CN107421985B - 煤体导热系数测定装置及方法 - Google Patents

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CN107421985B CN201710803678.7A CN201710803678A CN107421985B CN 107421985 B CN107421985 B CN 107421985B CN 201710803678 A CN201710803678 A CN 201710803678A CN 107421985 B CN107421985 B CN 107421985B
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Abstract

本发明公开了一种煤体导热系数测定装置及方法，该装置包括用于盛放煤体的导热机构、用于测量煤体导热的测温机构、为煤体提供矿井气体环境的输气机构以及包裹在导热机构外用于冷却导热机构的水浴机构；该方法包括步骤：一、气体填充；二、煤样填充；三、注水防护；四、设定球体加热器工作功率并启动球体加热器工作；五、获取内紫铜球体外表面温度和外紫铜球体内表面温度；六、测定煤体导热系数；七、加热储水箱中纯净水；八、确定煤体导热系数变化因素并记录煤体导热系数变化值；九、冷却外紫铜球体。本发明能够准确地测出不同粒径的煤体的导热量，实现对不同环境下的不同粒径的煤体所进行的导热变化的精确测量。

Description

煤体导热系数测定装置及方法
技术领域
本发明属于导热系数测定技术领域，具体涉及一种煤体导热系数测定装置及方法。
背景技术
松散煤体导热系数是煤自然发火预测及放热强度测算的主要物性参数，煤体导热系数是研究煤炭自燃热力学和化学动力学的一个重要参数，它直接关系到矿井煤层火灾的预防。长期以来，松散煤体导热系数按照多孔介质理论推算其等效导热系数，它的准确与否直接影响到模拟实验的准确性，且只能测出不同煤体在一种气体氛围环境下的导热系数。目前国内大多使用的煤的导热系数测定方法有热线法和稳态双平板法，其中，热线法测定煤体导热系数装置，该装置基于平行热线法原理，设计了松散煤体导热系数测试方法，但是该方法需要热线不断加热，使得物体内部温度不均匀，引起物体内部非稳态导热；稳态双平板法测定煤和岩石的导热系数，该方法主要通过中间电热板对两侧对称加热板来加热测定温度来分析导热系数随温度的变化，但是该方法对平板的材质以及几何尺寸要求较高，且不易在温度变化的环境下进行。因此现如今缺少一种既可以通过温度的均匀热传导来进行导热，又可以适宜在复杂的温度环境下测量，且对大多煤体具有适应性的煤体导热系数测定装置及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤体导热系数测定装置，其设计新颖合理，能够准确地测出不同粒径的煤体的导热量，实现对不同环境下的不同粒径的煤体所进行的导热变化的精确测量，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：煤体导热系数测定装置，其特征在于：包括用于盛放煤体的导热机构、用于测量煤体导热的测温机构、为煤体提供矿井气体环境的输气机构以及包裹在所述导热机构外用于冷却所述导热机构的水浴机构，所述导热机构包括同心布设且均为中空结构的外紫铜球体和内紫铜球体，内紫铜球体内部中心位置处设置有球体加热器，所述测温机构包括用于测量外紫铜球体温度的第一热电偶和第二热电偶、用于测量内紫铜球体温度的第三热电偶和第四热电偶、用于处理第一热电偶和第二热电偶测量数据的第一温度变送器以及用于处理第三热电偶和第四热电偶测量数据的第二温度变送器，所述水浴机构包括套设在外紫铜球体外的水浴球套和为水浴球套恒温循环供水的储水箱，储水箱内设置有用于调节水温的螺旋加热器和用于实时检测水温的温度传感器，所述输气机构包括储气瓶和气体收集瓶，以及分别设置在外紫铜球体两侧且均穿过水浴球套与外紫铜球体连通的进气输气管和出气输气管，球体加热器和螺旋加热器均由工控机控制，工控机上设置有用于调节球体加热器和螺旋加热器工作功率的触摸屏，第一温度变送器、第二温度变送器和温度传感器的信号输出端均与工控机的输入端相接。
