摘要
从我国的煤炭资源开采现状来看,煤炭资源的长需求、浅部资源的近贫化、深部资源的高储量共同表明我国煤炭资源开采向深部进军已是大势所趋,随之而来的原岩温度持续升高、围岩散热量持续增大、井下高温现象越来越严重极大影响了工人的身心健康以及矿山企业的正常生产,但是我们不能仅仅将高岩温作为一种热害来看待,同样它还是一种可以加以利用的地热资源。本文在煤热共采的框架基础上,着眼于换热介质的制备与研究,综合采用理论分析、实验研究、数值模拟等方法,开展了密胺树脂/正十八烷微胶囊相变流体制备实验,测定了所制备相变流体的热物性,搭建了恒热流密度圆管换热实验系统并开展相关实验,分析了采空区预埋管换热情况下不同工况条件对相变流体换热的影响规律。主要结论如下:(1)开展了以密胺树脂/正十八烷相变微胶囊为主要功能成分的相变流体制备实验,研究不同制备方法、不同分散剂种类、添加量对相变流体稳定性的影响。结果表明,当采用化学分散法将SDS与SDBS按照质量分数为0.1%、0.2%进行复配并辅以一定物理分散手段时,无论是分散效果还是稳定性均表现良好。(2)测定了相变微胶囊的DSC曲线、TG曲线、颗粒形貌以及所制备相变流体的相变特性、粘度、密度等热物性参数。结果表明,所制备的相变流体相变特性与相变微胶囊基本相同,相变微胶囊质量分数为30%的相变流体粘度快速升高,密度在相变温度区间内会出现异常变化。(3)搭建了恒热流密度圆管换热实验系统并对实验系统的热平衡以及稳定性进行校验,分析了质量分数、雷诺数、热流密度等参数对相变流体换热特性的影响规律。结果表明,相变流体的换热强度与基液相比显著增高,随着质量分数的增加,壁面温度降低幅度不断增加,对流换热系数不断增大;雷诺数亦是影响换热效果的因素之一,但是随着雷诺数持续增加换热增强幅度逐渐降低;壁面热流密度对换热的影响并不显著。(4)建立了井下工作面相变流体换热物理模型,并采用fluent数值模拟软件分析了采空区预埋管换热情况下不同工况对相变流体换热的影响规律。结果表明,随相变流体流动时间增加热影响距离变化速率呈现快速-缓慢-平稳的变化趋势,快速变化阶段在运行2h以内,运行20h后影响距离在0.7-1m之间;相同条件下通过降低相变流体进口温度,提高相变流体进口速度可以有效地提高热提取过程中的总换热量,且入口温度对换热效果的影响大于入口速度。该论文有图59幅,表8个,参考文献69篇。