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原文传递含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置及方法

专利名称：	含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验装置及方法
摘要：	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装置，包括包括实验箱体，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；本发明还公开了一种含相变蓄热材料的套管式矿井采热实验方法。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。
专利类型：	发明专利
申请人：	西安科技大学
发明人：	张小艳;刘浪;许慕妍;郇超;赵玉娇;赵敏;文德;刘利;贾宇航
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T18:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T14:00:00+0805
申请号：	CN201911304489.0
公开号：	CN111007103A
代理机构：	西安启诚专利知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	李艳春
分类号：	G01N25/20;G;G01;G01N;G01N25;G01N25/20
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔路中段58号
主权项：	1.一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(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。 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装置，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装置，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装置，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装置，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。 6.一种采用如权利要求1所述实验装置进行实验的方法，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。 7.按照权利要求6所述的方法，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(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，ρO为充填体密度，CO为充填体(2)的比热容，VO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，ρs为相变蓄热材料(10)的密度，Cs为相变蓄热材料(10)的比热容，Vs为相变蓄热材料(10)的体积，Ti为i时刻相变蓄热材料(10)的平均温度，Ti+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，Cf为水(载热介质)的比热容，ρf为水(载热介质)的密度，d为采热管(9)的直径，vf为水的流速，Tin为分水器(28)的进水温度，Tout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 8.按照权利要求6或7所述的方法，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。 9.按照权利要求6或7所述的方法，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。 10.按照权利要求6或7所述的方法，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。
所属类别：	发明专利