上述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述外紫铜球体和内紫铜球体之间通过多个支撑杆连接，外紫铜球体的顶端设置有绝热球盖，所述煤体盛放在外紫铜球体和内紫铜球体之间的空腔内。
上述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述第一热电偶设置在外紫铜球体内表面顶端，第二热电偶设置在外紫铜球体内表面底端，第三热电偶设置在内紫铜球体外表面顶端，第四热电偶设置在内紫铜球体外表面底端。
上述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述储水箱通过进水管与水浴球套的进水端连通，储水箱通过出水管与水浴球套的出水端连通。
上述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述储水箱内设置有与进水管连接的水泵，所述水泵由工控机控制。
上述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述外紫铜球体上开设有与进气输气管配合的进气孔和与出气输气管配合的出气孔，所述进气孔和所述出气孔均为圆孔，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体的球心。
上述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述储气瓶内存放有模拟实际矿井环境中气体的混合气体，储气瓶为防爆气瓶。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、可以通过温度的均匀热传导来进行导热，且适宜在复杂的温度环境下测量，对大多煤体具有适应性的煤体导热系数测定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、气体填充：预先在储气瓶内存放充足的模拟实际矿井环境中气体的混合气体，将混合气体通过进气输气管填充在外紫铜球体和内紫铜球体之间的空腔内，直至混合气体充满整个空腔；
步骤二、煤样填充：在常温空气中对煤块进行破碎，筛出粒度在100目～200目之间的煤样，打开绝热球盖将制作的煤样装入外紫铜球体和内紫铜球体之间的空腔内，再通过绝热球盖密封外紫铜球体；
步骤三、注水防护：给储水箱中注入常温下的纯净水，所述储水箱内设置有与进水管连接的水泵，工控机控制所述水泵开启为水浴球套注水对外紫铜球体进行防护；
步骤四、设定球体加热器工作功率并启动球体加热器工作：采用触摸屏设定球体加热器工作功率Q，通过工控机启动球体加热器工作；
步骤五、获取内紫铜球体外表面温度和外紫铜球体内表面温度：将第一热电偶设置在外紫铜球体内表面顶端并采集外紫铜球体内表面顶端温度T1，将第二热电偶设置在外紫铜球体内表面底端并采集外紫铜球体内表面底端温度T2，取外紫铜球体内表面顶端温和底端温度的平均值作为外紫铜球体的内表面温度t2，即
Figure BDA0001402175880000031
将第三热电偶设置在内紫铜球体外表面顶端并采集内紫铜球体外表面顶端温度T3，将第四热电偶设置在内紫铜球体外表面底端并采集内紫铜球体外表面底端温度T4，取内紫铜球体外表面顶端温度和底端温度的平均值作为内紫铜球体的外表面温度t1，即/>
Figure BDA0001402175880000041
步骤六、测定煤体导热系数：根据傅里叶导热定律
Figure BDA0001402175880000042
计算得到煤体导热系数/>
Figure BDA0001402175880000043
其中，F为煤体散热辐射面积且F＝4πr2，r为煤体散热辐射半径且r∈(r1,r2)，r1为内紫铜球体的半径，r2为外紫铜球体的半径，/>
Figure BDA0001402175880000044
