Impactul transferului de căldură și masă în timpul transportului de azot în mediul poros de cărbune asupra minei de cărbune
1 Școală de inginerie de siguranță, Universitatea din China a minelor și tehnologiei (CUMT), Xuzhou 221116, China
2 Laborator cheie pentru controlul gazelor și focului pentru minele de cărbune, CUMT, Xuzhou 221116, China
3 Centrul Național de Cercetare Inginerie pentru Controlul Cărbunelui și Gazelor, CUMT, Xuzhou 221116, China
Abstract
Aplicarea injecției de azot lichid este o tehnică importantă în domeniul prevenirii incendiilor din minele de cărbune. Cu toate acestea, mecanismul de transfer al căldurii și al masei azotului criogen în mediul poros goaf nu a fost bine accesat. Prin urmare, implementarea ingineriei de prevenire a incendiilor a azotului lichid s-a bazat aproximativ pe o viziune empirică. Potrivit decalajului de cercetare în acest sens, a fost propus un studiu experimental privind transferul de căldură și masă al azotului lichid în mediul poros de cărbune. În general, principalul mecanism al tehnologiei de prevenire a incendiilor cu azot lichid din mina de cărbune este crearea unei atmosfere inerte și criogene. Norul de vapori de azot criogenic, mai greu decât aerul, ar provoca fenomenul „decantării gravitației” în medii poroase în primul rând. Criogenul ar putea fi aplicabil diverselor tipuri de incendii, atât în deschideri, cât și în incinte. Implementarea tehnicii de injecție deschisă a azotului lichid în minaua Yangchangwan a atins obiectivele de prevenire a incendiilor și răcire cu aer. Între timp, acest studiu poate oferi, de asemenea, o referință esențială pentru cercetarea privind transferul de căldură și masă în medii poroase în domeniul fizicii și ingineriei termice.
1. Introducere
Azotul lichid, un agent frigorific sigur, extrem de eficient, curat, ușor de obținut și cu temperatură scăzută, a fost utilizat pe scară largă în biologie, tratament medical, zootehnie, alimente, metalurgie, electronică, industria aerospațială și criogenică și alte domenii. Azotul lichid are rolul dublu de răcire și inertizare; (i) absorbția de căldură a vaporizării poate face ca temperatura combustibilului să scadă sub temperatura de aprindere și (ii) azotul criogen după expansiunea vaporizării ar putea reduce semnificativ conținutul de oxigen din atmosferă. Prin urmare, azotul lichid este un agent de stingere a incendiilor extrem de eficient. Studiile anterioare au arătat că azotul lichid poate stinge rapid și eficient focul de sodiu [1], pentru care agenții de stingere a apei și a dioxidului de carbon nu reușesc să obțină efectul. Azotul lichid poate fi utilizat și pentru stingerea izopropanolului [2], etanolului, propanolului și motorinei [3] și a altor incendii din bazinul de petrol, precum și a incendiilor din clădiri [4], evitându-se astfel deteriorarea bunurilor cauzate de agentul de stingere a apei.
Confruntată cu o problemă atât de dificilă, din fericire, aplicarea injecției cu azot lichid a fost confirmată a fi o tehnică eficientă în domeniul prevenirii incendiilor din minele de cărbune și a obținut rezultate destul de bune în prevenirea arderii spontane a cărbunelui subteran al băncilor de deșeuri [8-10] . Cu toate acestea, mecanismul transferului de căldură și masă al azotului criogen în mediul complex al mediului poros goaf nu a fost bine accesat. Prin urmare, implementarea tehnologiei de prevenire a incendiilor și ingineria azotului lichid s-au bazat aproximativ pe o viziune empirică. Conform lacunelor de cercetare în acest sens, a fost propus un studiu experimental privind transferul de căldură și masă al azotului lichid în corpul de cărbune liber, pentru a dezvălui legea de prevenire a incendiilor a azotului criogen și a oferi îndrumări pentru implementarea prevenirii incendiilor cu azot lichid și tehnologie de stingere și inginerie în teste in situ. Între timp, acest studiu poate oferi, de asemenea, o referință importantă pentru cercetarea privind transferul de căldură și masă în medii poroase în domeniul fizicii și ingineriei termice.
