煤自燃热空气环境模拟系统_陈清华.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 煤自燃热空气环境模拟系统 陈清华 1， 陈文涛1， 秦汝祥2， 高 伟 1， 徐同震2， 刘雅瑞2 （1.安徽理工大学 矿山智能装备与技术安徽省重点实验室， 安徽 淮南 232001； 2.省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控 国家重点实验室 （安徽理工大学） ， 安徽 淮南 232001） 摘要 将空气加热技术应用到环境模拟领域， 模拟松散煤体堆积时外部环境温度不同时煤的 氧化情况， 研制高温空气加热器， 通过将被高温油浴加热到不同温度的空气送至环境模拟箱， 进 而对煤实际堆放环境进行模拟。详细阐述加热器的工作流程以及功能， 计算加热器中所用螺旋 盘管的具体尺寸， 并通过实际试验对该设备加热效率等进行确定。结果表明 选择垂直螺旋盘管 换热器， 实际盘管圈数为 3 圈， 长度为 2.198 1 m； 通过高温油浴对盘管内的空气进行加热， 该加 热器的控温精度在1 ℃， 实际空气加热效率较高， 并随着流速增加而不断增加。 关键词 煤自燃； 热空气环境模拟系统； 螺旋盘管换热器； 恒温油浴； 松散煤体 中图分类号 TD752文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0253-04 Thermal Air Environment Simulation System for Spontaneous Combustion of Coal CHEN Qinghua1, CHEN Wentao1, QIN Ruxiang2, GAO Wei1, XU Tongzhen2, LIU Yarui2 （1.Anhui Key Laboratory of Mine Intelligent Equipment and Technology, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;2.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China） Abstract The air heating technology is applied to the field of environmental simulation to simulate the oxidation of coal when the external environment temperature is different and the loose coal is piled up. The high temperature air heater was developed, and the actual stacking environment of coal was simulated by sending the air heated to different temperatures by high temperature oil bath to the environmental simulation box. The working process and functions of the heater are described in detail, the specific size of the spiral coil used in the heater is calculated, and the heating efficiency of the equipment is determined through practical tests. The results show that the actual coil number is 3 and the length is 2.198 1 m when the vertical spiral coil heat exchanger is selected. The air in the coil is heated by high temperature oil bath. The temperature control accuracy of the heater is 1 ℃. The actual air heating efficiency is relatively high, and increases with the increase of flow rate. Key words coal spontaneous combustion; thermal air environment simulation system; spiral coil heat exchanger; constant temperature oil bath; loose coal 煤经过长期大量的堆积， 会缓慢氧化发热， 如果 热量无法及时散发或传递，温度会逐渐升高，最终 导致自燃起火。