为煤体沿煤体散热辐射半径r方向的温度变化率，t为煤体散热温度且t∈(t2,t1)，d1为内紫铜球体的直径且d1＝2r1，d2为外紫铜球体的直径且d2＝2r2，/>
Figure BDA0001402175880000045
步骤七、加热储水箱中纯净水：工控机控制螺旋加热器工作加热储水箱中纯净水，采用温度传感器采集储水箱中纯净水的温度t3，其中，t3<t2；
步骤八、确定煤体导热系数变化因素并记录煤体导热系数变化值，过程如下：
步骤801、采用触摸屏调节球体加热器工作功率Q值，重新获取内紫铜球体外表面温度值和外紫铜球体内表面温度值，工控机根据公式
Figure BDA0001402175880000046
计算并记录煤体导热系数λ随球体加热器工作功率Q变化的变化值；
步骤802、打开储气瓶，将混合气体通过进气输气管，进气输气管穿过水浴球套通入外紫铜球体内，混合气体在空腔内流通后通过出气输气管再穿过水浴球套冷却流出，采用气体收集瓶收集出气输气管流出的冷却气体，重新获取内紫铜球体外表面温度值和外紫铜球体内表面温度值，工控机根据公式
Figure BDA0001402175880000047
计算并记录煤体导热系数λ随混合气体对流的变化值；
步骤九、冷却外紫铜球体：待煤体导热系数测定完毕后，工控机控制所述水泵持续为水浴球套供水，水流通过进水管进入水浴球套再通过出水管被排出，采用水循环的方式冷却外紫铜球体。
上述的方法，其特征在于：所述外紫铜球体上开设有与进气输气管配合的进气孔和与出气输气管配合的出气孔，所述进气孔和所述出气孔均为圆孔，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体的球心。
上述的方法，其特征在于：步骤七中，
Figure BDA0001402175880000051
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用的测定装置，通过两个同心布设且均为中空结构的外紫铜球体和内紫铜球体作为导热本体，将煤体盛放在外紫铜球体和内紫铜球体之间的空腔内，球体加热器设置在内紫铜球体内部中心位置处，可以通过球体结构均匀热辐射来进行导热，且紫铜传热效率高，使用效果好。
2、本发明采用的测定装置，通过采用第一热电偶和第二热电偶的测量均值表示外紫铜球体的温度，通过采用第三热电偶和第四热电偶的测量均值表示内紫铜球体的温度，避免温度的不均衡导致的温度测量误差大，同时为第一热电偶和第二热电偶配备一个温度变送器处理采集的温度值，为第三热电偶和第四热电偶另外配备一个温度变送器处理采集的温度值，可靠稳定。
3、本发明采用的测定装置，通过设置水浴机构防护冷却外紫铜球体，避免实验过程中人为的触碰到外紫铜球体而烧伤实验人员，同时在实验结束后快速的冷却外紫铜球体，节省时间，提高效率；另外，设置输气机构模拟不同气体环境下的热量传导来计算煤体导热系数，测得的数据更符合不同类型的矿井，适应不同孔隙率和不同井下气体环境的煤体导热系数，实现对不同环境下的不同粒径的煤体所进行的导热变化的精确测量。
4、本发明采用的测定方法，步骤简单，首先在外紫铜球体和内紫铜球体之间的空腔内充满混合气体，为煤样的导热提供一个实际的模拟环境，与实际更为相符，填充煤样后为水浴球套注水实现外紫铜球体防护，采用傅里叶导热定律获取煤体导热系数公式表达式，确定影响煤体导热系数变化因素，并对影响煤体导热系数变化因素进行调节记录煤体导热系数变化值，实现对不同环境下煤体导热变化的精确测量，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，能够准确地测出不同粒径的煤体的导热量，实现对不同环境下的不同粒径的煤体所进行的导热变化的精确测量，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的测定装置的结构示意图。
图2为本发明采用的测定装置的电路原理框图。
图3为本发明采用的测定方法的流程框图。
附图标记说明:
1—外紫铜球体； 2—内紫铜球体； 3—支撑杆；
4—煤体； 5—绝热球盖； 6-1—第一热电偶；
