薛韓玲，彭俊杰，郭佩奇，朱 曌，陳 柳，張 波，張小艷

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

礦井更深層的開采導(dǎo)致了礦井熱害問題日益嚴(yán)重[1-3]，熱害在對(duì)作業(yè)人員的健康產(chǎn)生損害，造成煤礦安全隱患，降低生產(chǎn)效率的同時(shí)，增加礦產(chǎn)資源的開采經(jīng)濟(jì)成本[4-8]。目前，應(yīng)用隔熱材料治理深部礦井熱害是一重要途徑。

迄今為止，國內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)礦用隔熱材料的傳熱性能進(jìn)行了深入研究，并獲得許多具有實(shí)踐意義的成果。KAZMINA等以石英廢料為原料，在不完全熔化的狀態(tài)下合成的泡沫玻璃材料具有強(qiáng)度高、吸水率低、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)[9]；李國富研究了非隔熱圍巖和隔熱圍巖與風(fēng)流進(jìn)行熱量交換時(shí)的熱量釋放模式[10]；呂芳禮發(fā)現(xiàn)采用?；⒅樯皾{進(jìn)行巷道圍巖隔熱具有較好的工程實(shí)踐效果[11]；王杰研究蛭石砂漿隔熱材料的傳熱性能，得出以蛭石砂漿作為巷道隔熱層可有效降低風(fēng)流的增溫幅度，且在厚度為6 cm時(shí)，隔熱效果最好[12]；SUVOROV分析膨脹蛭石具有低體積密度，低導(dǎo)熱性及較高的熔點(diǎn)，這符合隔熱材料的基本特點(diǎn)[13]；鄒聲華發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)巷道采用隔熱分流排熱降溫技術(shù)后，送入工作面的風(fēng)溫降低了2.5 ℃，由隔熱板、巷道及圍巖形成的復(fù)合傳熱結(jié)構(gòu)的熱阻增加了42.64%[14]；龐建勇研制出一種新型隔熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通混凝土的1/8，且其施工工藝簡單，成本低廉，可滿足深井高溫巷道隔熱要求[15]。上述文獻(xiàn)目前主要針對(duì)礦井隔熱研究，多為以砂漿、混凝土為隔熱材料的配比及隔熱效果分析。

研究新型礦用隔熱材料對(duì)巷道巖壁進(jìn)行隔熱降溫，對(duì)從源頭上控制礦井熱害具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)保護(hù)礦工身心健康，保證安全生產(chǎn)具有更深遠(yuǎn)的意義。通過分析礦用隔熱材料在不同壁面溫度、送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度下的實(shí)驗(yàn)特征來揭示傳熱特性，將有助于在控制熱量來源方面從本質(zhì)上更加深入隔熱材料的實(shí)用效果。因此，以硅橡膠/中空玻璃微珠為巷道圍巖隔熱材料，對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和表觀密度進(jìn)行測試，并利用相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬風(fēng)流與巷道圍巖的傳熱過程，分析不同壁面溫度、送風(fēng)風(fēng)速和送風(fēng)溫度對(duì)隔熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 材料選取

實(shí)驗(yàn)用隔熱材料以硅橡膠(深圳紅葉杰科技有限公司A,B雙組份室溫硫化加成制備)為基體，中空玻璃微珠(美國3M公司K1，VS5500型空心玻璃微珠)為填充材料，制備中空玻璃微珠/硅橡膠隔熱材料?；緟?shù)分別見表1、表2。

表1 雙組份硅橡膠混合后基本物性參數(shù)

1.1.2 材料制備

材料配比為硅橡膠∶K1∶VS5500=100∶15∶5。將填料K1，VS5500預(yù)先烘干，與硅橡膠B組分混合，用電動(dòng)攪拌棒低速攪拌30 min，再與硅橡膠A組分(mA∶mB=1.0∶1.0)混勻，快速澆筑在PVC模具上，達(dá)到目標(biāo)直徑豎直放置，室溫固化24 h，放入溫度為(20±1)℃、濕度(95±1)%)恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)7 d，制備的復(fù)合隔熱材料如圖1所示。

表2 中空玻璃微珠基本物性參數(shù)

圖1 復(fù)合隔熱材料Fig.1 Thermal-proof composite materials

1.2 性能測試

采用TPS-2500s熱參數(shù)分析儀(瑞典，Hot Disk)測試導(dǎo)熱系數(shù)，儀器內(nèi)阻值R=6.936 806，溫度-10～1 000 K，測量精度為3%。經(jīng)測定制備的隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.093 W/(m·K)。

