[实用新型]一种无通风采煤工作面自然对流换热物理模拟实验系统

说明书

本实用新型涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种无通风采煤工作面自然对流换热物理模拟实验系统。包括实验平台主体，所述实验平台主体为具有内部空间的结构，实验平台主体外侧表面覆盖有用于控制内部温度的壁面温度控制系统；实验平台主体内部侧壁上设置用于采集内部温度值的数据采集系统；实验平台主体外部设置有可以拍摄实验平台主体内部图像的PIV粒子图像测速仪；实验平台主体内部放置有模拟热源。本实用新型可以在实验平台主体内形成较高温度，其物理性质相似程度有可控制、相似度高等优点。

技术领域

本实用新型涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种无通风采煤工作面自然对流换热物理模拟实验系统。

背景技术

无通风智能开采的思想正是源于“因风致灾”，当工作面取消“一通三防”，没有风流流动，将最大可能的消除瓦斯爆炸、自燃火灾、粉尘爆炸事故。煤矿无通风开采是在实现远程控制的条件下，取消“一通三防”，在工作面准备期间正常通风，生产期间用风门对工作面进行封闭，实现无氧生产。虽然无通风采煤工作面实现了无人化开采，但工作面内温度过高，易导致设备发生故障和损坏，将会影响机械设备的使用效率和寿命。对于无通风采煤工作面而言，引起工作面温度升高的热源类型有了很大变化，空气压缩产生的热量、风流温度、人员散热以及氧化生热等原因对无通风采煤工作面热环境的影响将不复存在，影响无通风采煤工作面温度升高的因素主要包括围岩温度和机械设备散热。因此无通风采煤工作面内对保证机械设备安全运转提出了更高的要求，开展对无通风采煤工作面热环境分析及温度控制的研究具有重要意义。

目前大部分研究者只针对工作面内的强制对流进行研究分析，而对实际情况中温度梯度引起的浮力驱动的自然对流研究非常有限。对于无通风采煤工作面而言，热源表面温度升高，进而加热空气，在浮力作用下受热空气向上运动，遇到工作面顶板阻碍作用而向下运动；另一方面由于围岩及采空区多孔介质传热性质的不同，导致工作面壁面温度存在较大不同，引起工作面内自然对流。无通风采煤工作面的自然对流包括机械设备表面上的自然对流和工作面内的自然对流两部分组成。在“碳中和、碳达峰”的要求下，自然对流作为一种低能耗、无动力、稳定的换热形式，也具有重要的研究意义。

综上所述，亟需实用新型一套无通风采煤工作面自然对流换热物理实验系统，对未来无通风智能化采掘工作面改造、规避采煤工作面机械热害、消除矿井瓦斯爆炸和自燃火灾等具有重大的理论研究意义和工程指导价值。

实用新型内容

本实用新型为了实现在内热源和壁面温差同时作用的条件下，同步模拟封闭腔体自然对流换热情况，监测封闭腔体内温度场和速度场的变化，对不同气体在不同环境压力下以及不同围岩材料对自然对流的影响进行研究，提供一种无通风采煤工作面自然对流换热物理模拟实验系统。

本实用新型采取以下技术方案：一种无通风采煤工作面自然对流换热物理模拟实验系统，包括实验平台主体，所述实验平台主体为具有内部空间的结构，实验平台主体外侧表面覆盖有用于控制内部温度的壁面温度控制系统；实验平台主体内部侧壁上设置用于采集内部温度值的数据采集系统；实验平台主体外部设置有可以拍摄实验平台主体内部图像的PIV粒子图像测速仪；实验平台主体内部放置有模拟热源。

在一些实施例中，所述实验平台主体包括四周和底部由围岩相似材料浇筑而成的主体本体，主体本体放置于木板支架上方，主体本体上方覆盖有亚克力板，主体本体侧壁上设置有方孔。

在一些实施例中，所述壁面温度控制系统包括石墨烯加热膜、温控仪、电线以及橡塑保温板；所述石墨烯加热膜和温控仪通过电线连接，所述石墨烯加热膜粘贴在实验平台主体四周，所述橡塑保温板覆盖在所述实验平台主体最外侧。

在一些实施例中，所述数据采集系统包括电脑、表面粘贴式K型热电偶、热电偶数据采集器和引线；所述表面粘贴式K型热电偶和热电偶采集器通过引线连接，所述表面粘贴式K型热电偶放置于实验平台主体本体内侧壁面，所述热电偶采集器将热电偶探头端温度差转换为电信号，并通过电脑上软件自动记录温度值。