6-2—第二热电偶； 6-3—第三热电偶； 6-4—第四热电偶；
7—球体加热器； 8—水浴球套； 9—进气输气管；
10—出气输气管； 11—储气瓶； 12—气体收集瓶；
13—第一温度变送器； 14—第二温度变送器； 15—储水箱；
16—出水管； 17—进水管； 18—工控机；
19—螺旋加热器； 20—温度传感器； 21—触摸屏。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明所述的煤体导热系数测定装置，包括用于盛放煤体4的导热机构、用于测量煤体4导热的测温机构、为煤体4提供矿井气体环境的输气机构以及包裹在所述导热机构外用于冷却所述导热机构的水浴机构，所述导热机构包括同心布设且均为中空结构的外紫铜球体1和内紫铜球体2，内紫铜球体2内部中心位置处设置有球体加热器7，所述测温机构包括用于测量外紫铜球体1温度的第一热电偶6-1和第二热电偶6-2、用于测量内紫铜球体2温度的第三热电偶6-3和第四热电偶6-4、用于处理第一热电偶6-1和第二热电偶6-2测量数据的第一温度变送器13以及用于处理第三热电偶6-3和第四热电偶6-4测量数据的第二温度变送器14，所述水浴机构包括套设在外紫铜球体1外的水浴球套8和为水浴球套8恒温循环供水的储水箱15，储水箱15内设置有用于调节水温的螺旋加热器19和用于实时检测水温的温度传感器20，所述输气机构包括储气瓶11和气体收集瓶12，以及分别设置在外紫铜球体1两侧且均穿过水浴球套8与外紫铜球体1连通的进气输气管9和出气输气管10，球体加热器7和螺旋加热器19均由工控机18控制，工控机18上设置有用于调节球体加热器7和螺旋加热器19工作功率的触摸屏21，第一温度变送器13、第二温度变送器14和温度传感器20的信号输出端均与工控机18的输入端相接。
需要说明的是，导热机构中外紫铜球体1和内紫铜球体2同心布设且均为中空结构的目的是为煤体的盛放设置一个中心对称结构，将煤样盛放在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内，球体加热器7设置在内紫铜球体2内部中心位置处，球体加热器7可以通过球体结构均匀热辐射来进行导热，且紫铜具有传热效率高的性能；测温机构中通过采用第一热电偶6-1和第二热电偶6-2测量外紫铜球体1的温度的目的是获取外紫铜球体1的多个温度测量值，保证外紫铜球体1的温度测量的准确性，避免温度的不均衡导致的温度测量误差大，实际使用中采用第一热电偶6-1和第二热电偶6-2的测量均值表示外紫铜球体1的温度，同样的测温机构中通过采用第三热电偶6-3和第四热电偶6-4测量内紫铜球体2的温度的目的是获取内紫铜球体2的多个温度测量值，保证内紫铜球体2的温度测量的准确性，实际使用中采用第三热电偶6-3和第四热电偶6-4的测量均值表示内紫铜球体2的温度，同时为第一热电偶6-1和第二热电偶6-2配备一个温度变送器处理采集的温度值，为第三热电偶6-3和第四热电偶6-4另外配备一个温度变送器处理采集的温度值，温度数据处理可靠稳定；水浴机构中水浴球套8套设在外紫铜球体1外一是为了防护外紫铜球体1，避免实验过程中外紫铜球体1烫伤实验人员；二是为了预热穿过水浴球套8与外紫铜球体1连通的进气输气管9输入至外紫铜球体1内的混合气体，同时冷却穿过水浴球套8与外紫铜球体1连通的出气输气管10输出的混合气体，避免输出温度过高的气体伤及实验人员；三是为了在实验结束时快速的冷却外紫铜球体1，节省实验时间，提供实验效率。
本实施例中，所述外紫铜球体1和内紫铜球体2之间通过多个支撑杆3连接，外紫铜球体1的顶端设置有绝热球盖5，所述煤体4盛放在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内。
需要说明的是，外紫铜球体1和内紫铜球体2之间通过多个支撑杆3连接保持外紫铜球体1和内紫铜球体2的相对位置稳定，支撑杆3呈对称结构安装在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间且支撑杆3的安装不影响煤体4的盛放。
