一种氧化放热阶段松散煤体热物性系数测算方法及系统

技术领域

本发明涉及热物性测试领域，具体涉及松散煤体氧化放热阶段热扩散系数测算方法、测算系统及运行方法。

背景技术

我国资源禀赋具有“富煤、贫油、少气”的特点，导致我国一次能源消费中煤炭一直占据着50％以上的比例。矿井开采后的采空区仍赋存着遗煤氧化放热而产生的地热资源,有潜在的积极用途。热物性参数是评价地热资源提取效率的一项重要指标，因此，准确测定松散煤体的热物性参数是对采空区地热能提取研究的基础，具有重要意义。

目前，传统确定松散煤体热物性参数的主要途径是实验测定，理论上主要分为稳态法和非稳态法。如专利CN 101639455A公开的松散煤体热物性测试方法及系统，在对松散煤体的热物性进行测试的方法中，基于平行热线法的测算方法利用在松散煤体的煤样中心放置加热棒作为热源，记录加热功率、时间、煤样温度进行测算，由于测试过程中松散煤体受热加速内部发生氧化放热，自身热源将干扰试样温度数据，导致误差较大。氧化放热过程松散煤体的导热系数测试，发展了降温法测定各煤样的氧化放热强度及热物性参数，如专利CN101984349A公开的一种松散煤体氧化热测试方法，由温度、时间、密度、比热容、空隙率计算煤体不同温度的导热系数，其需参数较多，导致测试方法的周期较长。

因此，设计一种能够快速对松散煤体高温氧化放热时的热物性参数进行测定的方法，对采空区地热资源的开发与利用具有重要意义。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种氧化放热阶段松散煤体热扩散系数测算系统及测算方法，构建合理的温度场，将第一类边界条件下的有限差分一维导热方程与黄金分割搜索算法结合，可快速测试松散煤体的热扩散系数，进而计算出导热系数、比热容等热物性参数。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种氧化放热阶段松散煤体热扩散系数的测算方法，包括以下步骤：

S1：实验测定煤体在高温氧化条件下的松散煤体放热热源项，测定与计算模型函数边界条件一致时，测点的温升曲线；

S2：构建热物性参数计算模型函数，为第一类边界条件下的有限差分一维导热方程：

将煤样内以轴向方向进行网格划分，每个控制体长度为△x，写为差分方程形式：

为了运算方便，写成矩阵形式表示：

其两端边界条件为

T(b,t)＝T(b)

T(c,t)＝T(c)

设置对应变量参数，式中：上标n代表第n个时间步；

△t为时间步长，s；

△x为控制体与其前一位控制体中点间的距离，cm；

T为温度，℃；

a为热扩散系数，cm

A为有限差分迭代系数矩阵；

b、c为两端边界位置，cm；

S3：热源项拟合输入，构建系数矩阵，形成敛收计算方程，求解输出测温点温度；

S4：构建黄金分割搜索计算模型：

式中，a

S5：假设t

S＝[T(t

S6：对a

优选地，将热源插值法拟合为函数插值矩阵

本发明的另一个目的是提供一种氧化放热阶段松散煤体热扩散系数测算系统，包括程序控温箱，所述程序控温箱内安装有反应釜，所述反应釜内安装待测煤体；还包括

翻转热源单元，所述翻转热源单元包括可翻转保温箱壁和反应釜上盖，所述可翻转保温箱壁安装在所述程序控温箱上侧壁上，且可沿控温箱壁中心轴线旋转；所述反应釜上盖安装在可翻转保温箱壁上，所述反应釜与所述可翻转保温箱壁之间由伺服电机控制的弹簧顶板连接；

温度控制单元，所述温度控制单元安装在所述反应釜外侧，包括安装在程序控温箱内的电热丝和安装在反应釜上盖内的电热片，均由程序升温温控器控制，可瞬时控制的恒温热源，反应釜底部安装有散热装置，从而使煤体整体温度恒定；

温度传感器，设置在所述反应釜的腔体和上盖内；

气体流量控制单元，所述气体流量控制单元连接在所述反应釜上，用于提供设定温度值的混合气体；

数据处理单元，所述数据处理单元包括气相色谱仪和计算机，两者之间电性连接。

优选地，所述温度控制单元还包括风扇，所述风扇安装在程序控温箱内侧壁上，所述电热丝安装在风扇和反应釜之间。

优选地，所述气体供给单元包括高压气瓶和进气管路，高压气瓶有氧气、氮气和空气三组，高压气瓶上分别安装有流量控制器，高压气瓶均连接在进气管路始端，进气管路上设有气体预热铜管，进气管路末端连接在反应釜上；所述反应釜上部通过出气管路与数据处理单元连接。

