密闭空间内传热的研究

密闭空间内传热的研究
【摘要】以矿用救生舱为模型研究了非常规密闭空间的传热性能，模型简化
为稳定平壁传热，对其进行简化计算。建立了高温实验房，采用实验的方法测定
救生舱的传热系数，所得的传热系数与理论计算的传热系数进行修正。以此为依
据对密闭空间内的传热提供理论设计依据，并为密闭空间内降温除湿系统提供设
计依据。

【关键词】模型；密闭空间；传热系数；修正系数
引言
我国是资源大国，有着丰富的煤矿资源，同时我国是煤矿安全事故频发的国
家。煤矿事故的发生严重威胁煤矿工人的生命安全，也会造成一定的经济损失。
2010年智利矿难中避难设施的成功应用，促进了我国井下避险系统的建设[1-3]。
煤矿井下瓦斯爆炸通常属于爆燃现象，产生的高温高压气流所造成的危害很大
[4]。因此研究避险设施的传热性能，对整个避险设施的设计具有十分重要的意
义。

1.救生舱传热特点
1.1 救生舱隔热结构
救生舱为钢结构舱体，内部加强筋结构，外加槽钢加强筋，保温采用尼龙
66做龙骨，填充聚氨酯发泡保温材料，内层敷设不锈钢板装饰。在保温层中的
尼龙66，一方面能增大舱壁结构强度，另一方面能减少舱壁内部的金属热桥，
各层材料的参数为：钢板厚一般为6～8mm，隔热材料一般为40～100mm，不
锈钢板一般为0.5～4mm。外部槽钢加强筋及其他部件在传热计算时忽略。

1-不锈钢板；2-保温层；3-钢板；4-加强筋及其他附属结构
1.2 救生舱传热特点
救生舱内外为2层金属板，中间填充隔热材料，构成多层混合平壁结构。整
个传热过程中可分为三个阶段。首先，救生舱外气体通过导热对流和热辐射将热
量传递至舱体的外侧表面，此换热环节包括对流换热和辐射换热两种过程，再次，
热量由舱外侧表面传导到内侧表面为导热过程，最后，热量由舱壁的内表面传给
救生舱内部大气，包含对流换热和辐射换热过程。由于救生舱舱体结构的复杂性，
其传热过程具有以下显著特点：（1）自身反射及蓄热对传热过程的影响存在不可
预见性，会造成传热过程更加复杂。（2）舱内人员和设备多，释放热量值不稳定，
难以通过计算准确了解救援状态下的舱内热环境。（3）舱体结构复杂，不同部位
传热系统差异较大，且存在一定的冷热桥[5]。由于救生舱的传热具有以上的特
点，使得精确的计算较为困难。
2.理论简化模型及计算方法
传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1℃，通
过1m2面积传递的热量，单位是W/m2.K。考虑到舱壁局部结构（舱体单元连接
处门框观察窗及舱体连接等位置所用材料的多样性、保温层厚度等），使传热更
加不稳定，传热计算更为复杂。因此在理论计算时，我们对其进行模型简化，首
先忽略图1所示的加强筋及其他附属结构（序号4），其次我们忽略舱体各个材
料层的厚度不均，将其视为同等厚度材料。由于舱体材料导热系数是各向同性的，
因此简化后的模型可以根据稳定平壁传热公式对其进行简化计算。救生舱传热系
数K，可根据下列传热公式进行计算：

3.实验验证
3.1 实验装置
3.1.1 一台密闭矿用救生舱。外舱壁材料为Q235钢，内舱壁为不锈钢板，
夹层之间填充隔热材料。

3.1.2 一间恒温实验房。温度控制范围（20～80）℃，误差±1℃，可任意调
节控制，内有加热、温控、风扇等。

3.1.3 十支温度传感器。根据使用的实际情况，选择Pt100铂电阻，温度的
测量范围为（-50～300）℃，误差等级为B级，输出标准电阻信号，考虑试验间
内的温度非常高，输出信号电缆线采用耐高温导线引出。

3.1.4 一台温度巡检仪。在实验中，实现温度数据采集和上传功能，铂电阻
温度传感器传输的电阻信号经温度巡检仪实时显示数据，并实时监控记录各测点
的温度值。

3.1.5 一台电加热器。用于对救生舱模拟加热，且加热功率在（500-5000）
W可调节。

3.2 实验方法
首先，按照如图2所示的温度测量原理图进行连接，实验中采用10个铂电
阻温度传感器，测量救生舱内外的环境温度，救生舱内4个，舱外6个，A-D四
个舱内温度测量点均遵循距离左右舱壁300mm左右。①-⑥六个温度测量点距离
舱壁300mm，且各点之间均布。加热器至于密闭空间内中心位置，并将功率调
节旋钮接至舱外。连接完成后，检查整个线路的数据传输的稳定性及准确性。待
温度系统调试好后，将救生舱气密门关闭，置救生舱于温度稳定的恒温试验房内。
再次，将救生舱内的电加热器恒定至加热功率，并根据多路巡检仪显示的数据对
所测的十个点进行记录。
4.实验数据及处理
4.1记录数据，得到温度随时间的变化曲线图
实验开始后，随着救生舱内加热器释放热量，舱内温度逐渐升高，舱内外温
度梯度逐渐增大，开始出现传热过程，舱外的温度也逐渐升高。由于加热器功率
和救生舱传热系数为固定值，加热器产热和舱体散热达到平衡，舱内外温度也趋
于稳定。我们根据图3的曲线可以找出每个点位的温度平衡点。

4.2 总传热系数计算
加热实验的后期，舱内外温度基本稳定，计算该时间段内的总传热系数，即
舱内外平均温度梯度为ΔT℃时，救生舱整体的总传热系数。

式中：—平均总功率，W，A—舱体内表面积m2。
—舱内平衡平均温度，—舱外平衡平均温度。
4.3 传热修正系数的计算
综合公式（1）、（2）、（3）、（4）可以计算密闭空间的传热系数K计算，依
据公式：

即可计算出密闭空间整体传热系数的修正系数α。
5.结论
建立了一种高温实验装置，模拟稳定的高温环境，对救生舱隔热性能进行了
研究。救生舱隔热性能与其舱体结构及隔热层材料有密切关系，本文研究了理论
计算和实验测量两种方式，并对其进行研究。对密闭空间传热系数的修正系数进
行了计算，计算出的修正系数对以后的设计提供了依据。

参考文献
[1]韩文达，刘铁军，刘贵强，等.矿用救生舱的发展趋势研究[J].煤矿机械，
2011，32（10）：82-85.

[2]高广伟，张禄华.煤矿井下移动救生舱的设计思路[J].中国安全生产科学技
术，2009，5（4）：162-164.

[3]杨大明.煤矿井下紧急避险系统的建设与发展[J].煤炭科学技术，2010，38
（11）：75-81.

[4]段玉龙，王海燕，程彩霞，等.瓦斯爆炸火焰波热作用下巷道煤壁温度变
化规律的探讨与分析[J].煤矿安全，2010-09（101）.
[5]杨世铭，等.传热学[M].高等教育出版社，2006.