本实施例中，所述第一热电偶6-1设置在外紫铜球体1内表面顶端，第二热电偶6-2设置在外紫铜球体1内表面底端，第三热电偶6-3设置在内紫铜球体2外表面顶端，第四热电偶6-4设置在内紫铜球体2外表面底端。
需要说明的是，煤体4盛放在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内，由于煤体4自重，煤样在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内会呈现底部密实，顶部松弛，因此导致煤样导热不均匀，第一热电偶6-1设置在外紫铜球体1内表面顶端采集顶部松弛煤样对外紫铜球体1内表面的热传导，第二热电偶6-2设置在外紫铜球体1内表面底端采集底部密实煤样对外紫铜球体1内表面的热传导，同样第三热电偶6-3设置在内紫铜球体2外表面顶端采集球体加热器7对内紫铜球体2外表面顶端的热传导，第四热电偶6-4设置在内紫铜球体2外表面底端采集球体加热器7对内紫铜球体2外表面底端的热传导，实际使用中采用均值处理获取外紫铜球体1和内紫铜球体2的温度。
本实施例中，所述储水箱15通过进水管17与水浴球套8的进水端连通，储水箱15通过出水管16与水浴球套8的出水端连通。
本实施例中，所述储水箱15内设置有与进水管17连接的水泵，所述水泵由工控机18控制。
本实施例中，所述外紫铜球体1上开设有与进气输气管9配合的进气孔和与出气输气管10配合的出气孔，所述进气孔和所述出气孔均为圆孔，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体1的球心。
需要说明的是，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体1的球心的目的是保证进气输气管9向外紫铜球体1内输送的气体对称的沿外紫铜球体1圆周方向流通，确保出气输气管10端来自各个方向气体的出气温度温差最小，进而实现外紫铜球体1上和内紫铜球体2上的温度变化稳定可靠，避免气体流通导致外紫铜球体1和内紫铜球体2的温度变化误差大，可以均匀的导热使温度分布呈现稳态，测出的导热系数精确度和准确率高。
本实施例中，所述储气瓶11内存放有模拟实际矿井环境中气体的混合气体，储气瓶11为防爆气瓶。
如图3所示的一种煤体导热系数测定的方法，包括以下步骤：
步骤一、气体填充：预先在储气瓶11内存放充足的模拟实际矿井环境中气体的混合气体，将混合气体通过进气输气管9填充在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内，直至混合气体充满整个空腔；
需要说明的是，在外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内充满混合气体，为煤样的导热提供一个实际的模拟环境，与实际更为相符，进而使实验数据具有指导实际的意义。
步骤二、煤样填充：在常温空气中对煤块进行破碎，筛出粒度在100目～200目之间的煤样，打开绝热球盖5将制作的煤样装入外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内，再通过绝热球盖5密封外紫铜球体1；
步骤三、注水防护：给储水箱15中注入常温下的纯净水，所述储水箱15内设置有与进水管17连接的水泵，工控机18控制所述水泵开启为水浴球套8注水对外紫铜球体1进行防护；
需要说明的是，由于煤样填充均为常温状态下，避免水浴球套8为煤样供热，导致煤样导热存在干扰，因此，给储水箱15中注入常温下的纯净水，同时常温的纯净水不会危及人体安全。
步骤四、设定球体加热器工作功率并启动球体加热器工作：采用触摸屏21设定球体加热器7工作功率Q，通过工控机18启动球体加热器7工作；
步骤五、获取内紫铜球体外表面温度和外紫铜球体内表面温度：将第一热电偶6-1设置在外紫铜球体1内表面顶端并采集外紫铜球体1内表面顶端温度T1，将第二热电偶6-2设置在外紫铜球体1内表面底端并采集外紫铜球体1内表面底端温度T2，取外紫铜球体1内表面顶端温和底端温度的平均值作为外紫铜球体1的内表面温度t2，即