由于现场试验工作量大且难以实 施，通过建立相似模拟试验装置研究煤自燃发火规 律， 成为重要研究手段之一[1-2]。煤低温氧化进程与 空气温度、 湿度、 氧浓度等多种因素有关， 而如何真 实模拟现场实际气流和温湿度环境，直接决定模拟 试验结果的准确性和可靠性。 为了准确调控温度参数以模拟不同气温环境， 通常需要设计空气加热装置，针对不同研究需要有 关学者设计了各种空气加热器。例如， 曹春华[3]为了 在碱回收炉中实现蒸汽冷凝水，设计了一种高低压 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.041 陈清华， 陈文涛， 秦汝祥， 等.煤自燃热空气环境模拟系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10） 253-256. CHEN Qinghua, CHEN Wentao, QIN Ruxiang, et al. Thermal Air Environment Simulation System for Spon－ taneous Combustion of Coal［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 253-256.移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0807900） ； 国家 自然科学基金资助项目 （51874007） 253 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 3设计计算流程图 Fig.3Design and calculation flow chart 图 1空气加热器工作流程图 Fig.1Flow chart of air heater 蒸汽空气加热系统； 泰国农业大学 Sompol Skullong[4] 为了研究安装三角翼型涡发生器的太阳能空气加热 器通道的传热和流动摩擦特性，对太阳能空气加热 器进行了改进设计；由于再生用压缩空气的温度可 有效提高再生效率，武汉第二船舶设计研究所张思 平[5]等针对该问题采用传统理论计算方法对错排式 加热器参数进行设计；东北电力大学能源与机械工 程学院孙佰仲[6]为了优化高温空气加热器， 将电磁 感应加热技术应用到空气加热领域；高温空气加热 器是高温空气点火试验台的关键设备，为此杭州电 子科技大学聂欣等[7]将中频加热器和静态混合器相 结合，进而开发了一种新型的混合器式高温空气加 热器。 综上所述，有关学者基于不同应用场景对空气 加热技术和技术进行了研究，并取得了大量成果， 但应用于煤自燃研究的空气加热器尚未见报道。为 此基于现场实际以及煤自燃试验研究需求，研制了 一种新型空气加热器，将螺旋盘管换热器应用于该 研究方向， 结合理论计算， 对空气加热器进行设计。 1总体结构 空气加热器工作流程图如图 1。环境模拟系统 结构示意图如图 2。 设备通过气泵将空气泵入盘管，通过油浴设备 内循环加热盘管[8]， 盘管对内部空气进行加热， 经过 加热后的空气通入与空气加热器相连的环境模拟 箱，模拟在不同温度的环境条件下的煤实际贮藏情 况， 并观察不同温度的环境条件下的煤自燃情况， 为 煤贮藏安全提供更有参考性的数据[9-10]。 2关键技术 2.1螺旋盘管换热器计算 本设计中， 油浴设备的实际储油空间尺寸为 长 a0.44 m， 宽 b0.325 m， 高 c0.21 m。螺旋盘管的 平均半径取螺旋中心线到盘管中心线的距离 R 0.115 m， 盘管内径 D0.008 m， 盘管外径 d00.01 m， 螺旋盘管的平均直径 DH0.23 m，螺距 P0.015 m， 设备开启后气体流量 q16 L/min，油液温度始终保 持， 通过螺旋盘管加热空气， 使入口温度为 20 ℃的 空气在出口时可达到最高 80 ℃左右的出口温度。 螺旋盘管换热器的设计计算流程图如图 3。 螺旋盘管换热器的主要设计程序[11]如下 N 圈盘管所需的长度 L 为 L＝N （2πR） 2 ＋P 2 姨＝ （2π0.115） 2 姨＝0.723N （1 ） 图 2环境模拟系统结构示意图 Fig.2Schematic diagram of the environment simulation system 254 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 式中 P 为螺距， m； R 为螺旋中心线到盘管中心 线的距离， m； N 为圈数。 盘管所占的体积 VC为 Vcπ 4 d0 2 Lπ 4 0.01 2 L5.6810 -5 N（2） 式中 d0为盘管外径， m。 环形区的体积 Va为 VaabcPN4.504 510 -4 N（3） 环形区可供油液流动的空间 Vt为 VtVc-Va3.936510 -4 N（4） 螺旋盘管的壳程当量直径 De为 De＝4Vt/πd0L0.069 3（5） 流体流速 u 为 uq/Af（6） 式中 q 为流体的体积流率， 0.96 m3/h； Af为盘 管的横截面积， AfπD2/45.026 510-5m2。 