采用Wance微機(jī)控制電液同服壓力試驗(yàn)機(jī)(深圳，萬測公司)測試抗壓強(qiáng)度，測量精度1%，最小分辨率0.02%。電腦控制10 mm/min勻速加載至試件破壞，取3個(gè)試件的均值作為最終結(jié)果，測試制備隔熱材料的強(qiáng)度為1.48 MPa。

材料表觀密度ρ按式(1)計(jì)算為343 kg/m3

ρ=m/V

(1)

式中m為試塊制作完成28 d后的實(shí)測質(zhì)量，kg；V為試塊表觀體積，m3。

材料滿足導(dǎo)熱系數(shù)<0.23 W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度在齡期28 d>1.0 MPa，表觀密度≤1 000 kg/m3的礦井用隔熱材料標(biāo)準(zhǔn)，可作為巷道壁的隔熱支護(hù)結(jié)構(gòu)[16]。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

以實(shí)際圍巖斷面尺寸40 m×40 m，巷道直徑8 m，幾何相似比為40∶1制作相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，圍巖傳熱以傅里葉數(shù)為相似準(zhǔn)則數(shù)，圍巖與風(fēng)流換熱以努塞爾數(shù)為相似準(zhǔn)則數(shù)[17-20]，計(jì)算出模擬圍巖寬×高為1 m×1 m，模擬巷道直徑為0.2 m。由于不考慮入口段效應(yīng)，巷道長度選取不受限制，實(shí)驗(yàn)確定為2.5 m。模型主體采用12 mm的鋼板焊接而成，內(nèi)部由水、膨脹珍珠巖、水泥、石英砂和鋁粉混合制成圍巖相似材料，內(nèi)嵌電纜加熱帶模擬圍巖散熱，加熱量由所需原巖溫度大小決定。模型外表面敷設(shè)30 mm厚的保溫棉，模型主體四周和頂蓋均開有直徑為40 mm的小孔，便于熱電阻溫度傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)出，相似實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，風(fēng)流和溫度測點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 相似模擬巷道實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Test-bed of similar simulated roadway

圖3 測點(diǎn)布置示意Fig.3 Sketch of measuring points arrangement

圖3(b)F1～F5為風(fēng)流溫度測點(diǎn)，B1為圍巖側(cè)壁溫，B2為隔熱材料近風(fēng)流側(cè)壁溫，采用XSLC-16S1V0型溫度巡檢儀(廣州，紋徠儀器公司)記錄風(fēng)溫，測量速度為0.1 s/每通道，基本誤差為±0.2% F·S，5個(gè)測點(diǎn)位于巷道軸線中心，且熱電偶指向來風(fēng)方向；壁溫通過布置在巷道中部下側(cè)的已校核的面接觸貼壁式熱電偶進(jìn)行測量；入口風(fēng)速采用SwemaAir 300熱線風(fēng)速儀(北京，康高特儀器設(shè)備公司)測試，測點(diǎn)保持與風(fēng)流方向垂直。

實(shí)際施工中隔熱材料厚度通常為10 cm，根據(jù)幾何相似比本次實(shí)驗(yàn)隔熱材料厚度應(yīng)為0.25 cm。文獻(xiàn)表明[21]在一定范圍內(nèi)，隔熱材料的隔熱效果與厚度成正相關(guān)關(guān)系，但當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)，隨著厚度的增加，隔熱效果幾乎不再變化，因此實(shí)驗(yàn)確定隔熱材料厚度大于臨界厚度，為便于加工，取隔熱層厚度為1 cm。另因模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)巷道直徑為0.2 m，長2.5 m，且需更換材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，硅橡膠/中空玻璃微珠復(fù)合材料未采用直接噴涂方式進(jìn)行模擬巷道壁的隔熱支護(hù)，制作成隔熱管(圖1)，在與圍巖結(jié)合緊密條件下，進(jìn)行隔熱實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 隔熱效果分析

2.1.1 通風(fēng)初期非穩(wěn)態(tài)壁面和風(fēng)流溫度變化

該實(shí)驗(yàn)設(shè)置初始壁溫tw0為40 ℃，在不同的送風(fēng)溫度tf，送風(fēng)速度Vf及無隔熱圍巖、有隔熱圍巖(以*標(biāo)注)條件下，測定的壁溫隨通風(fēng)時(shí)間的變化，如圖4所示。