Figure BDA0001402175880000101
将第三热电偶6-3设置在内紫铜球体2外表面顶端并采集内紫铜球体2外表面顶端温度T3，将第四热电偶6-4设置在内紫铜球体2外表面底端并采集内紫铜球体2外表面底端温度T4，取内紫铜球体2外表面顶端温度和底端温度的平均值作为内紫铜球体2的外表面温度t1，即
Figure BDA0001402175880000102
步骤六、测定煤体导热系数：根据傅里叶导热定律
Figure BDA0001402175880000103
计算得到煤体导热系数/>
Figure BDA0001402175880000104
其中，F为煤体散热辐射面积且F＝4πr2，r为煤体散热辐射半径且r∈(r1,r2)，r1为内紫铜球体2的半径，r2为外紫铜球体1的半径，/>
Figure BDA0001402175880000105
为煤体沿煤体散热辐射半径r方向的温度变化率，t为煤体散热温度且t∈(t2,t1)，d1为内紫铜球体2的直径且d1＝2r1，d2为外紫铜球体1的直径且d2＝2r2，/>
Figure BDA0001402175880000106
步骤七、加热储水箱中纯净水：工控机18控制螺旋加热器19工作加热储水箱15中纯净水，采用温度传感器20采集储水箱15中纯净水的温度t3，其中，t3<t2；
本实施例中，
Figure BDA0001402175880000111
需要说明的是，水浴球套8套设在外紫铜球体1外有预热穿过水浴球套8与外紫铜球体1连通的进气输气管9输入至外紫铜球体1内的混合气体，同时冷却穿过水浴球套8与外紫铜球体1连通的出气输气管10输出的混合气体，避免输出温度过高的气体伤及实验人员的功能，因此在球体加热器7工作实验过程中，装入外紫铜球体1和内紫铜球体2之间的空腔内的煤样温度升高，若此时通入常温的模拟实际矿井环境中气体的混合气体，会给实验测量引入误差，因此，加热储水箱15中纯净水预热穿过水浴球套8与外紫铜球体1连通的进气输气管9输入至外紫铜球体1内的混合气体；同时，储水箱15中纯净水的温度t3不能超过外紫铜球体1的内表面温度t2，若储水箱15中纯净水的温度t3超过外紫铜球体1的内表面温度t2，则不能起到冷却出气输气管10输出的混合气体的作用，因此优选的
Figure BDA0001402175880000112
步骤八、确定煤体导热系数变化因素并记录煤体导热系数变化值，过程如下：
步骤801、采用触摸屏21调节球体加热器7工作功率Q值，重新获取内紫铜球体2外表面温度值和外紫铜球体1内表面温度值，工控机18根据公式
Figure BDA0001402175880000113
计算并记录煤体导热系数λ随球体加热器7工作功率Q变化的变化值；
步骤802、打开储气瓶11，将混合气体通过进气输气管9，进气输气管9穿过水浴球套8通入外紫铜球体1内，混合气体在空腔内流通后通过出气输气管10再穿过水浴球套8冷却流出，采用气体收集瓶12收集出气输气管10流出的冷却气体，重新获取内紫铜球体2外表面温度值和外紫铜球体1内表面温度值，工控机18根据公式
Figure BDA0001402175880000114
计算并记录煤体导热系数λ随混合气体对流的变化值；
需要说明的是，将混合气体通入外紫铜球体1内，实现气体对流的目的是模拟不同矿井孔隙率和井下气体环境，测得的数据更符合不同类型的矿井下煤体导热系数。
本实施例中，所述外紫铜球体1上开设有与进气输气管9配合的进气孔和与出气输气管10配合的出气孔，所述进气孔和所述出气孔均为圆孔，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体1的球心。
步骤九、冷却外紫铜球体：待煤体导热系数测定完毕后，工控机18控制所述水泵持续为水浴球套8供水，水流通过进水管17进入水浴球套8再通过出水管16被排出，采用水循环的方式冷却外紫铜球体1。
