CN111007103B - 含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其采用的实验装置包括实验箱体，供水系统和数据采集器，实验箱体包括长方体框架结构保温箱体和设置在保温箱体内壁内侧的多块电加热碳纤维温度控制板，保温箱体的内部空腔中设置有用于容纳充填材料并形成多个充填层的充填空间，每个充填层内均布设有套管式采热装置和带肋热管；供水系统包括保温水箱、分水器和集水器；数据采集器与计算机连接。本发明能够简单方便地模拟不同管排布置方式对矿井充填体的蓄释热以及套管内相变蓄热材料吸热与放热过程中温度场的影响，为研究矿井高温采热装置提供了实验基础，实用性强，便于推广使用。

Description

含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法

技术领域

本发明属于矿井换热技术领域，具体涉及一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法。

背景技术

随着浅部矿产资源的逐渐减少和枯竭，深部矿产资源的开发利用将成为必然趋势。深部开采处于高应力、高井温和高井深等特殊环境，充填采矿法及地热开采是控制地压、缓解深井热害、提高矿产及地热资源利用率的有效措施。

充填采矿法属人工支护采矿法。在矿房或矿块中，随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采，是深部开采时控制地压的有效措施。随着矿产资源开发过程节能减排及环保要求日益严格，无废清洁采矿是未来矿业发展的必然趋势。充填采矿法可以将地表堆积废料回填到井下，从而大大提高回采作业安全程度，提高深部资源回收率30％，且解决地表堆积废料造成的环境污染，实现绿色开采。

在利用充填法进行深部矿床开采的同时，为了实现矿产资源与地热的协同开采，基于“充填体相变蓄热-地热协同开采”的理念，同时为防止相变材料因相态变化而引起的泄露，本文提出在充填体内布置套管采热装置，该装置包括采热管、圆形翅片及圆形套管，通过水—相变材料—充填体三者之间的换热过程来提取地热能，套管采热装置预制在充填层中，通过圆形套管预留的输送口填充相变材料。蓄热时，充填体从围岩及采场吸收热量，温度升高，经导热传给相变材料，当温度升高至相变温度时，相变材料吸热融化，之后持续升温至接近围岩温度，完成蓄热过程。释热时，换热管内冷水通过对流与管壁换热，管壁通过热传导从相变材料吸热，相变材料释放热量，温度逐渐降低，失热固化后逐渐降温至接近换热管内水温。换热管内水吸收相变材料热量温度逐渐升高，不断带走相变材料的热量，直至释热结束。如此反复，充填体及相变材料通过蓄热过程吸收围岩及采场风流热量、通过释热过程将热量传递给换热管内的水，换热管内水温升高后，再由热泵机组提取利用，实现矿山深部开采时地热的提取利用与采场的协同降温。

但是，目前含相变材料的套管式矿井采热技术发展不成熟，还需要进行大量的实验，这些实验，如果都放到矿山实际采场去做，将会耗费大量的人力物力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理，功能完备，采热率高，实用性强，便于推广使用的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，其特征在于：包括实验箱体，供水系统和数据采集器，所述实验箱体包括长方体框架结构保温箱体和设置在保温箱体内壁内侧的多块电加热碳纤维温度控制板，所述保温箱体的内部空腔中设置有用于容纳充填材料并形成多个充填层的充填空间，所述保温箱体的后侧壁上设置有用于往充填空间内输送充填材料的充填材料输送通道，每个所述充填层内均布设有套管式采热装置和带肋热管，所述套管式采热装置包括多根圆形套管和设置在圆形套管内的采热管，所述圆形套管内同轴设置有套装在采热管上的多个圆形翅片，所述圆形套管的管壁上设置有用于往圆形套管内输送相变蓄热材料的相变蓄热材料输送入口，所述带肋热管沿水平方向和竖直方向交替布置在圆形套管的外壁面上，沿水平方向布置的带肋热管的冷凝端通过水平模具与圆形套管相连接，沿竖直方向布置的带肋热管的冷凝端通过竖直模具与圆形套管相连接，所述带肋热管的蒸发端设置在充填层内；

所述供水系统包括保温水箱、分水器和集水器，所述保温水箱的入水口通过第一输水管和设置在所述第一输水管上的第一温度传感器与集水器的出水口连接，所述保温水箱的出水口通过第二输水管以及从靠近保温水箱的位置到远离保温水箱的位置依次设置在第二输水管上的截止阀、循环水泵、止回阀、压力表和第二温度传感器与分水器的入水口连接；所述第一温度传感器的输出端和第二温度传感器的输出端均与数据采集器的输入端连接；所述分水器的出水口与位于最顶层的采热管连接，所述集水器的进水口与位于最底层的采热管连接；

