世纪中文出版社

煤炭是我国储藏量十分丰富的资源,也是我国重要的基础能源和工业原料，广泛应用在冶金、化工、火力发电等行业，由于我国煤炭具有地区分布不均的特点，煤炭资源往往需要长距离的火车运输。我国北方地区每年冬季气温下降到0℃以下，每日最低温度在-10℃左右，遇有降雪、寒潮等天气，气温将下降至-20℃以下，煤炭在长时间的运输过程中经常会出现冻粘现象形成冻煤，严重时整车冻结，使得卸车作业十分困难，耗费大量人力、物力（如图１所示）。目前除了采用在运煤车厢内喷洒防冻液外，国内外对于铁路货运冻煤问题并没有很好的应对措施。自卸式煤炭漏斗车由于车辆端部及底部漏斗区域为倾斜结构无汇水功能，喷洒的防冻液挂壁效果不佳。同时，受瞬时落煤急速冲击，将原已脆弱的防冻液覆盖层再次冲散，上述区域成为无防冻功能的空白区，极易整体冻粘煤炭。因此，研究煤炭漏斗车防冻技术迫在眉睫。随着轴端发电技术的发展，在车厢增加电加热设备成为可能，本文通过理论分析得出煤炭漏斗车局部热流量对电加热功率设计具有一定指导意义。

图1 漏斗车冻煤及卸车情况

传热的三种基本方式及传热模型

热量传递的三种基本方式包括热传导、热对流、热辐射。它们可以同时存在，但更多的是以复合换热方式出现。物体各部分之间不发生相对位移或不同物体直接接触时依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递称为热传导。温度不同的各部分流体之间发生宏观相对运动而引起的热量传递过程称为热对流。物体通过电磁波来传递能量的过程称为辐射。物体会因各种原因发射辐射能，其中因热的原因而发射辐射能的过程称为热辐射。当壁面与外界既有对流又有辐射换热时，为方便分析，当辐射换热不是主要因素时，一般把辐射换热折算成对流换热，相应加大对流换热系数来考虑辐射的影响^[1]。

在换热系统中，通常来说，空间各点的温度不一定相同，而同一点的温度在不同的时间也不一定相同，为了描述这种情况，产生了温度场的概念。所谓温度场，是指各时刻换热系统中空间各点的温度分布，温度场是坐标和时间的函数。当物体各点的温度不随时间变化时，称为稳态温度场；当物体各点的温度随时间变化时，称为非稳态温度场。在稳态温度场中，若温度分布只与一个坐标有关，则称为一维稳态温度场；与两个坐标有关，则称为二维稳态温度场；与三个坐标有关，则称为三维稳态温度场。在非稳态温度场，同样存在一维非稳态温度场、二维非稳态温度场、三维非稳态温度场^[1]。

稳态传热过程中，系统各部分的热流量相同，即传入热流量与传出热流量大小相同。本次热流量分析的目的即是根据煤炭漏斗车局部稳态传热过程中的热流量确定伴热带的总功率。

煤炭漏斗车局部传热过程分析及理论分析过程中的假设

漏斗车在装运煤炭过程中的传热主要包括热传导、热对流，是非稳态传热过程。装车前，煤堆温度一般为室温（20℃左右）远高于外部环境温度（-20℃左右）；装车后，煤堆与外部环境产生热对流，煤堆与车厢之间进行热传导，根据毕渥准则，当毕渥数为有限大小时，煤堆与车厢、外部环境的换热是由表及里地逐渐传播到煤堆内部的；经过若干时间后（理论上经过无限长时间），煤堆内各处的温度趋于一致，并且与环境温度一致，此时达到新的热平衡。因此，煤堆的冻结也是由表及里逐渐冻实的。

由于煤炭漏斗车车厢为敞口结构，难以保持车厢内温度，通过加热保证车厢内煤炭完全不冻结难度非常大，但是可以缓解煤炭冻粘车厢内壁，解决煤炭漏斗车卸货难题。因此，欲在煤炭漏斗车车厢外部部分区域设置伴热带，并在覆保温隔热层，通过伴热带加热使紧挨车厢内壁的一层煤炭保持一定温度不产生冻粘。

非稳态传热计算相当复杂繁琐，煤炭漏斗车运煤过程中的传热问题是三维非稳态导热问题，不可能通过理论分析解决问题，为计算所需伴热带功率，把漏斗车车厢局部结构的传热过程作如下处理：

煤炭漏斗车重车运行过程中，车速、环境温度、车厢内温度保持不变，这样可将非稳态传热转化为稳态传热；

从传热学角度分析，端墙、漏斗结构的长、宽远大于其厚度，且为多层复合结构，故将其简化为一维多层平壁传热分析；

经调研，由于车体垂向、横向、纵向振动及重力作用，紧挨车厢内壁有一层25mm左右厚度的煤泥( 煤粒度小、含水率高），煤泥层空隙率较小，空气含量少，可忽略热对流；

保温层、车体、煤泥层各层壁紧密接触，不考虑接触热阻；

加热区域端面向其连接部位传导热量较小，可忽略不计；

计算方法

根据传热学理论可知，设有伴热带的煤炭漏斗车端墙、漏斗等部分传热过程可简化为有内热源多层平壁一维稳态传热过程。端墙、漏斗多层平壁简化如图2所示。第一层平壁为保温材料，厚度，导热系数`，对流换热系数为。第二层平壁为车体钢结构，厚度，导热系数。第三层平壁为煤泥层，厚度，导热系数。保温层外部温度等于环境温度，保温层内部温度等于伴热带的保持温度，温度；传热面积为F。安全系数取1.3。根据多层平壁传热理论可列出以下公式：

伴热带向车体外部的热流量　

(2)

伴热带向车体内部的热流量

（3）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　伴热带总热流量

(4)

由于第二层平壁车体钢结构的导热系数大、厚度小，热传导热阻非常小,可忽略不计。因此，公式（3）简化为

（5）

实际上，漏斗车端墙、漏斗等部位并非简单的平壁结构，而是带有槽型加强筋的板主式结构（图3）。槽型加强梁与平壁形成封闭结构，伴热带加热一段时间后此封闭空间内空气温度即达到稳定，可不考虑其对流传热问题；加强梁处保温层厚度不易保证，热流量虽有增大，但对最终计算结果影响较小，可暂不考虑。由于热流量的差别，此处会产生热桥效应，设计时应注意加强筋的布置及截面型式。