本发明使用安全可靠，可重复利用，对流气体实行回收，进而实现零排放，也为下次实验积攒了新的模拟混合气体，煤体导热系数测定实验完毕后采用水浴球套8快速的带走外紫铜球体1的温度，冷却外紫铜球体1较自然散热快速且安全，使用效果好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.煤体导热系数测定装置，其特征在于：包括用于盛放煤体(4)的导热机构、用于测量煤体(4)导热的测温机构、为煤体(4)提供矿井气体环境的输气机构以及包裹在所述导热机构外用于冷却所述导热机构的水浴机构，所述导热机构包括同心布设且均为中空结构的外紫铜球体(1)和内紫铜球体(2)，内紫铜球体(2)内部中心位置处设置有球体加热器(7)，所述测温机构包括用于测量外紫铜球体(1)温度的第一热电偶(6-1)和第二热电偶(6-2)、用于测量内紫铜球体(2)温度的第三热电偶(6-3)和第四热电偶(6-4)、用于处理第一热电偶(6-1)和第二热电偶(6-2)测量数据的第一温度变送器(13)以及用于处理第三热电偶(6-3)和第四热电偶(6-4)测量数据的第二温度变送器(14)，所述水浴机构包括套设在外紫铜球体(1)外的水浴球套(8)和为水浴球套(8)恒温循环供水的储水箱(15)，储水箱(15)内设置有用于调节水温的螺旋加热器(19)和用于实时检测水温的温度传感器(20)，所述输气机构包括储气瓶(11)和气体收集瓶(12)，以及分别设置在外紫铜球体(1)两侧且均穿过水浴球套(8)与外紫铜球体(1)连通的进气输气管(9)和出气输气管(10)，球体加热器(7)和螺旋加热器(19)均由工控机(18)控制，工控机(18)上设置有用于调节球体加热器(7)和螺旋加热器(19)工作功率的触摸屏(21)，第一温度变送器(13)、第二温度变送器(14)和温度传感器(20)的信号输出端均与工控机(18)的输入端相接；
所述外紫铜球体(1)和内紫铜球体(2)之间通过多个支撑杆(3)连接，外紫铜球体(1)的顶端设置有绝热球盖(5)，所述煤体(4)盛放在外紫铜球体(1)和内紫铜球体(2)之间的空腔内；
所述第一热电偶(6-1)设置在外紫铜球体(1)内表面顶端，第二热电偶(6-2)设置在外紫铜球体(1)内表面底端，第三热电偶(6-3)设置在内紫铜球体(2)外表面顶端，第四热电偶(6-4)设置在内紫铜球体(2)外表面底端。
2.按照权利要求1所述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述储水箱(15)通过进水管(17)与水浴球套(8)的进水端连通，储水箱(15)通过出水管(16)与水浴球套(8)的出水端连通。
3.按照权利要求2所述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述储水箱(15)内设置有与进水管(17)连接的水泵，所述水泵由工控机(18)控制。
4.按照权利要求1所述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述外紫铜球体(1)上开设有与进气输气管(9)配合的进气孔和与出气输气管(10)配合的出气孔，所述进气孔和所述出气孔均为圆孔，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体(1)的球心。
5.按照权利要求1所述的煤体导热系数测定装置，其特征在于：所述储气瓶(11)内存放有模拟实际矿井环境中气体的混合气体，储气瓶(11)为防爆气瓶。
6.一种利用如权利要求1所述装置进行煤体导热系数测定的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一、气体填充：预先在储气瓶(11)内存放充足的模拟实际矿井环境中气体的混合气体，将混合气体通过进气输气管(9)填充在外紫铜球体(1)和内紫铜球体(2)之间的空腔内，直至混合气体充满整个空腔；
步骤二、煤样填充：在常温空气中对煤块进行破碎，筛出粒度在100目～200目之间的煤样，打开绝热球盖(5)将制作的煤样装入外紫铜球体(1)和内紫铜球体(2)之间的空腔内，再通过绝热球盖(5)密封外紫铜球体(1)；