所述数据采集器的输入端还接有布设在所述充填层内的多个第一热电偶和布设在所述圆形套管内的多个第二热电偶，所述数据采集器与计算机连接。

上述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，其特征在于：所述保温箱体的底板、顶板、前侧壁、后侧壁，左侧壁和右侧壁由保温板一体合成，所述保温箱体底板、顶板、前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的内侧均设有支撑挡板，所述电加热碳纤维温度控制板设置在保温板与支撑挡板之间；所述保温箱体顶板顶部设置有绝热盖板，所述保温箱体的前侧壁和后侧壁上分别设置有用于供套管式采热装置中圆形套管的两端穿过的安装孔，外露在保温箱体外的采热管的端口通过软管连接，外露在保温箱体外的采热管和软管上均包裹有保温棉；所述圆形套管的两端头通过硅橡胶密封线圈与采热管固定连接；所述带肋热管的肋片为螺旋肋片。

上述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，其特征在于：所述套管式采热装置内采热管的布管方式为单管串联式，每根圆形套管内采热管的数量为一根，上下相邻的两根采热管串联，位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接。

上述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，其特征在于：所述套管式采热装置内采热管的布管方式为多管平行式，每根圆形套管内采热管的数量为多根且多根采热管相互平行设置，从上到下排列的每两根圆形套管内采热管的数量相等且多根采热管从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管内位于最下层的采热管与下一组两根圆形套管内位于最上层的采热管串联，位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接。

上述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，其特征在于：所述套管式采热装置内采热管的布管方式为多管交叉式，每根圆形套管内采热管的数量为多根且多根采热管相互交叉设置，从上到下排列的每两根圆形套管内采热管的数量相等且多根采热管从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管内位于最下层的采热管与下一组两根圆形套管内位于最上层的采热管串联，位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接。

本发明还公开了一种方法步骤简单，实现方便，实用性强，为研究矿井高温采热装置提供了实验基础的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、在保温箱体安装套管式采热装置、带肋热管、第一热电偶和第二热电偶；

步骤二、将所述套管式采热装置内采热管的布管方式依次设置为单管串联式、多管平行式和多管交叉式，并在每次设置为采热管的布管方式后，执行以下步骤三至步骤七；

步骤三、将位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接；

步骤四、通过相变蓄热材料输送入口往套管式采热装置的圆形套管内输送相变蓄热材料，直至将圆形套管的内部空腔填充完毕；

步骤五、通过充填材料输送通道往保温箱体的充填空间内输送充填材料，直至达到预设的充填高度；

步骤六、待充填材料固化后形成充填体，开启电加热碳纤维温度控制板的电源开关，电加热碳纤维温度控制板自动调节温度达到预设的温度值，模拟高温深层矿井下未开采矿体及围岩发热；充填体吸取围岩的高温热量，通过导热的方式将其热量传递给套管式采热装置，当圆形套管内相变蓄热材料的温度达到相变温度时，固态的相变蓄热材料吸热融化，随着充填体从围岩内吸热量的增加，圆形套管内的相变蓄热材料的蓄热温度也逐渐升高，直至升高到预设的温度，将其热量存储起来，完成蓄热环节；蓄热过程中，第一热电偶对充填体的温度进行检测，第二热电偶对圆形套管内的温度进行检测，数据采集器分别对充填体的温度和圆形套管内相变蓄热材料的温度进行周期性采样并传输给计算机，计算机记录充填体的温度和相变蓄热材料的温度并显示充填体的温度变化过程和相变蓄热材料的温度变化过程；

步骤七、待蓄热过程结束后，关闭电加热碳纤维温度控制板的电源开关，开启供水系统；保温水箱内的冷水经循环水泵提供动力后，通过分水器流入采热管，采热管内的低温水和圆形套管内的相变蓄热材料存在温度差发生热量交换，不断地吸取相变蓄热材料的热量，相变蓄热材料不断地释放热量，温度逐渐地降低到相变温度，开始相变释热；释热过程中，圆形套管内的相变蓄热材料一边相变释放热量，一边不断地吸取周围充填体的热量，充填体的温度不断降低，直到完成释热环节；采热管内的冷水吸收充填体的高温热量后温度不断提高，最后通过集水器的出水口流出返回保温水箱；同时，第一热电偶对充填体的温度进行检测，第二热电偶对圆形套管内的温度进行检测，第一温度传感器对集水器的出水温度进行检测，第二温度传感器对分水器的进水温度进行检测，数据采集器分别对充填体的温度、圆形套管内相变蓄热材料的温度、集水器的出水温度和分水器的进水温度进行周期性采样并传输给计算机，计算机记录充填体的温度、相变蓄热材料的温度、集水器的出水温度和分水器的进水温度并显示充填体的温度变化过程、相变蓄热材料的温度变化过程、集水器的出水温度变化过程和分水器的进水温度变化过程。

上述的方法，其特征在于：该方法还包括数据分析的过程，具体为：

步骤八、计算机根据公式

计算充填体和相变蓄热材料的总蓄热量Q₁，其中，ρ_O为充填体密度，C_O为充填体的比热容，V_O为充填体的体积，T′_i为i时刻充填体的平均温度，T′_i+1为i+1时刻充填体的平均温度，i+1时刻为i时刻的下一时刻，ρ_s为相变蓄热材料的密度，C_s为相变蓄热材料的比热容，V_s为相变蓄热材料的体积，T_i为i时刻相变蓄热材料的平均温度，T_i+1为i+1时刻相变蓄热材料的平均温度，L为相变潜热；j′表示第j′个充填体，n′为充填体的总数量；j表示第j个相变蓄热材料，n为相变蓄热材料的总数量；