所述流量控制器包括顺次安装的减压阀、稳压阀、稳流阀、压力表、气阻和流量传感器，用于通过调节氧气、氮气、空气的流量控制混合气体中各组分比例。

本发明的第三个目的是提供一种氧化放热阶段松散煤体热扩散系数测算系统的运行方法，其特征在于，步骤如下：

S1：将新鲜煤样进行破碎，并筛选目标粒度范围的煤样两份，将第一份煤样装入反应釜；

S2：旋上反应釜上盖，开启伺服电机控制反应釜上盖转入程序控温箱内与反应釜贴合，设置气体供给单元输入氮气，至煤体完全处于氮气环境下，通过程序升温温控器设定电热丝和电热片相同环境温度预设值，并对程序控温箱进行加热；

S3：当煤体温度稳定在环境温度后，设置气体供给单元控制氧气浓度配比，向反应釜中输入含氧混合气体，由计算机记录温升数据；

S4：设置气体供给单元，向反应釜中输入氮气，待煤体完全处于氮气环境下，关闭气瓶，将反应釜上盖转出箱内，取出第一份煤样，更换第二份煤样；

S5：通过程序升温温控器控制电热丝加热，至反应釜内部达到环境温度预设值，控制电热片加热至反应釜上盖温度预设值，旋转反应釜上盖，开启伺服电机使反应釜与上盖贴合；

S6：向反应釜中通入与步骤S3中相同氧气浓度配比的含氧混合气体，由计算机记录温升曲线。

优选地，所述松散煤体的粒度最大为25mm，反应釜每次煤体装样量为0.5kg。

本发明的有益效果在于：

1.本实验测算系统通过改变气体组分比例及程序控温箱温度，结合气相色谱仪数据，测算出多种环境条件下的松散煤体热物性参数，提高与采空区环境的耦合程度；

2.本发明测算方法综合运用了有限差分方程和黄金分割搜索算法，解决了二阶非线性偏微分方程的反向求解问题，其热扩散系数测算容许误差和搜索范围可自由设置，本发明设置模型求解值与实验实测值的绝对残差值小于1e-3，迭代次数小于20次，提高了高温松散煤体热扩散系数的测算精度及效率；

3.通过实验得到的热源项代入算法中，消除了煤体在高温环境的自放热对热扩散系数测试的影响；

4.本发明实现对煤体瞬时第一类边界条件的热源放置，使测定实验满足一维热扩散方程的边界条件，实现了有限差分方法与实验测试的结合计算；

5.自动化程度高，测量结果可靠稳定，容易操作；算法通过程序封装，只需输入相应的参数，便可计算高温条件松散煤体热扩散系数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的氧化放热阶段松散煤体热扩散系数的测算系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的氧化放热阶段松散煤体热扩散系数的测算方法流程图；

附图标记说明：

1、高压气瓶；2、减压阀；3、稳压阀；4、稳流阀；5、压力表；6、气阻；7、流量传感器；8、保温层；9、气体预热铜管；10、程序控温箱；11、进气管；12、反应釜下底；13、反应釜腔体；14、腔体温度传感器；15、数据线路；16、出气管；17、可翻转控温箱壁；18、弹簧顶板；19、反应釜上盖；20、电热丝；21、风扇；22、程序升温温控器；23、气相色谱仪；24、计算机；25、上盖温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种氧化放热阶段松散煤体热扩散系数的测算系统，包括程序控温箱10，程序控温箱10箱体由不锈钢内胆和保温层8组成，保温层8为石棉材质。

程序控温箱10中央安装有反应釜，程序控温箱10右侧壁上安装有可变功率的风扇21，以保证炉中空气温度的均匀；风扇21与反应釜之间安装有电热丝20，电热丝20的温度通过程序升温温控器22控制。

反应釜包括反应釜下底12、反应釜腔体13和反应釜上盖19，反应釜腔体13内安装有腔体温度传感器14，腔体温度传感器14另一端电性连接在计算机24上，腔体温度传感器14测温探头为铂电阻精密感温元件，探头布置于反应釜轴线上；反应釜为圆柱形，反应釜底部设有反应釜下底12，反应釜下底12为铜材料的散热器。轴向两端为铜材料，径向筒体为多层绝热材料，内层为硅胶层，外层为不锈钢，夹层为纳米绝热材料为夹层。

气体流量控制器控制高压气瓶1通过进气管11输入至反应釜，进气管11为细钢管，进气管11上设置有气体预热铜管9，气体预热铜管9为弯曲多排结构，使得混合气体充分预热，确保进入煤罐内的气体温度达到设定值；高压气瓶1有三组，分别连接有气体流量控制器，可调节氧气、氮气、空气的流量，获得不同氧气浓度的混合气体，混合气体通过进气管11输入至反应釜。气体流量控制器包括顺次安装的减压阀2、稳压阀3、稳流阀4、压力表5、气阻6和流量传感器7。