步骤三、注水防护：给储水箱(15)中注入常温下的纯净水，所述储水箱(15)内设置有与进水管(17)连接的水泵，工控机(18)控制所述水泵开启为水浴球套(8)注水对外紫铜球体(1)进行防护；
步骤四、设定球体加热器工作功率并启动球体加热器工作：采用触摸屏(21)设定球体加热器(7)工作功率Q，通过工控机(18)启动球体加热器(7)工作；
步骤五、获取内紫铜球体外表面温度和外紫铜球体内表面温度：将第一热电偶(6-1)设置在外紫铜球体(1)内表面顶端并采集外紫铜球体(1)内表面顶端温度T1，将第二热电偶(6-2)设置在外紫铜球体(1)内表面底端并采集外紫铜球体(1)内表面底端温度T2，取外紫铜球体(1)内表面顶端温和底端温度的平均值作为外紫铜球体(1)的内表面温度t2，即
Figure FDA0004025039110000031
将第三热电偶(6-3)设置在内紫铜球体(2)外表面顶端并采集内紫铜球体(2)外表面顶端温度T3，将第四热电偶(6-4)设置在内紫铜球体(2)外表面底端并采集内紫铜球体(2)外表面底端温度T4，取内紫铜球体(2)外表面顶端温度和底端温度的平均值作为内紫铜球体(2)的外表面温度t1，即/>
Figure FDA0004025039110000032
步骤六、测定煤体导热系数：根据傅里叶导热定律
Figure FDA0004025039110000033
计算得到煤体导热系数
Figure FDA0004025039110000034
其中，F为煤体散热辐射面积且F＝4πr2，r为煤体散热辐射半径且r∈(r1,r2)，r1为内紫铜球体(2)的半径，r2为外紫铜球体(1)的半径，/>
Figure FDA0004025039110000035
为煤体沿煤体散热辐射半径r方向的温度变化率，t为煤体散热温度且t∈(t2,t1)，d1为内紫铜球体(2)的直径且d1＝2r1，d2为外紫铜球体(1)的直径且d2＝2r2，/>
Figure FDA0004025039110000036
步骤七、加热储水箱中纯净水：工控机(18)控制螺旋加热器(19)工作加热储水箱(15)中纯净水，采用温度传感器(20)采集储水箱(15)中纯净水的温度t3，其中，t3＜t2；
步骤八、确定煤体导热系数变化因素并记录煤体导热系数变化值，过程如下：
步骤801、采用触摸屏(21)调节球体加热器(7)工作功率Q值，重新获取内紫铜球体(2)外表面温度值和外紫铜球体(1)内表面温度值，工控机(18)根据公式
Figure FDA0004025039110000041
计算并记录煤体导热系数λ随球体加热器(7)工作功率Q变化的变化值；
步骤802、打开储气瓶(11)，将混合气体通过进气输气管(9)，进气输气管(9)穿过水浴球套(8)通入外紫铜球体(1)内，混合气体在空腔内流通后通过出气输气管(10)再穿过水浴球套(8)冷却流出，采用气体收集瓶(12)收集出气输气管(10)流出的冷却气体，重新获取内紫铜球体(2)外表面温度值和外紫铜球体(1)内表面温度值，工控机(18)根据公式
Figure FDA0004025039110000042
计算并记录煤体导热系数λ随混合气体对流的变化值；
步骤九、冷却外紫铜球体：待煤体导热系数测定完毕后，工控机(18)控制所述水泵持续为水浴球套(8)供水，水流通过进水管(17)进入水浴球套(8)再通过出水管(16)被排出，采用水循环的方式冷却外紫铜球体(1)。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：所述外紫铜球体(1)上开设有与进气输气管(9)配合的进气孔和与出气输气管(10)配合的出气孔，所述进气孔和所述出气孔均为圆孔，所述进气孔的圆心和所述出气孔的圆心连线经过外紫铜球体(1)的球心。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤七中，
Figure FDA0004025039110000043
/>
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