CN116561917A - 煤堆散热阻燃器及其选型设计方法和布设方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及煤堆散热阻燃器的技术领域，公开了一种煤堆散热阻燃器及其选型设计方法和布设方法，其包括导热管和散热翅片，所述导热管为中空的金属管，所述导热管内设置有用于导热的超导介质，所述导热管延其长度方向分为吸热段和散热段，所述散热翅片设置在所述导热管的散热段的侧壁上，所述导热管的侧壁上设置有示位隔板，所述示位隔板一侧为所述导热管的散热段，所述示位隔板的另一侧为所述导热管的吸热段。本申请具有降低煤堆自燃的可能性的效果。
Description
技术领域
本申请涉及煤堆散热阻燃器的领域，尤其是涉及一种煤堆散热阻燃器及其布设方法和煤堆散热阻燃方法。
背景技术
我国的煤炭资源丰富，是我国的主要能源。煤自燃是煤开采、运输和储存过程中导致各种火灾事故的重要原因之一。
引起煤堆自燃的因素很多，其中煤的低温氧化放热和煤堆储存空间的氧气浓度是导致煤堆自燃的两个必要因素。因此煤堆阻燃的技术出发点可总结为两类，一是降低煤堆储存空间的氧气浓度，二是加快煤的低温氧化放热量的快速扩散，降低煤堆温度分布。
目前，常用的防止煤堆自燃的方法主要有用阻燃剂或定期压煤减少煤颗粒与空气的接触、小倾角堆煤、人工设障保护、用水灰浆覆盖、旋转水喷淋等。
针对上述中的相关技术，发明人认为，阻燃剂或水灰浆的使用会降低煤的燃烧效率；小倾角堆煤占地面积大；人工设障经济代价高；水喷淋有时会对煤自燃起促进作用。
发明内容
为了缓解煤堆自燃的问题，本申请提供一种煤堆散热阻燃器。
本申请提供的一种煤堆散热阻燃器，采用如下的技术方案：
一种煤堆散热阻燃器，包括导热管和散热翅片，所述导热管为中空的金属管，所述导热管内设置有用于导热的超导介质，所述导热管延其长度方向分为吸热段和散热段，所述散热翅片设置在所述导热管的散热段的侧壁上，所述导热管的侧壁上设置有示位隔板，所述示位隔板一侧为所述导热管的散热段，所述示位隔板的另一侧为所述导热管的吸热段。
通过采用上述技术方案，在导热管内设置超导介质，将导热管的吸热段插入到煤堆内，超导介质吸收热量后气化，气化的超导介质上升到导热管的散热段内进行散热，超导介质在导热管的散热段内散热后液化，回流到导热管的吸热段内，继续循环上述过程，从而达到对煤堆进行散热的效果，降低煤堆自燃的可能性；通过在导热管的侧壁上设置示位隔板，便于工作人员确定导热管的散热段和吸热段的分界点，提高散热阻燃器安装的便捷性。
可选的，所述散热翅片设置有多个，所述散热翅片为环状薄片结构，所述散热翅片同轴套设在所述导热管的外侧，所述散热翅片与所述导热管的侧壁固定连接，多个所述散热翅片沿所述导热管的长度方向间隔设置。
可选的，所述散热段远离吸热段的一端设置有预警装置，所述预警装置包括检测模块、处理模块和报警模块，所述检测模块与所述处理模块电连接，所述处理模块与所述报警模块电连接，所述检测模块用于对外部环境系数进行检测，所述处理模块用于对所述检测模块检测的数据进行处理。
通过采用上述技术方案，检测模块对外部环境系数进行检测，处理模块对检测模块检测到的数据进行处理，处理模块计算出散热阻燃器的散热量不能满足煤堆的散热需求时，处理模块向所述报警装置传递信号，报警装置进行报警。
可选的，所述检测模块包括温度检测传感器，所述温度检测传感器用于检测煤堆表面温度，所述温度检测传感器与所述处理模块电连接。
可选的，所述处理模块包括数据处理器，所述处理器与所述温度检测传感器电连接，所述处理器通过所述煤堆散热阻燃器的选型设计方法对所述温度检测传感器检测的数据进行处理。
本申请还提供了一种上述煤堆散热阻燃器的选型设计方法，包括以下步骤，
步骤S1：预设煤堆及所述煤堆散热阻燃器的已知参数；
步骤S2：根据煤堆散热阻燃器的布置方案划定单元煤堆；
步骤S3：计算单元煤堆特征直径dc；
步骤S4：根据煤堆煤种和监测温度数据，设定单元煤堆的特征深度Hc；