步骤九、计算机根据公式

计算得到采热管内的冷水(载热介质)提取到的总热量Q₂，其中，C_f为水(载热介质)的比热容，ρ_f为水(载热介质)的密度，d为采热管的直径，v_f为水的流速，T_in为分水器的进水温度，T_out为集水器的出水温度；

步骤十、计算机根据公式

计算得到综合能效

上述的方法，其特征在于：步骤一中所述套管式采热装置内采热管的布管方式为单管串联式时，每根圆形套管内采热管的数量为一根，上下相邻的两根采热管串联，位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接。

上述的方法，其特征在于：步骤一中所述套管式采热装置内采热管的布管方式为多管平行式时，每根圆形套管内采热管的数量为多根且多根采热管相互平行设置，从上到下排列的每两根圆形套管内采热管的数量相等且多根采热管从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管内位于最下层的采热管与下一组两根圆形套管内位于最上层的采热管串联，位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接。

上述的方法，其特征在于：步骤一中所述套管式采热装置内采热管的布管方式为多管交叉式时，每根圆形套管内采热管的数量为多根且多根采热管相互交叉设置，从上到下排列的每两根圆形套管内采热管的数量相等且多根采热管从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管内位于最下层的采热管与下一组两根圆形套管内位于最上层的采热管串联，位于最顶层的采热管与分水器的出水口连接，位于最底层的采热管与集水器的进水口连接。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，结合套管和热管的设计技术将其应用于矿井充填，有效地解决了原有的含相变蓄热材料充填体的相变蓄热材料的流动性问题；套管内含相变蓄热材料的设计克服了固-液相变蓄热材料封装的困难，避免了因相态变化而引起的流动，从而解决了相变蓄热材料泄露的问题。

2、本发明的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，采用了保温箱体顶板、前侧壁、后侧壁、左侧壁、右侧壁内侧布置电加热碳纤维温度控制板的结构，能够方便有效地模拟出高温矿井围岩区，进而真实可靠地模拟出充填体与围岩之间的热量交换，能够很好地用于进行高温矿井充填体蓄释热理论的研究。

3、本发明的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，采用了含相变蓄热材料的圆形套管和带肋热管结构，在圆形套管的外壁面布置水平带肋热管和竖直带肋热管，一方面强化高温充填体与圆形套管内的相变蓄热材料之间的换热，另一方面利用热管本身的锚固作用，提高了充填体的整体性和自稳性。

4、本发明的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验模拟装置，采用了单管串联式、多管平行式、多管交叉式的管排布置方式，简单有效地模拟出不同管排形式下套管式采热装置内相变蓄热材料以及充填体的蓄释热能力，为有效提高充填体热利用效率提供了实验研究。

5、本发明含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置的结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，能够简单方便地模拟不同管排布置方式对矿井充填体的蓄释热以及套管内相变蓄热材料吸热与放热过程中温度场的影响；能够进行充填体及相变蓄热、换热管采热、采场协同降温试验及理论研究，有效地解决了含相变蓄热材料的矿井充填体内相变蓄热材料的封装问题，为研究矿井高温采热装置提供了实验基础，实用性强，便于推广使用。

6、本发明含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法的方法步骤简单，实现方便，实用性强，为研究矿井高温采热装置提供了实验基础。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置的结构示意图。