圖4 壁面溫度隨通風(fēng)時(shí)間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of wall temperature with ventilation time

在相似模擬巷道中通入風(fēng)流后，原來的穩(wěn)定狀態(tài)會(huì)被破壞，通風(fēng)開始時(shí)，巷道壁面溫度會(huì)隨著通風(fēng)時(shí)間的變化而變化。從圖4可知，不同工況下，隔熱圍巖與非隔熱圍巖壁面溫度隨通風(fēng)時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，在通風(fēng)開始前3 min內(nèi)，由于壁面與風(fēng)流的溫差較大，圍巖壁溫下降迅速。隨著通風(fēng)時(shí)間的延長，兩者之間的溫差逐漸減小，巷道壁面溫度降低趨勢(shì)變緩。

添加硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料后，壁面溫度降幅明顯減小，說明隔熱圍巖向風(fēng)流的放熱量小于未隔熱圍巖，材料起到了阻隔圍巖與風(fēng)流進(jìn)行熱量傳遞的作用。這是由于中空玻璃微珠的添加使隔熱材料產(chǎn)生封閉氣孔，熱量經(jīng)歷了不同相的傳遞過程。由于氣相的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于固相，故此階段降低了熱量傳遞的效率，另一方面，其路徑長度增加，相當(dāng)于增加了熱阻，從而熱量傳遞過程中的損耗增大，起到了一定的隔熱效果，隔熱機(jī)理如圖5所示。

圖5 多孔材料熱量傳遞過程Fig.5 Heat transfer process of porous materials

由于風(fēng)流與圍巖換熱方式主要以對(duì)流換熱為主，當(dāng)流體為空氣時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)，空氣物性變化不大，對(duì)換熱過程影響較小，對(duì)比圖4可知，通風(fēng)初期隔熱與非隔熱情況下，壁面溫度變化與送風(fēng)溫度無明顯關(guān)系，但受送風(fēng)速度影響較大。通風(fēng)速度越小，圍巖側(cè)壁面溫度越高，通風(fēng)前后壁面溫差越小。以40-30-1.5與40-30-0.5為例，非隔熱圍巖前者溫差為4.2 ℃，后者為3.5 ℃，而隔熱圍巖前者溫差為2.5 ℃，后者為2.0 ℃，表明風(fēng)流的熱量越少溫升幅度越小。當(dāng)工況為壁溫40 ℃，送風(fēng)溫度為30 ℃，入口風(fēng)速0.5 m/s時(shí)，其壁面溫差最小，隔熱效果最好，比相同工況下未隔熱圍巖壁溫溫差減小了29%。

從圖6可以看出，通風(fēng)前3 min內(nèi)，風(fēng)流溫度與圍巖壁溫相差較大，換熱劇烈，風(fēng)流溫度急劇增加。隨通風(fēng)時(shí)間增加，二者溫差減小，換熱減緩，此時(shí)風(fēng)流增溫幅度減緩，直至出口風(fēng)溫幾乎不再改變，換熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。添加隔熱材料與非隔熱的巷道圍巖相比，出口風(fēng)溫約降低50%。

圖6 出口風(fēng)溫隨通風(fēng)時(shí)間的變化規(guī)律(tw0=40 ℃，tf =24 ℃，Vf =0.5 m/s)Fig.6 Variation of outlet air temperature with ventilation time(tw0=40 ℃，tf=24 ℃，Vf=0.5 m/s)

2.1.2 穩(wěn)態(tài)換熱風(fēng)流溫度變化

壁面溫度及出口風(fēng)溫在通風(fēng)開始后的15 min左右達(dá)到穩(wěn)定值，此時(shí)換熱速率極小，可視為穩(wěn)態(tài)換熱，巷道內(nèi)風(fēng)溫變化如圖7，圖8所示。

圖7 風(fēng)流溫度隨入口風(fēng)速的變化規(guī)律(tw0=36 ℃，tf=24 ℃)Fig.7 Variation of air flow temperature with inlet wind speed(tw0=36 ℃，tf=24 ℃)

