CN101639455A - 松散煤体热物性测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

松散煤体热物性测试方法及系统，其特征是基于热线法，一次性同时测松散煤体导热系数λ、热扩散率a和比热容c_p三个热物性参数，具体是在松散煤体的煤样中心放置加热棒作为热源，在煤样中的测温点上设置温度传感器，测温点与加热棒之间有煤样相隔；将煤样放置于试样筒中；测出试样筒中煤样的密度、设定加热棒的加热功率，记录加热棒从开始加热所经历的时间；测量对应时刻煤样的温度；由密度、加热功率、时间和温度，首先根据平行热线法原理计算煤样的导热系数λ，再依次求得煤样热扩散率a和煤样的比热容c_p。本发明方法简单、系统测试精度高，便于实验操作方便。

Description

松散煤体热物性测试方法及系统

技术领域

本发明涉及松散煤体热物性测试方法和系统。应用于煤炭自燃火源定位技术研究中的松散煤体热物性参数测试。

背景技术

井下煤炭自燃引发的火灾会造成重大经济损失，实际上，煤炭自燃的孕育和发展过程缓慢，发现矿井中出现自燃火源征兆并不是困难的事情，但发现自燃征兆后不能迅速准确的对火源进行定位，导致不能及时有效地对火源进行控制和扑灭，是造成煤炭自燃发火重大损失的重要原因之一。

目前对于火源位置和范围的圈定方法有红外测温仪、温度传感器、物探仪器、测氡法和计算机模拟法等，其中以红外测温法、直接测温法和计算机模拟法等为代表的温度探测法，由于具有效率高、操作简便等优点在工程实际中得到了一定应用。这些方法是以热传导理论和流场理论为基础，建立采空区或煤柱的温度场数学模型，利用数值解法进行计算机模拟或结合实测温度数据，达到对煤自燃火源高温点定位的目的，而由于数学模型中的松散煤体热物性参数无法准确获取，难以实现对煤自燃火源进行及时、准确的定位。

目前对于松散煤体热物性测试研究较多，如热线法或稳态圆筒法测松散煤体导热系数、DSC法测松散煤体比热容等，且开发了相应的测试仪器。但多为单次实验仅能测一个参数的方法，若要获得多个参数必须做多次实验，这延长了实验过程并增加实验成本。

在原理上交叉热线法也能实现导热系数和热扩散率的同时测定，但测热扩散率的公式中需要考虑热线半径，而热线法测试原理要求热线半径r₀→0，热线半径太小造成其上热电偶焊接点的直径与热线相比过大，就要用热线有效半径r₀’来考虑由此带来的误差，即便如此，由于有效半径r₀’难以直接精密测定，往往导致热扩散率的测定误差过大(＞8％)。而已有的松散煤体导热系数测试仪器在硬件设计方面，存在自动化程度不高、实验操作不方便和实验条件与现场实际相符程度差等缺点，造成测试精度不高，无法很好地满足工程实际应用要求。因此，有必要研究新的测试方法和系统，以实现松散煤体热物性参数的高效、准确测定，为煤炭自燃火源的准确定位奠定基础。

本申请人曾在《中国矿业大学学报》上发表文章(2009年第3期，第38卷)提出利用交叉热线法结合与热线间距为r位置处τ时刻的温升θ(r，τ)同时测松散导热系数和热扩散率的方法，并设计了测试系统，已经投入实际使用，并取得了良好效果，但由于松散煤体导热性较差，实验过程中交叉热线上的温升于平行热线温升往往相差较大，而已有研究表明松散煤体导热系数大小与温度有关，从而直接利用交叉热线法测得的导热系数结合平行热线温升数据计算松散煤体热扩散率，必然会给热扩散率测算精度带来较大影响。另外，系统硬件方面，原有系统中的加热棒固定安装在试样筒底座上，拆卸不方便且容易碰坏。试样筒仅有一活动端盖，实验前拿下以充填煤样，实验完成后，去掉端盖一点点从试样筒中取出试样，操作很不方便。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种松散煤体热物性测试方法及系统，直接利用平行热线法同时测松散煤体导热系数和热扩散率，通过对已有的测温传感器和系统结构进行改进，以进一步提高系统测试精度和增强实验操作方便性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明松散煤体热物性测试方法的特点是基于热线法，一次性同时测松散煤体导热系数λ、热扩散率a和比热容c_p三个热物性参数，所述方法为在松散煤体的煤样中心放置加热棒作为热源，在煤样中的测温点上设置温度传感器用于检测煤样温度，所述测温点与加热棒之间有煤样相隔；将所述煤样放置于试样筒中；测出所述试样筒中煤样的密度ρ、设定所述加热棒的加热功率(W/m)，记录加热棒从开始加热所经历的时间(s)；测量对应时刻所述煤样的温度(℃)；由所述密度、加热功率、时间和温度，首先根据平行热线法原理计算所述煤样的导热系数λ，然后利用下面公式计算煤样热扩散率a：