图2为本发明套管式采热装置的结构示意图。

图3为本发明单管串联式采热管布置原理图。

图4为本发明多管平行式采热管布置原理图。

图5为本发明多管交叉式采热管布置原理图。

图6为本发明单管串联式采热管布置剖面图。

图7为本发明多管平行式采热管布置剖面图。

图8为本发明多管交叉式采热管布置剖面图。

图9为本发明套管式采热装置与带肋热管竖直连接示意图。

图10为本发明套管式采热装置与带肋热管水平连接示意图。

图11为本发明供水系统的结构示意图。

图12为本发明数据采集器与其他各单元的连接关系示意图。

图13为本发明含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置的实物图。

图14为本发明不同管排方式下集水器的出水温度随时间变化过程图。

图15为本发明不同管排方式下充填体蓄热量随时间变化图。

图16为本发明不同管排方式下综合能耗随时间变化图。

具体实施方式

如图1、图2、图9、图10、图11和图12所示，本实施例的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置，包括实验箱体，供水系统和数据采集器30，所述实验箱体包括长方体框架结构保温箱体1和设置在保温箱体1内壁内侧的多块电加热碳纤维温度控制板3，所述保温箱体1的内部空腔中设置有用于容纳充填材料并形成多个充填层的充填空间，所述保温箱体1的后侧壁上设置有用于往充填空间内输送充填材料的充填材料输送通道15，每个所述充填层内均布设有套管式采热装置5和带肋热管11，所述套管式采热装置5包括多根圆形套管7和设置在圆形套管7内的采热管9，所述圆形套管7内同轴设置有套装在采热管9上的多个圆形翅片8，所述圆形套管7的管壁上设置有用于往圆形套管7内输送相变蓄热材料10的相变蓄热材料输送入口33，所述带肋热管11沿水平方向和竖直方向交替布置在圆形套管7的外壁面上，沿水平方向布置的带肋热管11的冷凝端通过水平模具16与圆形套管7相连接，沿竖直方向布置的带肋热管11的冷凝端通过竖直模具17与圆形套管7相连接，所述带肋热管11的蒸发端设置在充填层内；

具体实施时，多个圆形翅片8一方面能够对圆形套管7内设置的采热管9起固定作用，另一方面能够强化相变蓄热材料10的蓄释热能力，提高采热管9的采热效率。

具体实施时，充填材料固化后形成充填体2，将带肋热管11的蒸发端设置在充填层内，一方面能够增强所述套管式采热装置5与充填体2之间的换热能力，另一方面能够利用带肋热管11本身的锚固作用增强充填体2的稳定性与整体性。

具体实施时，所述圆形翅片8的外圆周与圆形套管7的内壁之间设置有间距，便于相邻圆形翅片8间相变蓄热材料10的填充。

所述供水系统包括保温水箱27、分水器28和集水器29，所述保温水箱27的入水口通过第一输水管和设置在所述第一输水管上的第一温度传感器32-1与集水器29的出水口连接，所述保温水箱27的出水口通过第二输水管以及从靠近保温水箱27的位置到远离保温水箱27的位置依次设置在第二输水管上的截止阀23、循环水泵24、止回阀25、压力表26和第二温度传感器32-2与分水器28的入水口连接；所述第一温度传感器32-1的输出端和第二温度传感器32-2的输出端均与数据采集器30的输入端连接；所述分水器28的出水口与位于最顶层的采热管9连接，所述集水器29的进水口与位于最底层的采热管9连接；

所述数据采集器30的输入端还接有布设在所述充填层内的多个第一热电偶14-1和布设在所述圆形套管7内的多个第二热电偶14-2，所述数据采集器30与计算机31连接。

具体实施时，所述保温水箱27的形状为长方体形；所述供水系统为模拟高温充填体2释热过程提供了条件；所述第一温度传感器32-1用于对集水器29的出水温度进行检测，所述第二温度传感器32-2用于对分水器28的进水温度进行检测；计算机31用于记录与储存实验数据。

本实施例中，如图1和图2所示，所述保温箱体1的底板、顶板、前侧壁、后侧壁，左侧壁和右侧壁由保温板一体合成，所述保温箱体1底板、顶板、前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的内侧均设有支撑挡板4，所述电加热碳纤维温度控制板3设置在保温板与支撑挡板4之间；所述保温箱体1顶板顶部设置有绝热盖板6，所述保温箱体1的前侧壁和后侧壁上分别设置有用于供套管式采热装置5中圆形套管7的两端穿过的安装孔，外露在保温箱体1外的采热管9的端口通过软管13连接，外露在保温箱体1外的采热管9和软管13上均包裹有保温棉；所述圆形套管7的两端头通过硅橡胶密封线圈与采热管9固定连接；所述带肋热管11的肋片为螺旋肋片18。

具体实施时，通过设置电加热碳纤维温度控制板3，能够用于模拟深层矿井的高温围岩。通过设置绝热盖板6，能够防止在模拟深层矿井的高温围岩时产生热损失。通过包裹保温棉，能够减少热损失。

本实施例中，如图3和图6所示，所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式为单管串联式，每根圆形套管7内采热管9的数量为一根，上下相邻的两根采热管9串联，位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接。

具体实施时，保温水箱27内的冷水(载热介质)经循环水泵24提供动力后通过分水器28流入各层充填层内的采热管9，冷水(载热介质)从上到下在各层充填层内的多根采热管9内依次流动，如图3所示，为a-b-c-d，每根采热管9内的冷水与圆形套管7内的相变蓄热材料10换热后通过集水器29汇合，再由集水器29的出水口流出返回保温水箱27。

本实施例中，如图4和图7所示，所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式为多管平行式，每根圆形套管7内采热管9的数量为多根且多根采热管9相互平行设置，从上到下排列的每两根圆形套管7内采热管9的数量相等且多根采热管9从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管7内位于最下层的采热管9与下一组两根圆形套管7内位于最上层的采热管9串联，位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接。

具体实施时，保温水箱27内的冷水(载热介质)经循环水泵24提供动力后通过分水器28流入各层充填层内的采热管9，冷水(载热介质)从上到下在每两根圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动后再进入下两根上下相邻的圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动，如图4所示，为a-b-c-d-e-f-g-h-i-j，每根采热管9内的冷水与圆形套管7内的相变蓄热材料10换热后通过集水器29汇合，再由集水器29的出水口流出返回保温水箱27。