從圖7可看出，隔熱圍巖(有*)條件下各影響因素的變化規(guī)律與非隔熱圍巖(無*)類似，對(duì)工況為tw0=36 ℃，tf=24 ℃的非隔熱圍巖，計(jì)算得出當(dāng)風(fēng)速為0.3，0.5，1.0和1.5 m/s通過整個(gè)巷道的平均風(fēng)流溫度的變化率分別是1.6， 1.0， 0.6和0.4 ℃/m，風(fēng)流溫度均是沿巷道長度方向逐漸升高，且風(fēng)速越大，風(fēng)流升高幅度越小。根據(jù)熱流量公式[21]，由于風(fēng)流速度越大，通過整個(gè)巷道的時(shí)間越短，風(fēng)流溫度差就越小，風(fēng)流帶走的熱量越少。而對(duì)隔熱圍巖，對(duì)應(yīng)變化率僅為0.83，0.45，0.21，0.13 ℃/m。因此相同工況下，添加隔熱材料后風(fēng)溫的增加幅度減小，硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料具有顯著的降溫效果。

圖8 風(fēng)流溫度隨入口風(fēng)溫的變化規(guī)律Fig.8 Variation of air flow temperature with inlet air temperature

從圖8可看出，對(duì)比隔熱與非隔熱的圍巖巷道，可以得出添加隔熱材料后，巷道內(nèi)氣流溫度隨入口風(fēng)溫變化的趨勢(shì)基本相似，送風(fēng)溫度越低，出口風(fēng)溫也越低。還可看出不同送風(fēng)溫度下風(fēng)流沿長度方向的變化幅度不同，即初始送風(fēng)溫度越低，相鄰兩測點(diǎn)的溫差越大，且進(jìn)出口風(fēng)流的溫差越大，以初始風(fēng)流溫度24與30 ℃為例，非隔熱圍巖前者各段溫差為0.4，0.2，0.3，0.2 ℃，后者為0.2，0.2，0.1，0.1 ℃，隔熱圍巖前者各段溫差為0.2，0.1，0.1，0.1 ℃，后者為0.1，0.1，0，0.2 ℃，除隔熱圍巖1.8 m可能由于接近出口受到影響外基本符合規(guī)律。這是因?yàn)槌跏急跍叵嗤瑫r(shí)，送風(fēng)溫度越低，風(fēng)流與巷道壁面之間的溫差就越大，其兩者間的換熱強(qiáng)度越大，穩(wěn)定階段部分工況下風(fēng)流的顯熱增加量見表3。

2.2 圍巖與風(fēng)流對(duì)流換熱系數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)為干圍巖狀態(tài)，風(fēng)流得熱量僅用于風(fēng)流顯熱的增加，對(duì)流換熱系數(shù)h按式(2)計(jì)算[22]。對(duì)不同因素下圍巖與風(fēng)流的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖9～圖11所示。

h=[mcp·g(tf2-tf1)]/A(tw0-tf)

(2)

式中h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；m為空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp·g為干空氣定壓比熱，1.005，kJ/(kg·℃)；tf1，tf2為進(jìn)、出口風(fēng)流溫度，℃；A為換熱面積，m2；tw0，tf分別為圍巖壁面溫度和風(fēng)流平均溫度，℃。

表3 部分典型工況下風(fēng)流的顯熱增量

圖9 換熱系數(shù)隨送風(fēng)速度的變化規(guī)律(tw0=36 ℃)Fig.9 Variation of convective heat transfer coefficient with air supply velocity(tw0=36 ℃)

從圖9可看出，tw0=36 ℃，對(duì)于非隔熱圍巖(無*)與隔熱圍巖(有*)，設(shè)置巷道初始壁溫和送風(fēng)溫度不變，僅改變送風(fēng)速度時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)均隨著送風(fēng)速度的增大而增大。這是因?yàn)樵谝欢ǖ睦字Z數(shù)范圍內(nèi)，速度是影響對(duì)流換熱過程強(qiáng)弱的主要因素之一，且在該范圍內(nèi)，增加單位流速對(duì)換熱過程的強(qiáng)度影響越大。以送風(fēng)溫度30 ℃為例，送風(fēng)風(fēng)速從0.3 m/s增加到1.5 m/s，在非隔熱圍巖工況下，對(duì)流換熱系數(shù)增加了1.5 W/(m2·K)，當(dāng)添加了硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料后，對(duì)流換熱系數(shù)僅增加了0.25 W/(m2·K)。