步骤S5：计算煤堆散热阻燃器吸热段长度La；
步骤S6：测定单元煤堆表面温度ts和煤堆上部环境空气温度ta；
步骤S7：计算单元煤堆表面散热量Qs；
步骤S8：计算每个煤堆散热阻燃器的传热量Qh；
步骤S9：根据煤堆散热阻燃器预设的参数，计算煤堆散热阻燃器吸热段热阻Ra；
步骤S10：根据煤堆散热阻燃器预设的参数，计算煤堆散热阻燃器散热段热阻Rd；
步骤S11：计算煤堆特征温度tc；tc＝(RaLa+RdLd)Qh，其中，tc为煤堆特征温度；La为吸热段长度；Ld为放热段长度。
步骤S12：校核煤堆特征温度：若特征温度满足设计要求，则设计计算结束；若特征温度不满足设计要求，则返回步骤S1重新进行设计计算，直至特征温度满足设计要求为止。
通过采用上述技术方案，预设煤堆及煤堆散热阻燃器的已知参数进行煤堆散热阻燃器的前期选型设计，无须花大量的经费进行前期设计试验，设计程序简化，资金投入少。
可选的，所述步骤S3中，单元煤堆特征直径dc＝2.456As/Lg，其中，As是每单元煤堆表面积，Lg是每单元煤堆表面周长。
可选的，所述步骤S4中，单元煤堆的特征深度的取值范围在1m-4m之间；
可选的，所述步骤S5中，煤堆散热阻燃器吸热段长度La＝ξa×Hc，其中，La为吸热段长度；Hc从未单元煤堆特征深度；ξa为修正系数，所述修正系数ξa的取值范围在0.5-1.2之间。
本申请还提供了一种煤堆散热阻燃器的布设方法，包括以下步骤，
步骤S1：划定单元煤堆；
步骤S2：根据上述的一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法对煤堆散热阻燃器的插管间距进行计算；
步骤S3：在每个单元煤堆上布设所设计出的所述煤堆散热阻燃器。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过在导热管内设置超导介质，将导热管的吸热段插入到煤堆内，超导介质吸收热量后气化，气化的超导介质上升到导热管的散热段内进行散热，超导介质在导热管的散热段内散热后液化，回流到导热管的吸热段内，继续循环上述过程，从而达到对煤堆进行散热的效果，降低煤堆自燃的可能性；
2.通过预设煤堆及煤堆散热阻燃器的已知参数进行煤堆散热阻燃器的前期选型设计，无须花大量的经费进行前期设计试验，设计程序简化，资金投入少。
附图说明
图1是本申请实施例中煤堆散热阻燃器的整体结构示意图(部分结构未示出)；
图2是本申请实施例中设计原理的示意图；
图3是本申请实施例中布设方式的示意图。
附图标记：100、导热管；110、吸热段；120、散热段；200、散热翅片；300、示位隔板。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种煤堆散热阻燃器。参照图1，一种煤堆散热阻燃器包括导热管100，导热管100为中空的金属管，导热管100内设置有用于传热的超导介质。导热管100延其长度方向分为吸热段110和散热段120，导热管100的侧壁上固定连接有示位隔板300，示位隔板300一侧为导热管100的散热段120，示位隔板300的另一侧为导热管100的吸热段110。导热管100的散热段120的侧壁上还安装有散热翅片200，散热翅片200为环状薄片结构，散热翅片200同轴套设在导热管100的外侧，散热翅片200与导热管100的侧壁固定连接，多个散热翅片200沿导热管100的长度方向等间隔设置。
在利用煤堆散热阻燃器对煤堆进行散热时，将导热管100的吸热段110插入到煤堆内，超导介质吸收热量后气化，气化的超导介质上升到导热管100的散热段120内进行散热，超导介质在导热管100的散热段120内散热后液化，回流到导热管100的吸热段110内，继续循环上述过程，从而达到对煤堆进行散热的效果，降低煤堆自燃的可能性。通过安装散热翅片200，提高导热管100的散热段120的热交换效率；通过在导热管100的侧壁上设置示位隔板300，便于工作人员确定导热管100的散热段120和吸热段110的分界点，提高散热阻燃器安装的便捷性。