本实施例中，如图5和图8所示，所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式为多管交叉式，每根圆形套管7内采热管9的数量为多根且多根采热管9相互交叉设置，从上到下排列的每两根圆形套管7内采热管9的数量相等且多根采热管9从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管7内位于最下层的采热管9与下一组两根圆形套管7内位于最上层的采热管9串联，位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接。

具体实施时，保温水箱27内的冷水(载热介质)经循环水泵24提供动力后通过分水器28流入各层充填层内的采热管9，冷水(载热介质)从上到下在每两根圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动后再进入下两根上下相邻的圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动，如图5所示，为a-b-c-d-e-f-g-h-i-j，每根采热管9内的冷水与圆形套管7内的相变蓄热材料10换热后通过集水器29汇合，再由集水器29的出水口流出返回保温水箱27。

本实施例的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，包括以下步骤：

步骤一、在保温箱体1安装套管式采热装置5、带肋热管11、第一热电偶14-1和第二热电偶14-2；

步骤二、将所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式依次设置为单管串联式、多管平行式和多管交叉式，并在每次设置为采热管9的布管方式后，执行以下步骤三至步骤七；

步骤三、将位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接；

步骤四、通过相变蓄热材料输送入口33往套管式采热装置5的圆形套管7内输送相变蓄热材料10，直至将圆形套管7的内部空腔填充完毕；

步骤五、通过充填材料输送通道15往保温箱体1的充填空间内输送充填材料，直至达到预设的充填高度；

步骤六、待充填材料固化后形成充填体2，开启电加热碳纤维温度控制板3的电源开关，电加热碳纤维温度控制板3自动调节温度达到预设的温度值，模拟高温深层矿井下未开采矿体及围岩发热；充填体2吸取围岩的高温热量，通过导热的方式将其热量传递给套管式采热装置5，当圆形套管7内相变蓄热材料10的温度达到相变温度时，固态的相变蓄热材料10吸热融化，随着充填体2从围岩内吸热量的增加，圆形套管7内的相变蓄热材料10的蓄热温度也逐渐升高，直至升高到预设的温度，将其热量存储起来，完成蓄热环节；蓄热过程中，第一热电偶14-1对充填体2的温度进行检测，第二热电偶14-2对圆形套管7内的温度进行检测，数据采集器30分别对充填体2的温度和圆形套管7内相变蓄热材料10的温度进行周期性采样并传输给计算机31，计算机31记录充填体2的温度和相变蓄热材料10的温度并显示充填体2的温度变化过程和相变蓄热材料10的温度变化过程；

步骤七、待蓄热过程结束后，关闭电加热碳纤维温度控制板3的电源开关，开启供水系统；保温水箱27内的冷水经循环水泵24提供动力后，通过分水器28流入采热管9，采热管9内的低温水和圆形套管7内的相变蓄热材料10存在温度差发生热量交换，不断地吸取相变蓄热材料10的热量，相变蓄热材料10不断地释放热量，温度逐渐地降低到相变温度，开始相变释热；释热过程中，圆形套管7内的相变蓄热材料10一边相变释放热量，一边不断地吸取周围充填体2的热量，充填体2的温度不断降低，直到完成释热环节；采热管9内的冷水吸收充填体2的高温热量后温度不断提高，最后通过集水器29的出水口流出返回保温水箱27；同时，第一热电偶14-1对充填体2的温度进行检测，第二热电偶14-2对圆形套管7内的温度进行检测，第一温度传感器32-1对集水器29的出水温度进行检测，第二温度传感器32-2对分水器28的进水温度进行检测，数据采集器30分别对充填体2的温度、圆形套管7内相变蓄热材料10的温度、集水器29的出水温度和分水器28的进水温度进行周期性采样并传输给计算机31，计算机31记录充填体2的温度、相变蓄热材料10的温度、集水器29的出水温度和分水器28的进水温度并显示充填体2的温度变化过程、相变蓄热材料10的温度变化过程、集水器29的出水温度变化过程和分水器28的进水温度变化过程。

本实施例中，该方法还包括数据分析的过程，具体为：

步骤八、计算机31根据公式

计算充填体2和相变蓄热材料10的总蓄热量Q₁，其中，ρ_O为充填体密度，C_O为充填体2的比热容，V_O为充填体2的体积，T′_i为i时刻充填体2的平均温度，T′_i+1为i+1时刻充填体2的平均温度，i+1时刻为i时刻的下一时刻，ρ_s为相变蓄热材料10的密度，C_s为相变蓄热材料10的比热容，V_s为相变蓄热材料10的体积，T_i为i时刻相变蓄热材料10的平均温度，T_i+1为i+1时刻相变蓄热材料10的平均温度，L为相变潜热；j′表示第j′个充填体2，n′为充填体2的总数量；j表示第j个相变蓄热材料10，n为相变蓄热材料10的总数量；