进气管11末端与反应釜底部进气口连接，出气管16与反应釜顶部出气口相连，出气管16末端顺次连接有气相色谱仪23和计算机24，气相色谱仪23测试数据通过数据线传输给计算机24。气相色谱仪23可测试煤体升温氧化产生的气体成分浓度，用于确定煤体升温氧化程度。如需要测定不同氧化程度时的热扩散系数，需要使用。

程序控温箱10箱体上侧壁还设有翻转热源单元，翻转热源单元包括可翻转控温箱壁17，箱壁可实现沿控温箱壁中心轴线旋转，热源为程序升温温控器22控制的电热片，可翻转控温箱壁17上安装有反应釜上盖19，反应釜上盖19与箱壁之间由伺服电机控制的弹簧顶板18相连，伺服电机一端由螺丝固定安装在可翻转控温箱壁17上，另一端连接弹簧顶板18，可通过控制弹簧顶板18进而控制反应釜上盖19的上下位移。

先将上盖热源侧翻转至控温箱外，当热源温度稳定在设置温度后，翻转可翻转控温箱壁17，然后开启伺服电机使上盖热源向下位移至与反应釜贴合，弹簧顶板18可使上盖与反应釜贴合更加紧密。伺服电机由电控柜控制，电机线路及热源线路内置于箱壁内，在翻转进入程序控温箱10后依照电控柜中计算机程序语言开启弹簧顶板的移动，在反应釜上盖19移动至与反应釜腔体13接触时终止移动，反应釜上盖19内安装有上盖温度传感器25。

本发明设置了两种热源，设置反应釜下盖热源是为了使试样一端保持与环境温度温度相同，反应釜上盖热源是为了产生一个比环境温度高的热源，其翻转功能是为了避免加热过程中接触试样所产生的热传导。翻转瞬间可以给试样设置一个恒温热源。

运用上述装置系统实验构建温度场，在松散煤体的一端放置可瞬时产生的恒温热源，另一端放置可快速散热的散热器，从而使煤体另一端温度恒定，测定煤体在高温(70℃以上)氧化条件下的松散煤体放热热源项，并记录反应釜内部温升数据。散热器在对程序控温箱进行加热(实验开始)时开启，目的是减少反应釜周围环境温度的波动，保持实验时试样及热源所处环境温度不变。

具体测算方法如图1所示，包括如下步骤：

S1：将新鲜煤样进行破碎，并筛选0-0.1mm或其他目标粒度范围的煤样两份，将第一份煤样装入反应釜；所述松散煤体的粒度最大为25mm，反应釜每次煤体装样量为0.5kg。

S2：旋上反应釜上盖，开启伺服电机控制反应釜上盖转入程序控温箱内与反应釜贴合，设置气体供给单元输入氮气，至煤体完全处于氮气环境下，通过程序升温温控器设定电热丝和电热片相同环境温度预设值70℃，并对程序控温箱进行加热；

S3：当煤体温度稳定在环境温度后，设置气体供给单元控制氧气浓度配比，向反应釜中输入含氧混合气体，由计算机记录温升数据；

S4：设置气体供给单元，向反应釜中输入氮气，待煤体完全处于氮气环境下，关闭气瓶，将反应釜上盖转出箱内，取出第一份煤样，冷却至初始温度，更换第二份煤样；由于在氧化条件测定松散煤体热源项后，系统温度因氧化放热已高于初始温度，且试样已被氧化改性，所以需要冷却至初始温度并更换新试样进行热扩散系数测试。

S5：通过程序升温温控器控制电热丝加热，至反应釜内部达到环境温度预设值70℃，控制电热片加热至反应釜上盖温度预设值100℃，旋转反应釜上盖，开启伺服电机使反应釜与上盖贴合；

S6：向反应釜中通入与步骤S3中相同氧气浓度配比的含氧混合气体，由计算机记录温升曲线。

然后，利用本发明提出的算法测算松散煤体的热扩散系数。构建热物性参数计算模型，为第二类和第一类边界条件下的有限差分一维导热方程：

将煤样内以轴向方向进行网格划分，每个控制体长度为△x，写为差分方程形式：

为了运算方便，写成矩阵形式表示：

其两端边界条件为

T(b,t)＝T(b)

T(c,t)＝T(c)

式中：上标n代表第n个时间步；

△t为时间步长,s；

△x为控制体与其前一位控制体中点间的距离,cm；

T为温度,℃；

a为热扩散系数,cm

A为有限差分迭代系数矩阵；

b、c为两端边界位置,cm；

此步骤需要设置的变量有：△t为0.01s、△x为0.01cm、初始值a

将热源插值法拟合为函数插值矩阵

测试方程收敛后进行方程的计算求解，得到测点位置的温度；

假设松散煤体的热扩散系数上下限分别为a

其中，

选定假设t

S＝[T(t

对a

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。