2. Configurare experimentală
Platforma experimentală (așa cum se arată în Figura 1) a fost compusă în principal dintr-un recipient de azot lichid auto-presurizat, un furtun criogen, un sistem de corp de cărbune liber, un sistem de achiziție a temperaturii, un sistem de achiziție a concentrației de oxigen și un computer. Dintre acestea, volumul efectiv al recipientului de azot lichid auto-presurizat a fost de 100 L, presiunea de lucru standard a fost de 0,1 MPa, iar rata zilnică de evaporare a fost mai mică de 1,3%. Domeniile de măsurare ale debitmetrului au fost de la 0 la 5,0 L/min cu o precizie de ± 0,1 L/min. Temperatura medie din interiorul debitmetrului a variat de la -200 ° C la + 80 ° C. Diametrul furtunului criogenic cu azot lichid a fost de 25 mm. Temperatura medie din interiorul furtunului criogenic ar putea varia de la -196 ° C la + 200 ° C.
Sistemul de corp de cărbune în vrac a inclus o nuanță de plexiglas rezistent la temperaturi scăzute, cărbune în vrac și piedestal. Umbra era un cub cu o lungime laterală de 1000 mm, orificiul rotund care este chiar deasupra acestuia avea un diametru de 300 mm, iar cele patru deschideri rotunde din jurul peretelui erau de 20 mm. Regularitatea transferului de căldură și masă al azotului lichid în medii poroase a fost derivată în funcție de simularea deschiderii umbrei de plexiglas rezistente la temperaturi scăzute. La simularea azotului lichid de perfuzie deschis, toate deschiderile corpului de acoperire deasupra și în jurul acesteia au fost deschise. Dimpotrivă, toate orificiile au fost închise în condiții de perfuzie închisă azot lichid. Mediul corpului liber a fost selectat pentru cărbune, un fel de material microporos, care era, de asemenea, un fel de acumulare de mediu poros din macrolivel. Rezultatele analizei industriale ale probei de cărbune au fost prezentate în Tabelul 1.
Selectând o dimensiune medie a particulelor de cărbune între 5 mm și 10 mm, 10 mm până la 15 mm și 15 mm până la 20 mm într-o sită, trei grupuri de particule de cărbune îngrămădite în înălțimea de 400 mm cărbune liber. Cărbunele liber a fost poziționat în nuanța de plexiglas. Parametru de anulare care este marcat ca
a fost folosit pentru a caracteriza cele trei grupuri de corp de acumulare libere, după cum urmează:
unde este volumul aparent al grămezii. este volumul unei singure particule de cărbune.
este factorul spațial, a cărui valoare este 0,4 în acest experiment. Furtunul criogen perpendicular pe acest plan a fost plasat în corpul liber al cărbunelui pe orizontală. Ieșirea furtunului a fost conectată la ecrane în scopul eliberării de azot lichid uniformitate în lateral. Un sistem bidimensional de coordonate a fost creat pentru a descrie toate punctele de măsurare cu portul de injecție a azotului ca origine a coordonatelor. Coordonatele tuturor punctelor de măsurare în ordine au fost 1 # (0, −80), 2 # (0, 0), 3 # (80, 0), 4 # (0, 160), 5 # (0, −160), și 6 # (160, 0). Experimentul a fost realizat la temperatura camerei de 10 ° C, iar concentrația de oxigen a fost de 20,95% în atmosferă. Debitul de azot lichid a fost controlat la 1,0 L/min aproximativ. Schema experimentală a fost prezentată în Tabelul 2. Pe baza metodei experimentale de simulare tranzitorie bidimensională, regularitatea transferului de căldură și masă a azotului lichid în mediul poros liber al corpului de cărbune a fost dezvăluită în această lucrare.