步骤九、计算机31根据公式

计算得到采热管9内的冷水(载热介质)提取到的总热量Q₂，其中，C_f为水(载热介质)的比热容，ρ_f为水(载热介质)的密度，d为采热管9的直径，v_f为水的流速，T_in为分水器28的进水温度，T_out为集水器29的出水温度；

步骤十、计算机31根据公式

计算得到综合能效

本实施例中，如图3和图6所示，步骤一中所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式为单管串联式时，每根圆形套管7内采热管9的数量为一根，上下相邻的两根采热管9串联，位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接。

具体实施时，保温水箱27内的冷水(载热介质)经循环水泵24提供动力后通过分水器28流入各层充填层内的采热管9，冷水(载热介质)从上到下在各层充填层内的多根采热管9内依次流动，如图3所示，为a-b-c-d，每根采热管9内的冷水与圆形套管7内的相变蓄热材料10换热后通过集水器29汇合，再由集水器29的出水口流出返回保温水箱27。

本实施例中，如图4和图7所示，步骤一中所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式为多管平行式时，每根圆形套管7内采热管9的数量为多根且多根采热管9相互平行设置，从上到下排列的每两根圆形套管7内采热管9的数量相等且多根采热管9从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管7内位于最下层的采热管9与下一组两根圆形套管7内位于最上层的采热管9串联，位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接。

具体实施时，保温水箱27内的冷水(载热介质)经循环水泵24提供动力后通过分水器28流入各层充填层内的采热管9，冷水(载热介质)从上到下在每两根圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动后再进入下两根上下相邻的圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动，如图4所示，为a-b-c-d-e-f-g-h-i-j，每根采热管9内的冷水与圆形套管7内的相变蓄热材料10换热后通过集水器29汇合，再由集水器29的出水口流出返回保温水箱27。

本实施例中，如图5和图8所示，步骤一中所述套管式采热装置5内采热管9的布管方式为多管交叉式时，每根圆形套管7内采热管9的数量为多根且多根采热管9相互交叉设置，从上到下排列的每两根圆形套管7内采热管9的数量相等且多根采热管9从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管7内位于最下层的采热管9与下一组两根圆形套管7内位于最上层的采热管9串联，位于最顶层的采热管9与分水器28的出水口连接，位于最底层的采热管9与集水器29的进水口连接。

具体实施时，保温水箱27内的冷水(载热介质)经循环水泵24提供动力后通过分水器28流入各层充填层内的采热管9，冷水(载热介质)从上到下在每两根圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动后再进入下两根上下相邻的圆形套管7内的多根采热管9内从上到下依次流动，如图5所示，为a-b-c-d-e-f-g-h-i-j，每根采热管9内的冷水与圆形套管7内的相变蓄热材料10换热后通过集水器29汇合，再由集水器29的出水口流出返回保温水箱27。

为了验证本发明的技术效果，进行了如下实验：

以某金矿为例，该矿井层属于正常地温梯度的高温区，地层年恒温带为50-55m，温度18.2℃，平均地温梯度2.20℃/hm，采区大部分块段原岩地温37-45℃，采、掘工作面空气温度一般在32-35℃，处于二级热害区。该实例确定围岩温度45℃，充填体初始温度35℃，采场区风流温度29℃，风流速度2m/s，换热介质流量为0.528L/min，水流温度18℃，水流速度0.6m/s，相变材料采用RT28石蜡。

现采用本发明的实验装置进行矿井降温的实验，相变蓄热充填体长*宽*高为10m*7.6m*2.4m，根据1:20的比例尺,制成500mm*380mm*120mm的充填体试件，相变蓄热充填体尺寸如表1所示，充填体及石蜡的热物性参数如表2所示；实验装置实物如图13所示；

表1相变蓄热充填体尺寸

表2充填体及石蜡的热物性参数

根据本发明的方法进行实验，不同管排方式下集水器29的出水温度随时间变化过程图如图14所示，不同管排方式下充填体蓄热量随时间变化图如图15所示，不同管排方式下综合能耗随时间变化图如图16所示；

以单管串联式计算为例，计算参数如表3所示；

表3单管串联式综合能耗计算参数表

蓄热10min，单管串联式的充填体蓄热量为：

Q＝1682×1.65×0.5×0.38×0.12×4.55+860×2.16×0.00032×4.02＝290.30KJ

依次累加得到蓄热5h后充填体总蓄热量：

Q₁＝893.1+186＝1079.1KJ。

释热5h，充填体释热量：

单管串联式的系统综合能效为：

同理可得：多管平行式和多管交叉式的充填体的蓄热量分别915.0KJ和730.5KJ，释热量分别为268.2KJ、223.3KJ，综合能效依次为0.31、0.29。