可得 u19 098 m/h。 环形区的传热系数 h0可选择式 （7） 和式 （8） 中 的一个计算。 雷诺数 Re在 5010 000 范围内时可用式 （7） h0De/K0.6NRe 0.55 NPr 1/3 （7） 雷诺数 Re大于 10 000 时可用式 （8） h0De/K0.36NRe 0.55 NPr 1/3 μ/μω 0.14 （8） 式中 K 为流体的导热率， kcal/ （h m ℃） ； pr为 普兰德数， 无因次[12]； μ 为在全容积流体平均温度下 的流体黏度； μω为在管壁温度下的流体黏度。 流体在盘管内流动时， 传热系数 ht0可以使用常 规方法计算。根据盘管内径得到的传热系数 ht是用 求解直管的方法求得的， 接着用 ［13.5 （D/DH） ］ 乘 以 ht进行修正， 从而得到螺旋盘管的传热系数 hte[13]。 综合可得 h01.89， hte2.12， ht00.169 6。 总传热系数 U 为 1 U 1 ht0 x Kt RtRσ（9） 式中 x 为盘管壁厚， x （d0-D） /20.001 m； Rt、 Rσ为污垢系数， 均取决于流体的性质， 即流体的操 作温度、 流速等， 取值均为 1.410-5（h m2 ℃） /kcal； Kt为黄铜的导热率， 109 kcal/ （h m ℃） 。 可得 U5.896 3。 对数平均温差△tm为 △tm T-t1 - T-t 0 lnT-t1 / T-t 0 △△ （10 ） 式中 T 为盘管换热器外部加热温度， 250 ℃； t1 为空气初始温度值， 20 ℃； t2为预期出口温度值， 80 ℃。 可得△tm198.5。由于 2 种流体的运动呈垂直 状[14]， 故取校正系数为 0.99， 则校正对数平均温差 △tc0.99198.5196.52。 热负荷 Q 为 Qqλcp△t（11 ） 式中 q 为流体的体积流率， 0.96 m3/h； λ 为换算 系数， 1.293； cp为定压比热容， 1 kJ/ （kg K） ； △t 为出 入口空气差值， △tt2－t160 ℃。 则 Q74.476 8 kcal。 加热所需面积 A 为 AQ/U△tc（12 ） 则 A0.06 m2。 计算盘管所需圈数 N 为 NA/ πd0L/ N△△（12 ） 得 N2.64， 盘管所需圈数为整数， 故取 N3， 即 实际盘管圈数为 3 圈， 此时盘管长度为 2.198 1 m。 2.2空气加热器结构 获得加热盘管的各项尺寸参数之后，综合考虑 空气能够在加热器内部充分换热以确定加热盘管的 圈数以及管长。根据油浴设备的具体尺寸结合热能 损耗原则便可以确定整个盘管的尺寸[15]， 盘管外部 直径为 10 mm， 螺旋圈数为 3， 盘管盘旋直径为 200 m。盘管的盘绕方式如图 4。 图 4盘管缠绕方式示意图 Fig.4Schematic diagram of coil winding mode 255 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 在实际的油浴加热箱中， 沿着空气流向方向， 根 据实际体积以及加热需求， 采用图 4 （b） 进行布置， 间隔固定间距，形成网络。加热箱中间空腔充斥加 热用高温硅油，并盘旋固定有螺旋加热盘管，进出 口处采用绝热陶瓷进行绝热。 3试验测试 为检测所设计加热器的控温精度、空气出口温 度及空气加热效率等，利用温度传感器在加热器的 加热区域以及空气出口处测定所需温度值[16]。 实际环境空气温度为 18.858 ℃， 将油浴加热器 设置为不同的温度值，打开气泵并通入不同流速的 空气， 分别为 2.21、 4.42、 6.63、 8.84 m/s。 相同温度时， 流速越低其加热效率越低， 从 25 ℃加热至 30 ℃时， 当流速为 2.21、 4.42、 6.63 m/s 时， 空气加热效率从低水平快速上升至较高的水平， 而 流速为 8.84 m/s 时略有上升。 加热温度从 30 ℃上升 至 70 ℃上升的过程中， 效率略有上升并保持动态的 趋势稳定。 3070 ℃的加热过程中， 流速从低到高的 加热效率平均值分别为 59.75、 68.62、 71.9、 76.36， 呈现上升趋势， 可推测， 一定温度下， 当流 速不断升高时， 空气加热效率会持续上升。 4结语 研制了一种煤自燃热空气环境模拟用空气加热 器， 采用螺旋盘管换热器， 为了提升空气加热精度， 基于理论计算进行了螺旋盘管换热器设计（圈数为 3 圈， 换热器长度为 2.198 1 m） 。加热温度与设定温 度差值在1 ℃内， 相对误差在3内， 设备加热精 度高， 很好的满足试验需求。 参考文献 ［1］ 金永飞， 郭军， 文虎， 等.煤自燃高温贫氧氧化燃烧特 性参数的实验研究 ［J］ .煤炭学报， 2015， 40 （3） 596. ［2］ Yutao Z, Yurui L, Xueqiang S, et al. 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