$(\mathrm{\θ}(r,\mathrm{\τ})\·2\mathrm{\π\λ})/q=\frac{1}{2}(-\mathrm{\γ}-\ln p-\underset{n=!}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{p}^n}{\mathrm{nn}!})$

式中：p＝r²/(4aτ)，

r为煤样中某一点与热线的距离，m；

a为所述煤样的热扩散率，m²/s；

λ为所述煤样导热系数，W/(m.K)；

τ为时间，s；

θ(r，τ)为煤样中径向距离加热棒r位置处某点τ时刻的温升，℃；

γ＝0.5772156为欧拉常数。

求得热扩散a后，煤样的比热容c_p根据下式求得：c_p＝λ/(ρα)

本发明松散煤体热物性测试方法的特点也在于所述试样筒一次所测的煤样量为25Kg～30Kg，所述松散煤体的粒度最大25mm。

本发明松散煤体热物性测试系统的特点是具有：

一柱状试样筒，由筒盖和筒体构成，筒体上设置活动门，并设置有用于插入热电偶和导线的可密封孔；

一设置在所述试样筒轴线位置上的加热棒，以稳压电源为所述加热棒提供稳定的工作电源；

一数据采集和传输单元，包括在偏离所述试样筒轴线位置上设置的热电偶和设置在试样筒外部、作为下位机的PLC控制器，与所述PLC控制器通过PPI编程电缆连接有作为上位机的微机系统；以所述上位机控制PLC控制器按照指定的采样通道和设定的采样周期进行温度数据的采集。

本发明松散煤体热物性测试系统的特点也在于：

所述筒体为夹层结构，其外层为不锈钢材质，内层为耐高温硅胶层，中部是以纳米绝热材料为夹层。

所述热电偶布置在与加热棒中心相距15±1mm的位置处，所述加热棒是外径为2mm的细铜管，细铜管中内置镍铬加热丝。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用平行热线法可以同时测得松散煤体导热系数和热扩散率，实现了一次实验测松散煤体导热系数、热扩散率和比热容等多个热物性参数的目的。

2、本发明系统改进可进一步增强实验操作的方便性、系统结构紧凑性和提高松散煤体热物性测试精度。

3、本发明主要应用于煤炭自燃发火预测、煤自燃火源定位技术研究的基础参数测定，并可应用于煤胶体和其它松散固体材料的热物性测试。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图。

图中标号：1试样筒盖、2加热棒、3试样筒体、4热电阻、5把手、6为PLC控制器、7为PPI编程电缆、8计算机、9稳压电源、10活动门、11可密封孔、12加热棒基座。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明专利作进一步说明。

具体实施方式

测试原理：本实施例中的测量系统如图1所示，系统设置包括试样筒、数据采集和传输单元、控制单元以及加热单元。

试样筒的设置：为了使试样颗粒堆积状况和粒度分布与现场的实际情况更为接近，盛放煤样的试样筒外部尺寸高670mm，外径420mm，内筒高310mm，内径300mm，可盛放煤样量25～30Kg，单次可测煤样量在目前已有类似装置中最大。试样筒由筒盖4和筒体3组成，筒体3上开有活动门10，用以在实验完毕后取出试样。

为了尽量消除外部环境干扰对测量精度的影响，试样筒外层为不锈钢材质，内层为耐高温硅胶垫，中部以纳米绝热材料为夹层，这种形式具有较好的绝热性能。试样筒体3上预留有用于插入热电偶4和导线的可密封孔11。