导热管100的上端安装有预警装置。预警装置包括检测模块、处理模块和报警模块，检测模块与处理模块电连接，处理模块与报警模块电连接。
检测模块包括固定连接在导热管100上端的温度检测传感器，利用温度检测传感器对煤堆表面温度进行检测。处理模块包括数据处理器，数据处理器与温度检测传感器电连接。数据处理器中预设有一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法，数据处理器根据煤堆散热阻燃器的选型设计方法对温度检测传感器检测的数据进行处理，计算散热阻燃器的散热量能否满足煤堆的散热需求。当数据处理器计算出散热阻燃器的散热量不能满足煤堆的散热需求时，数据处理器向报警装置传递信号，报警装置进行预警，提示工作人员煤堆存在自燃的可能性。
本申请实施例还公开了一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法，考虑在设计工况下对热超导煤堆散热阻燃器进行选型设计，通过预设煤堆及煤堆散热阻燃器的已知参数进行煤堆散热阻燃器的前期选型设计，无须花大量的经费进行前期设计试验，设计程序简化，减少前期需要投入的资金。
设计工况的假设条件：煤堆视为均匀一致的物体且热物性参数恒定，空气热物性参数为恒定值；阻燃器与煤堆紧密接触，无接触热阻；煤堆散热器阻燃器内部填充热超导介质，传热热阻视为0；煤堆散热阻燃器由吸热段110和散热段120两部分组成，忽略因安装因素所设的其他部件对传热的影响；煤堆散热阻燃器处于吸热和散热相平衡的状态。
参照图1和图2，一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法，包括以下步骤，
步骤S1，预设煤堆及煤堆散热阻燃器的已知参数。
步骤S2，根据煤堆散热阻燃器的布置方案划定单元煤堆。
步骤S3，依据单元煤堆的几何形式，计算单元煤堆的特征直径dc，单元煤堆的特征直径dc＝2.456As/Lg；其中，As是每单元煤堆的表面积，Lg是每单元煤堆的表面周长。
步骤S4，根据煤堆煤种和监测温度数据，设定单元煤堆的特征深度Hc，特征深度的取值范围在1m-4m之间。
步骤S5，计算煤堆散热器吸热段110长度La，煤堆散热器吸热段110长度La＝ξa×Hc；其中，ξa为修正系数，一般取0.5-1.2。
步骤S6，采用测温仪器测定单元煤堆表面温度ts和煤堆上部环境空气温度ta。
步骤S7，计算单元煤堆表面散热量Qs，单元煤堆表面散热量Qs＝(6.2+1.4×uw)As(ts-ta)；其中，uw为煤堆表面风速，As是每单元煤堆表面面积，ts为煤堆表面温度，ta为煤堆表面空气温度。
步骤S8，计算每个煤堆散热阻燃器的传热量Qh，煤堆散热阻燃器的传热量Qh＝Qc-Qs-Qg，Qc＝ρcVcqm，其中，Qc为每单元煤堆的产热量；Qg是每单元煤堆对下层地面的散热量；qm为煤堆比质量产热量；ρc为煤的密度，Vc为每单元产热煤堆的体积。
步骤S9，根据已设定的煤堆散热阻燃器的基管内径和外径等参数，计算煤堆散热阻燃器吸热段110热阻Ra，吸热段110热阻其中，λc为煤的导热系数；λp为管壁导热系数；/>为管外径；/>为管内径。
步骤S10，根据已设定的煤堆散热阻燃器散热翅片200的内径和外径等参数，计算煤堆散热阻燃器散热段120热阻Rd；散热段120热阻其中，αa为空气流经换热管的对流换热系数，ζA为散热翅片200的修正系数。
计算空气流经换热管的对流换热系数，其中，Nua为努谢尔特数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；uw为环境风速；va为空气运动粘度系数；κa为空气热扩散系数。
计算散热翅片200的修正系数ζA，散热翅片200的修正系数ζA＝(Flr+ηfFlf)/Flo；其中，Flr为管外无散热翅片200的表面积；Flf为管外散热翅片200的表面积；Flo为基管光管条件下表面积；ηf为散热翅片200的效率。