從圖10可看出，對(duì)于非隔熱圍巖(無*)與隔熱圍巖(有*)，設(shè)置巷道初始壁溫和送風(fēng)速度不變，僅改變送風(fēng)溫度時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)隨著送風(fēng)溫度的增大均有增加趨勢(shì)。但對(duì)比圖9可知，對(duì)流換熱系數(shù)隨送風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)相對(duì)于隨送風(fēng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)并不明顯，這是由于在對(duì)流換熱過程中，流體溫度的變化會(huì)引起其物性的變化，也就是會(huì)使普朗特?cái)?shù)Pr改變，從而對(duì)對(duì)流換熱過程的強(qiáng)弱產(chǎn)生影響，但當(dāng)風(fēng)溫變化不大時(shí)，空氣物性的變化很小，對(duì)對(duì)流換熱強(qiáng)度影響不大。

圖10 對(duì)流換熱系數(shù)隨送風(fēng)溫度的變化規(guī)律(tw0=36 ℃)Fig.10 Variation of convective heat transfer coefficient with air supply temperature(tw0=36 ℃)

圖11 對(duì)流換熱系數(shù)隨初始壁溫的變化規(guī)律(tf=28 ℃)Fig.11 Variation of convective heat transfer coefficient with initial wall temperature(tf=28 ℃)

從圖11可看出，對(duì)于非隔熱圍巖(無*)與隔熱圍巖(有*)，當(dāng)送風(fēng)溫度和送風(fēng)速度相同時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)隨巷道初始壁溫的增加有減小趨勢(shì)，但減小幅度不大。

2.3 隔熱圍巖對(duì)流換熱系數(shù)相關(guān)因素及準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式

上述分析結(jié)果為送風(fēng)速度對(duì)換熱過程影響較大，而送風(fēng)溫度和壁面溫度對(duì)換熱過程基本沒有影響。為進(jìn)一步驗(yàn)證該規(guī)律，且保證擬合的準(zhǔn)確性[23-24]，利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)與送風(fēng)速度、初始壁溫、風(fēng)流進(jìn)出口平均溫度的相關(guān)性進(jìn)行分析，并采用Spearman分布檢驗(yàn)，若檢驗(yàn)結(jié)果p小于0.05，說明兩者之間具有顯著相關(guān)性。

添加硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料的對(duì)流換熱系數(shù)與風(fēng)速、初始壁溫、風(fēng)流進(jìn)出口平均溫度的相關(guān)性見表4。

表4 硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱圍巖對(duì)流換熱與各參數(shù)的相關(guān)性分析

從表4可以看出，對(duì)流換熱系數(shù)與送風(fēng)速度存在顯著相關(guān)關(guān)系，而與初始壁溫和平均溫度的相關(guān)性不大。使用SPSS軟件對(duì)雷諾數(shù)Re，平均溫度對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)Pr和努塞爾數(shù)Nu進(jìn)行冪函數(shù)回歸，得準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為

Nu=1.544Re0.237

(3)

式中 擬合優(yōu)度R2=0.908，表示上述回歸方程能夠解釋努塞爾數(shù)90.8%的信息，9.2%的信息需要其他因素進(jìn)行解釋。且對(duì)流方式為強(qiáng)制對(duì)流且流體為空氣時(shí)，努塞爾數(shù)Nu僅與雷諾數(shù)Re有關(guān)?？蓪⒋舜螌?shí)驗(yàn)結(jié)果推廣至實(shí)際礦井中換熱過程的分析。

3 結(jié) 論

1)巷道壁添加硅橡膠/中空玻璃微珠復(fù)合隔熱支護(hù)材料后，壁面溫度變化規(guī)律與無隔熱材料基本一致，但壁溫降幅明顯減小。壁面溫差受送風(fēng)溫度影響較小，受送風(fēng)速度影響顯著。添加隔熱材料后風(fēng)流溫度的增加幅度顯著減小，硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱材料具有顯著的降溫效果。

2)隔熱圍巖與風(fēng)流的對(duì)流換熱系數(shù)，隨送風(fēng)溫度的增加有增大趨勢(shì)，隨壁面溫度的增大有降低趨勢(shì)，但相對(duì)于隨送風(fēng)風(fēng)速的變化趨勢(shì)，對(duì)流換熱系數(shù)隨送風(fēng)溫度及初始壁溫的變化幅度均較小，即受送風(fēng)速度影響較大且為正相關(guān)關(guān)系。在添加硅橡膠/中空玻璃微珠隔熱后，對(duì)流換熱系數(shù)相比未隔熱情況均有明顯降低。

3)通過SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析對(duì)流換熱系數(shù)與送風(fēng)速度有顯著相關(guān)關(guān)系，與初始壁溫、風(fēng)流進(jìn)出口平均溫度相關(guān)性不大，其準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為Nu=1.544Re0.237。