数据采集和传输单元的设置：

数据采集传输单元包括热电偶4、PLC控制器6和PPI编程电缆7。

热电偶4布置在与加热棒2相距15±1mm位置处，直接测量试样中的温度变化，温度测量数据由PLC控制器6进行采集并通过PPI编程电缆7传输入计算机8。

加热系统单元：

加热单元采用加热棒2，设置为加热棒2提供工作电源的稳压电源9。

本实施例中，将传统热线法中的加热丝改装成加热棒2，加热棒2是外径为2mm粗的细铜管内置镍铬加热丝，加热棒2与加热棒基座12为活动连接，实验前将加热棒2插入加热棒基座12呈直立，接通稳压电压9即可进行加热，实验完毕可拔出加热棒2。

控制单元：

系统控制单元以PLC控制器6作为下位机进行温度信号的采集和发送，微型计算机8作为上位机，提供人机交互界面，实现数据的接收、显示和计算处理，以上位机控制PLC控制器按照指定的采样通道和设定的采样周期采集温度数据，编程环境为Step7-Micro/Win32。

以上位机实现的各项功能包括：1、与PLC控制器的通信连接，将PLC采集到的温度数据传输入计算机；2、对于采集数据的监控与显示；3、将温度数据代入程序化的公式进行松散煤体热物性计算；4、计算结果的实时显示、输出和存储。

具体松散煤体热物性测试方法如下：

1、在煤样中放置加热棒代替热线作为热源，同时在离加热棒中心一定距离处设置热电偶测点。

2、试样筒为圆柱形，下端开有活动小门用于实验完毕后取出煤样。实验前将加热棒插入，接通电源即可加热，实验完毕可拔出加热棒妥善放置。

3、试样筒一次可测煤样量25Kg～30Kg，可测松散煤体粒度范围最大25mm，从而煤样粒径分布和堆积状况更加符合现场实际。

4、加热棒放置在初始温度均匀的煤样中，如若加热棒尺寸满足无限长线热源条件，且热能仅在垂直于热线的径向方向传导，将构成一个无限长圆柱导热模型。当加热棒以恒定热流持续加热时，已知单位长度发热量q，W/m，令： $y=\frac{r}{2\sqrt{\mathrm{a\τ}}},$ 则煤样中的温度响应可表示为：

$\mathrm{\θ}(r,\mathrm{\τ})=\frac{q}{2\mathrm{\π\λ}}{\∫}_y^{\∞}\frac{1}{y}{e}^{-y^2}\mathrm{dy}=\frac{q}{2\mathrm{\π\λ}}\mathrm{\Ω}\left(y\right)---\left(1\right)$

式中：θ(r，τ)-煤样中径向距离加热棒r位置处某点τ时刻的温升，℃；

r-煤样中某一点与热线的间距，m；

a-热扩散率，m²/s；

λ-煤样的导热系数，W/(m·K)；

τ-时间，s；

Ω(y)为特殊函数， $\mathrm{\Ω}\left(y\right)={\∫}_y^{\∞}\frac{1}{u}\·e^{-u^2}\mathrm{du}.$

根据平行热线法测导热系数原理，利用距加热棒中心径向垂直距离r位置处的温升θ(r，τ)，代入式(2)可求出松散煤体导热系数λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{UI}}{4\mathrm{\πL}}\×\frac{-E_i\left(\frac{-r^2}{4\mathrm{a\τ}}\right)}{\mathrm{\Δ\θ}(r,\mathrm{\τ})}---\left(2\right)$

式中：I-电流，A；

U-电压，V；

L-热线长度，m；

-指数积分，确定了Δθ(r，2τ)/Δθ(r，τ)之后，

可以查表获得。本测试系统为了实现导热系数的实时计算，把表输入计算机通过软件编程自动查询和计算。

将测得松散煤体导热系数λ，结合代入(1)式，得到式(3)：

Ω(y)＝(θ(r，τ)·2πλ)/q               (3)

式中，q＝(UI)/L。

令p＝r²/(4ατ)又有：

$\mathrm{\Ω}\left(y\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{Ei}(-p)=-\mathrm{\γ}-\ln p-\underset{n=1}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{p}^n}{\mathrm{nn}!}---\left(4\right)$

于是有：

$\mathrm{\Ω}\left(y\right)=(\mathrm{\θ}(r,\mathrm{\τ})\·2\mathrm{\π\λ})/q=\frac{1}{2}\left(-\mathrm{\γ}-\ln p-\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{p}^n}{\mathrm{nn}!}\right)---\left(5\right)$