步骤S11，计算煤堆特征温度tc，煤堆特征温度tc＝(RaLa+RdLd)Qh；其中，La为吸热段110长度；Ld为放热段长度。
步骤S12，校核煤堆特征温度tc：若煤堆特征温度tc满足设计要求，则设计计算结束；若煤堆特征温度tc不满足设计要求，则返回步骤S1重新进行设计计算，直至煤堆特征温度tc满足设计要求为止。
选型设计示例
已知煤堆限制温度180℃，计算煤堆散热阻燃器的长度
预设煤堆散热阻燃器的吸热段长2m，放热段长2m，预设煤堆特征温度等于煤堆限制温度，其他基本参数见下表。
根据煤堆散热阻燃器的插管设计间距划定单元煤堆，计算单元煤堆特征直径dc＝2.456As/Lg，设定单元煤堆的特征深度Hc＝2m，计算煤堆散热阻燃器吸热段长度La＝ξa×Hc，计算单元煤堆表面散热量Qs＝(6.2+1.4×uw)As(ts-ta)，计算单元煤堆对下层地面的散热量计算煤堆散热阻燃器的传热量Qh＝Qc-Qs-Qg，计算煤堆散热阻燃器吸热段热阻/>计算煤堆散热阻燃器散热段热阻计算煤堆特征温度tc＝(RaLa+RdLd)Qh，和煤堆限制温度进行比较。
①若煤堆特征温度大于煤堆限制温度超过设定精度，则增大煤堆散热阻燃器放热段长度，重复上述计算；
②若煤堆特征温度小于煤堆限制温度超过设定精度，则减小煤堆散热阻燃器放热段长度；
③若煤堆特征温度和煤堆限制温度对比在设定精度以内，则停止计算，将煤堆散热阻燃器放热段长度作为设计值输出，从而完成煤堆散热阻燃器设计计算。由基本参数表数据计算可得当吸热段长度为2m，放热段长度为2.69m时，煤堆特征温度为179.89℃，和煤堆限制温度180℃相比，控制精度为-0.06％，满足工程需求，即在采用基本参数表的换热管条件下，可以得到煤堆散热阻燃器设计应满足吸热段长度为2m，放热段长度大于2.69m时可满足煤堆散热阻燃的设计要求。
本申请实施例还公开了一种煤堆散热阻燃器的布设方法。
参照图1和图3，一种煤堆散热阻燃器的布设方法，主要包括以下步骤，
步骤S1：划定单元煤堆；
步骤S2：根据上述的一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法对煤堆散热阻燃器的插管间距进行计算；
步骤S3：在每个单元煤堆上布设所设计出的所述煤堆散热阻燃器。
通过采用上述布设方式，最大化的发挥煤堆散热阻燃器的散热效果，提高煤堆散热阻燃器的利用率，降低生产成本。
选型设计示例
已知煤堆散热阻燃器设计参数和煤堆限制温度150℃，校核煤堆特征温度，并对布置方案进行优化
设定煤堆及煤堆散热阻燃器的已知参数，预设煤堆特征温度等于煤堆限制温度，预设煤堆散热阻燃器的插管间距并划定单元煤堆，计算单元煤堆特征直径dc＝2.456As/Lg，设定单元煤堆的特征深度Hc＝2m，计算煤堆散热阻燃器吸热段长度La＝ξa×Hc，计算单元煤堆表面散热量Qs＝(6.2+1.4×uw)As(ts-ta)，计算单元煤堆对下层地面的散热量计算煤堆散热阻燃器的传热量Qh＝Qc-Qs-Qg，计算煤堆散热阻燃器吸热段热阻/>计算煤堆散热阻燃器散热段热阻计算煤堆特征温度tc＝(RaLa+RdLd)Qh，和煤堆限制温度进行比较：①若煤堆特征温度大于煤堆限制温度超过设定精度，则增大煤堆散热阻燃器插管间距，重复上述计算；②若煤堆特征温度小于煤堆限制温度超过设定精度，则减小煤堆散热阻燃器插管间距；③若煤堆特征温度和煤堆限制温度对比在设定精度以内，则停止计算，将煤堆散热阻燃器插管间距作为布置方案设计值输出，从而完成煤堆散热阻燃器布置方案的校核计算。由基本参数表数据计算可得插管间距为0.915m时，煤堆特征温度为149.14℃，和煤堆限制温度150℃相比，控制精度为-0.57％，满足工程需求，即在采用基本参数表的换热管条件下，可以得到煤堆散热阻燃器布置方案应满足插管间距小于0.915m时可满足煤堆散热阻燃器的布置方案设计要求。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤堆散热阻燃器，其特征在于：包括导热管和散热翅片，所述导热管为中空的金属管，所述导热管内设置有用于导热的超导介质，所述导热管延其长度方向分为吸热段和散热段，所述散热翅片设置在所述导热管的散热段的侧壁上，所述导热管的侧壁上设置有示位隔板，所述示位隔板一侧为所述导热管的散热段，所述示位隔板的另一侧为所述导热管的吸热段。