从计算结果能够看出，单管串联式的综合能效较高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其采用的实验装置包括实验箱体，供水系统和数据采集器(30)，所述实验箱体包括长方体框架结构保温箱体(1)和设置在保温箱体(1)内壁内侧的多块电加热碳纤维温度控制板(3)，所述保温箱体(1)的内部空腔中设置有用于容纳充填材料并形成多个充填层的充填空间，所述保温箱体(1)的后侧壁上设置有用于往充填空间内输送充填材料的充填材料输送通道(15)，每个所述充填层内均布设有套管式采热装置(5)和带肋热管(11)，所述套管式采热装置(5)包括多根圆形套管(7)和设置在圆形套管(7)内的采热管(9)，所述圆形套管(7)内同轴设置有套装在采热管(9)上的多个圆形翅片(8)，所述圆形套管(7)的管壁上设置有用于往圆形套管(7)内输送相变蓄热材料(10)的相变蓄热材料输送入口(33)，所述带肋热管(11)沿水平方向和竖直方向交替布置在圆形套管(7)的外壁面上，沿水平方向布置的带肋热管(11)的冷凝端通过水平模具(16)与圆形套管(7)相连接，沿竖直方向布置的带肋热管(11)的冷凝端通过竖直模具(17)与圆形套管(7)相连接，所述带肋热管(11)的蒸发端设置在充填层内；

所述供水系统包括保温水箱(27)、分水器(28)和集水器(29)，所述保温水箱(27)的入水口通过第一输水管和设置在所述第一输水管上的第一温度传感器(32-1)与集水器(29)的出水口连接，所述保温水箱(27)的出水口通过第二输水管以及从靠近保温水箱(27)的位置到远离保温水箱(27)的位置依次设置在第二输水管上的截止阀(23)、循环水泵(24)、止回阀(25)、压力表(26)和第二温度传感器(32-2)与分水器(28)的入水口连接；所述第一温度传感器(32-1)的输出端和第二温度传感器(32-2)的输出端均与数据采集器(30)的输入端连接；所述分水器(28)的出水口与位于最顶层的采热管(9)连接，所述集水器(29)的进水口与位于最底层的采热管(9)连接；

所述数据采集器(30)的输入端还接有布设在所述充填层内的多个第一热电偶(14-1)和布设在所述圆形套管(7)内的多个第二热电偶(14-2)，所述数据采集器(30)与计算机(31)连接；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、在保温箱体(1)安装套管式采热装置(5)、带肋热管(11)、第一热电偶(14-1)和第二热电偶(14-2)；

步骤二、将所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式依次设置为单管串联式、多管平行式和多管交叉式，并在每次设置为采热管(9)的布管方式后，执行以下步骤三至步骤七；

步骤三、将位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接；

步骤四、通过相变蓄热材料输送入口(33)往套管式采热装置(5)的圆形套管(7)内输送相变蓄热材料(10)，直至将圆形套管(7)的内部空腔填充完毕；

步骤五、通过充填材料输送通道(15)往保温箱体(1)的充填空间内输送充填材料，直至达到预设的充填高度；

步骤六、待充填材料固化后形成充填体(2)，开启电加热碳纤维温度控制板(3)的电源开关，电加热碳纤维温度控制板(3)自动调节温度达到预设的温度值，模拟高温深层矿井下未开采矿体及围岩发热；充填体(2)吸取围岩的高温热量，通过导热的方式将其热量传递给套管式采热装置(5)，当圆形套管(7)内相变蓄热材料(10)的温度达到相变温度时，固态的相变蓄热材料(10)吸热融化，随着充填体(2)从围岩内吸热量的增加，圆形套管(7)内的相变蓄热材料(10)的蓄热温度也逐渐升高，直至升高到预设的温度，将其热量存储起来，完成蓄热环节；蓄热过程中，第一热电偶(14-1)对充填体(2)的温度进行检测，第二热电偶(14-2)对圆形套管(7)内的温度进行检测，数据采集器(30)分别对充填体(2)的温度和圆形套管(7)内相变蓄热材料(10)的温度进行周期性采样并传输给计算机(31)，计算机(31)记录充填体(2)的温度和相变蓄热材料(10)的温度并显示充填体(2)的温度变化过程和相变蓄热材料(10)的温度变化过程；

步骤七、待蓄热过程结束后，关闭电加热碳纤维温度控制板(3)的电源开关，开启供水系统；保温水箱(27)内的冷水经循环水泵(24)提供动力后，通过分水器(28)流入采热管(9)，采热管(9)内的低温水和圆形套管(7)内的相变蓄热材料(10)存在温度差发生热量交换，不断地吸取相变蓄热材料(10)的热量，相变蓄热材料(10)不断地释放热量，温度逐渐地降低到相变温度，开始相变释热；释热过程中，圆形套管(7)内的相变蓄热材料(10)一边相变释放热量，一边不断地吸取周围充填体(2)的热量，充填体(2)的温度不断降低，直到完成释热环节；采热管(9)内的冷水吸收充填体(2)的高温热量后温度不断提高，最后通过集水器(29)的出水口流出返回保温水箱(27)；同时，第一热电偶(14-1)对充填体(2)的温度进行检测，第二热电偶(14-2)对圆形套管(7)内的温度进行检测，第一温度传感器(32-1)对集水器(29)的出水温度进行检测，第二温度传感器(32-2)对分水器(28)的进水温度进行检测，数据采集器(30)分别对充填体(2)的温度、圆形套管(7)内相变蓄热材料(10)的温度、集水器(29)的出水温度和分水器(28)的进水温度进行周期性采样并传输给计算机(31)，计算机(31)记录充填体(2)的温度、相变蓄热材料(10)的温度、集水器(29)的出水温度和分水器(28)的进水温度并显示充填体(2)的温度变化过程、相变蓄热材料(10)的温度变化过程、集水器(29)的出水温度变化过程和分水器(28)的进水温度变化过程。

