徑為2.0 cm時(shí)，單位長度換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的增加呈緩慢下降趨勢(shì)，管徑超過2.0 cm時(shí)，單位長度換熱量隨運(yùn)行時(shí)間的增加快速下降后趨于穩(wěn)定；相同運(yùn)行時(shí)間下，單位長度換熱量隨管徑的增加呈非線性增加，出口溫度隨管徑的增加而減小。這一結(jié)果表明,雖然管徑的增加會(huì)降低熱交換管出口溫度，降低進(jìn)出口溫差，但隨著管徑的增加，管內(nèi)載體與管壁的換熱面積增加，使得管內(nèi)更多的載體可以與管壁進(jìn)行換熱。并且在管徑較小的情況下，管內(nèi)所有載體可充分換熱，但隨著管徑的增加，僅有靠近管壁的載體可以得到充分換熱。

由圖16可知，在任一根管徑下，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均隨運(yùn)行時(shí)間的增加而減小，且在運(yùn)行10 d前下降速率較大，在運(yùn)行前10 d需要格外注意支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況；在相同運(yùn)行時(shí)間下，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與管徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨管徑的增加而降低。主要是因?yàn)楣軓皆酱?，管?nèi)載體與管壁的換熱效果越好，從而使得熱交換管處溫度梯度降低，應(yīng)力下降。

4 結(jié) 語

通過建立熱交換管預(yù)制構(gòu)件模型，研究不同因素對(duì)于巷道內(nèi)熱能提取和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，主要結(jié)論如下：

隨著圍巖初始溫度的增加，單位長度換熱量呈線性增加；隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，單位長度換熱量呈非線性減?。粺峤粨Q管進(jìn)口溫度與圍巖溫度溫差越大，熱交換管吸收的熱量越多；隨著載體流速的增加，熱交換管出口溫度呈負(fù)指數(shù)下降趨勢(shì)，流速越大，出口溫度越低，單位長度換熱量呈正指數(shù)上升趨勢(shì)，流速越大，單位長度換熱量越大。載體流速增大可以提高熱交換管內(nèi)載體的換熱能力，但也增加了載體與管子的阻力；熱交換管埋置位置越靠近圍巖，換熱量越大；隨著管徑的增加，熱交換管出口溫度呈負(fù)指數(shù)下降趨勢(shì)，單位長度換熱量呈正指數(shù)上升趨勢(shì)。熱能系統(tǒng)運(yùn)行后，熱交換管周圍有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但影響范圍較小，且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，應(yīng)力逐漸下降。