2.根据权利要求1所述的一种煤堆散热阻燃器，其特征在于：所述散热翅片设置有多个，所述散热翅片为环状薄片结构，所述散热翅片同轴套设在所述导热管的外侧，所述散热翅片与所述导热管的侧壁固定连接，多个所述散热翅片沿所述导热管的长度方向间隔设置。
3.根据权利要求2所述的一种煤堆散热阻燃器，其特征在于：所述散热段远离吸热段的一端设置有预警装置，所述预警装置包括检测模块、处理模块和报警模块，所述检测模块与所述处理模块电连接，所述处理模块与所述报警模块电连接，所述检测模块用于对外部环境系数进行检测，所述处理模块用于对所述检测模块检测的数据进行处理。
4.根据权利要求3所述的一种煤堆散热阻燃器，其特征在于：所述检测模块包括温度检测传感器，所述温度检测传感器用于检测煤堆表面温度，所述温度检测传感器与所述处理模块电连接。
5.根据权利要求4所述的一种煤堆散热阻燃器，其特征在于：所述处理模块包括数据处理器，所述数据处理器与所述温度检测传感器电连接，所述数据处理器通过所述煤堆散热阻燃器的选型设计方法对所述温度检测传感器检测的数据进行处理。
6.一种如权利要求1-5任一项所述煤堆散热阻燃器的选型设计方法，包括以下步骤，步骤S1：预设煤堆及所述煤堆散热阻燃器的已知参数；
步骤S2：根据所述煤堆散热阻燃器的布置方案划定单元煤堆；
步骤S3：计算单元煤堆特征直径dc；
步骤S4：根据煤堆煤种和监测温度数据，设定单元煤堆的特征深度Hc；
步骤S5：计算煤堆散热阻燃器吸热段长度La；
步骤S6：测定单元煤堆表面温度ts和煤堆上部环境空气温度ta；
步骤S7：计算单元煤堆表面散热量Qs；
步骤S8：计算每个煤堆散热阻燃器的传热量Qh；
步骤S9：根据煤堆散热阻燃器预设的参数，计算煤堆散热阻燃器吸热段热阻Ra；
步骤S10：根据煤堆散热阻燃器预设的参数，计算煤堆散热阻燃器散热段热阻Rd；
步骤S11：计算煤堆特征温度tc；tc＝(RaLa+RdLd)Qh，其中，tc为煤堆特征温度；La为吸热段长度；Ld为放热段长度；
步骤S12：校核煤堆特征温度：若特征温度满足设计要求，则设计计算结束；若特征温度不满足设计要求，则返回步骤S1重新进行设计计算，直至特征温度满足设计要求为止。
7.根据权利要求6所述的一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法，其特征在于：所述步骤S3中，单元煤堆特征直径dc＝2.456AsLg，其中，As是每单元煤堆表面积，Lg是每单元煤堆表面周长。
8.根据权利要求7所述的一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，单元煤堆的特征深度Hc的取值范围在1m-4m之间。
9.根据权利要求8所述的一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，煤堆散热阻燃器吸热段长度La＝ξa×Hc，其中，La为吸热段长度；Hc从未单元煤堆特征深度；ξa为修正系数，所述修正系数ξa的取值范围在0.5-1.2之间。
10.一种煤堆散热阻燃器的布设方法，主要包括以下步骤，
步骤S1：划定单元煤堆；
步骤S2：根据如权利要求6-9任一项所述一种煤堆散热阻燃器的选型设计方法对煤堆散热阻燃器的插管间距进行计算；
步骤S3：在每个单元煤堆上布设所设计出的所述煤堆散热阻燃器。
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