2.按照权利要求1所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：所述保温箱体(1)的底板、顶板、前侧壁、后侧壁，左侧壁和右侧壁由保温板一体合成，所述保温箱体(1)底板、顶板、前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁的内侧均设有支撑挡板(4)，所述电加热碳纤维温度控制板(3)设置在保温板与支撑挡板(4)之间；所述保温箱体(1)顶板顶部设置有绝热盖板(6)，所述保温箱体(1)的前侧壁和后侧壁上分别设置有用于供套管式采热装置(5)中圆形套管(7)的两端穿过的安装孔，外露在保温箱体(1)外的采热管(9)的端口通过软管(13)连接，外露在保温箱体(1)外的采热管(9)和软管(13)上均包裹有保温棉；所述圆形套管(7)的两端头通过硅橡胶密封线圈与采热管(9)固定连接；所述带肋热管(11)的肋片为螺旋肋片(18)。

3.按照权利要求1所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式为单管串联式，每根圆形套管(7)内采热管(9)的数量为一根，上下相邻的两根采热管(9)串联，位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接。

4.按照权利要求1所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式为多管平行式，每根圆形套管(7)内采热管(9)的数量为多根且多根采热管(9)相互平行设置，从上到下排列的每两根圆形套管(7)内采热管(9)的数量相等且多根采热管(9)从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管(7)内位于最下层的采热管(9)与下一组两根圆形套管(7)内位于最上层的采热管(9)串联，位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接。

5.按照权利要求1所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式为多管交叉式，每根圆形套管(7)内采热管(9)的数量为多根且多根采热管(9)相互交叉设置，从上到下排列的每两根圆形套管(7)内采热管(9)的数量相等且多根采热管(9)从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管(7)内位于最下层的采热管(9)与下一组两根圆形套管(7)内位于最上层的采热管(9)串联，位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接。

6.按照权利要求1所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：该方法还包括数据分析的过程，具体为：

步骤八、计算机(31)根据公式

计算充填体(2)和相变蓄热材料(10)的总蓄热量Q₁，其中，ρ_O为充填体密度，C_O为充填体(2)的比热容，V_O为充填体(2)的体积，T′_i为i时刻充填体(2)的平均温度，T′_i+1为i+l时刻充填体(2)的平均温度，i+l时刻为i时刻的下一时刻，ρ_s为相变蓄热材料(10)的密度，C_s为相变蓄热材料(10)的比热容，V_s为相变蓄热材料(10)的体积，T_i为i时刻相变蓄热材料(10)的平均温度，T_i+1为i+l时刻相变蓄热材料(10)的平均温度，L为相变潜热；j′表示第j′个充填体(2)，n′为充填体(2)的总数量；j表示第j个相变蓄热材料(10)，n为相变蓄热材料(10)的总数量；

步骤九、计算机(31)根据公式

计算得到采热管(9)内的冷水提取到的总热量Q₂，其中，C_f为水的比热容，ρ_f为水的密度，d为采热管(9)的直径，v_f为水的流速，T_in为分水器(28)的进水温度，T_out为集水器(29)的出水温度；

步骤十、计算机(31)根据公式

计算得到综合能效

7.按照权利要求1或6所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：步骤一中所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式为单管串联式时，每根圆形套管(7)内采热管(9)的数量为一根，上下相邻的两根采热管(9)串联，位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接。

8.按照权利要求1或6所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：步骤一中所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式为多管平行式时，每根圆形套管(7)内采热管(9)的数量为多根且多根采热管(9)相互平行设置，从上到下排列的每两根圆形套管(7)内采热管(9)的数量相等且多根采热管(9)从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管(7)内位于最下层的采热管(9)与下一组两根圆形套管(7)内位于最上层的采热管(9)串联，位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接。

9.按照权利要求1或6所述的含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法，其特征在于：步骤一中所述套管式采热装置(5)内采热管(9)的布管方式为多管交叉式时，每根圆形套管(7)内采热管(9)的数量为多根且多根采热管(9)相互交叉设置，从上到下排列的每两根圆形套管(7)内采热管(9)的数量相等且多根采热管(9)从上到下一一对应分别串联，上一组两根圆形套管(7)内位于最下层的采热管(9)与下一组两根圆形套管(7)内位于最上层的采热管(9)串联，位于最顶层的采热管(9)与分水器(28)的出水口连接，位于最底层的采热管(9)与集水器(29)的进水口连接。

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