式中，γ＝0.5772156，称为欧拉常数。

式(5)中仅有一个未知数a，且为超越方程，传统方法是无法求解的，可以通过如对分法等近似数值解法编程求解，对于某一特定时刻τ均可求得一个相应的热扩散率a值，对应若干个时刻将计算得一组a值，取加权平均a作为热扩散率的最终值。

求得热扩散a后，试样的比热容c_p根据式(6)算得：

c_p＝λ/(ρα)                    (6)

5、根据测量原理，公式中需要测定的物理量有：试样密度ρ、热线加热功率q、时间τ和温度θ，具体测量方法为：

(1)试样密度

利用高精度电子秤采用称重法测量。

(2)热线加热功率

利用6位半万用表测量出加热负载的电阻R，然后测量加热电压U，利用式P＝U²/R计算加热功率。

(3)时间

由于测试中温度变化属于缓慢过程，利用系统时钟记录时间，经实测表明可以满足精度要求。

(4)温度

利用可编程控制器(PLC)+温度传感器结合软件编程进行温度信号采集。PLC一般均具有自补偿功能，即只需把温度传感器直接接入测温模块，设定好传感器类型，即可实现温度信号的准确采集，而无需对温度传感器进行事先标定和提供冷端补偿。

Claims (5)

1、一种松散煤体热物性测试方法，其特征是基于热线法，一次性同时测松散煤体导热系数λ、热扩散率a和比热容c_p三个热物性参数，所述方法为在松散煤体的煤样中心放置加热棒作为热源，在煤样中的测温点上设置温度传感器用于检测煤样温度，所述测温点与加热棒之间有煤样相隔；将所述煤样放置于试样筒中；测出所述试样筒中煤样的密度ρ、设定所述加热棒的加热功率(W/m)，记录加热棒从开始加热所经历的时间(s)；测量对应时刻所述煤样的温度(℃)；由所述密度、加热功率、时间和温度，首先根据平行热线法原理计算所述煤样的导热系数λ，然后利用下面公式计算煤样热扩散率a：

$(\mathrm{\θ}(r,\mathrm{\τ})\·2\mathrm{\π\λ})/q=\frac{1}{2}(-\mathrm{\γ}-\ln p-\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^n{p}^n}{\mathrm{nn}!})$

式中：p＝r²/(4aτ)，

r为煤样中某一点与热线的距离，m；

a为所述煤样的热扩散率，m²/s；

λ为所述煤样导热系数，W/(m·K)；

τ为时间，s；

θ(r，τ)为煤样中径向距离加热棒r位置处某点τ时刻的温升，℃；

γ＝0.5772156为欧拉常数。

求得热扩散a后，煤样的比热容c_p根据下式求得：

c_p＝λ/(ρa)。

2、根据权利要求1所述的松散煤体热物性测试方法，其特征是所述试样筒一次所测的煤样量为25Kg～30Kg，所述松散煤体的粒度最大25mm。

3、一种松散煤体热物性测试系统，其特征是具有：

一柱状试样筒，由筒盖(1)和筒体(3)构成，筒体(3)上设置活动门(10)，并设置有用于插入热电偶(4)和导线的可密封孔(11)；

一设置在所述试样筒轴线位置上的加热棒(2)，以稳压电源(9)为所述加热棒(2)提供稳定的工作电源；

一数据采集和传输单元，包括在偏离所述试样筒轴线位置上设置的热电偶(4)和设置在试样筒外部、作为下位机的PLC控制器(6)，与所述PLC控制器(6)通过PPI编程电缆(7)连接有作为上位机的微机系统(8)；以所述上位机控制PLC控制器(6)按照指定的采样通道和设定的采样周期进行温度数据的采集。

4、根据权利要求3所述的松散煤体热物性测试系统，其特征是所述筒体(3)为夹层结构，其外层为不锈钢材质，内层为耐高温硅胶层，中部是以纳米绝热材料为夹层。

5、根据权利要求3所述的松散煤体热物性测试系统，其特征是所述热电偶(4)布置在与加热棒(2)中心相距15±1mm的位置处，所述加热棒(2)是外径为2mm的细铜管，细铜管中内置镍铬加热丝。

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