Вплив тепло- і масообміну під час транспортування азоту в вугільних пористих середовищах на вугільній шахті
1 Школа техніки безпеки, Китайський гірничо-технологічний університет (CUMT), Сюйчжоу 221116, Китай
2 Ключова лабораторія управління газом та пожежею на вугільних шахтах, CUMT, Сюйчжоу 221116, Китай
3 Національний інженерний дослідницький центр з контролю вугілля та газу, CUMT, Сючжоу 221116, Китай
Анотація
Застосування ін’єкції рідкого азоту є важливою методикою у галузі запобігання пожежам шахт. Однак механізм тепло- і масопереносу кріогенного азоту в пористому середовищі гоп недоступний. Отже, впровадження протипожежної техніки рідкого азоту грубо спиралося на емпіричний погляд. Відповідно до дослідницького розриву в цьому відношенні було запропоновано експериментальне дослідження тепло- і масообміну рідкого азоту у вугільних пористих середовищах. Загалом, основним механізмом технології запобігання пожежі рідким азотом у вугільній шахті є створення інертної та кріогенної атмосфери. Кріогенна хмара парів азотного газу, важча за повітря, спричинить явище „осідання сили тяжіння” в пористих середовищах. Кріоген може застосовуватися для різних видів пожеж як у отворах, так і в огородженнях. Впровадження технології відкритого впорскування рідкого азоту в шахті Янчангван досягло цілей протипожежної охорони та охолодження повітря. Тим часом, це дослідження може також надати важливе посилання на дослідження теплопереносу в пористих середовищах у галузі теплової фізики та техніки.
1. Вступ
Рідкий азот, безпечний, високоефективний, чистий, легкодоступний і низькотемпературний холодоагент, зараз широко використовується в біології, лікуванні, тваринництві, харчовій, металургійній, електронічній, аерокосмічній та кріогенній промисловості та інших галузях. Рідкий азот виконує подвійну роль охолодження та інертування; (i) теплопоглинання випаровування може зробити паливо горючим падінням нижче температури займання, і (ii) кріогенний азот після розпарювання випаровуванням може значно зменшити вміст кисню в атмосфері. Тому рідкий азот є високоефективним засобом пожежогасіння. Попередні дослідження показали, що рідкий азот може швидко та ефективно загасити натрієвий вогонь [1], при якому вогнегасники та вуглекислотні агенти не досягають ефекту. Рідкий азот також може використовуватися для гасіння ізопропанолу [2], етанолу, пропанолу та дизеля [3] та інших пожеж у нафтових басейнах, а також для загоряння пожеж [4], тим самим уникаючи пошкодження майна, спричиненого вогнегасним агентом.
Зіткнувшись із такою складною проблемою, на щастя, застосування ін’єкції рідкого азоту було підтверджено як ефективна техніка у галузі запобігання пожежам шахт і досягло досить хороших результатів у запобіганні самопідгорянню вугільних шахт у надповерхневих відходах [8–10] . Однак механізм тепло- і масообміну кріогенного азоту в складних середовищах пористого середовища кози не має достатнього доступу. Отже, впровадження протипожежної техніки та проектування рідкого азоту грубо спиралися на емпіричний погляд. Згідно з дослідницьким розривом у цьому відношенні було запропоновано експериментальне дослідження тепло- і масообміну рідкого азоту в пухкому вугільному тілі, щоб розкрити закон протипожежної дії криогенного азоту та надати вказівки щодо впровадження запобігання пожежі рідким азотом технологія пожежогасіння та інженерія при випробуваннях in situ. Тим часом це дослідження може також надати важливе посилання на дослідження тепло- і масообміну в пористих середовищах у галузі теплової фізики та техніки.
2. Експериментальна установка
Експериментальна платформа (як показано на малюнку 1) в основному складалася з контейнера для рідкого азоту, що знаходиться під тиском, кріогенного шланга, системи пухкого вугільного тіла, системи збору температури, системи збору концентрації кисню та комп’ютера. Серед них ефективний об’єм контейнера для рідкого азоту, що знаходиться під тиском, становив 100 л, стандартний робочий тиск - 0,1 МПа, а добова швидкість випаровування - менше 1,3%. Діапазони вимірювань витратоміра становили від 0 до 5,0 л/хв з точністю до ± 0,1 л/хв. Середня температура всередині витратоміра коливалась від -200 ° C до + 80 ° C. Діаметр кріогенного шланга рідкого азоту становив 25 мм. Середня температура всередині кріогенного шланга може коливатися від -196 ° C до + 200 ° C.
Розсипчаста система вугільного корпусу включала стійкий до низьких температур оргскло, відпущене вугілля та п’єдестал. Тінь являв собою куб довжиною сторони 1000 мм, круглий отвір, що знаходився безпосередньо над ним, мав діаметр 300 мм, а чотири круглі отвори навколо стіни мали розмір 20 мм. Регулярність тепло- і масообміну рідкого азоту в пористих середовищах була отримана в залежності від моделювання розкриття тіні з оргскла, стійкого до низьких температур. При імітації відкритого перфузійного рідкого азоту були відкриті всі отвори покривного тіла над і навколо. Навпаки, всі отвори були закриті в умовах закритого перфузійного рідкого азоту. Сипуче середовище для тіла було обрано для вугілля, свого роду мікропористого середовища, яке також було своєрідним накопичувачем пористих середовищ з макрорівню. Результати промислового аналізу зразка вугілля наведені в таблиці 1.
Вибравши середній розмір частинок вугілля від 5 до 10 мм, від 10 до 15 мм і від 15 до 20 мм в ситі, три групи вугільних частинок, звалених на висоту 400 мм, вугілля розсипаються. Сипуче вугілля розташовувалося в тіні з оргскла. Параметр Voidage, який позначений як
був використаний для характеристики трьох груп накопичувального тіла вільним, наступним чином:
де - видимий об’єм ворсу. - об’єм однієї частинки вугілля.
- космічний фактор, значення якого в цьому експерименті дорівнює 0,4. Кріогенний шланг, перпендикулярний цій площині, був розміщений у вугільному пухкому тілі горизонтально. Випуск шланга був з'єднаний з екранами для рівномірного вивільнення рідкого азоту в бічній частині. Двовимірна система координат була створена для опису всіх вимірювальних точок з портом впорскування азоту як початком координат. Координати всіх вимірювальних точок по порядку були 1 # (0, −80), 2 # (0, 0), 3 # (80, 0), 4 # (0, 160), 5 # (0, −160), і 6 # (160, 0). Експеримент проводили при кімнатній температурі 10 ° С, а концентрація кисню в атмосфері становила 20,95%. Потік рідкого азоту контролювали приблизно на рівні 1,0 л/хв. Експериментальна схема показана в табл. 2. На основі експериментального методу двовимірного моделювання перехідних процесів у цій роботі виявлено закономірність тепло- і масообміну рідкого азоту в вугільному пухкому пористому середовищі.