亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        復(fù)合惰氣漿液二氧化碳相變特征研究

        2022-06-22 02:22:12張辛亥張首石趙思琛
        煤礦安全 2022年6期
        關(guān)鍵詞:凝華干冰夾角

        張辛亥,張首石,竇 凱,王 凱,趙思琛

        (1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué) 西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

        我國(guó)煤自燃嚴(yán)重,火源隱蔽,易復(fù)燃,防控難度大,煤自燃已成為制約我國(guó)煤炭資源安全高效開(kāi)采的瓶頸之一[1-3],重點(diǎn)煤礦中有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占56%,且90%以上是由煤炭自燃引起的[4-5]。因此煤礦安全高效開(kāi)采迫切需要對(duì)煤自燃火災(zāi)進(jìn)行有效防治。為此利用研制的深冷惰氣制雪實(shí)驗(yàn)裝置,將CO2利用超低溫液氮(LN2)轉(zhuǎn)化為固體干冰顆粒,分散在LN2中形成惰氣漿液,以固液氣三相形式輸送進(jìn)入,漿液送至高溫火區(qū)后,由于壓力、溫度變化,LN2首先揮發(fā),而干冰通常需要較長(zhǎng)時(shí)間才能氣化,干冰沉積在采空區(qū)煤體表面,暫時(shí)堵塞漏風(fēng)通道,降低溫度與氧氣體積分?jǐn)?shù)。

        Chaiken 等[6]發(fā)明的美國(guó)專(zhuān)利提出將干冰顆粒分散在LN2中形成的漿液,注入高溫區(qū)滅火,干冰與煤之間換熱強(qiáng),氣化產(chǎn)生的惰氣將火區(qū)內(nèi)熱氣排出,且惰化效果良好;Kim A G[7]現(xiàn)場(chǎng)自制深冷惰氣漿液對(duì)俄亥俄州的廢棄著火煤礦進(jìn)行滅火,取得了良好的效果;李娟等[8]研究了不同材質(zhì)不同管徑下向LN2中注入CO2氣體時(shí)的干冰顆粒生成大小及管路堵塞狀況,結(jié)果表明只有金屬毛細(xì)管不會(huì)發(fā)生堵塞;V A Naletov 等[9]測(cè)定了不同參數(shù)條件下N2/CO2混合氣中CO2體積分?jǐn)?shù)5%~16%時(shí)的凝華情況,得出固體CO2的凝華質(zhì)量;袁靈成[10]首次設(shè)計(jì)并搭建了低溫N2冷卻N2/CO2混合氣的可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究不同流動(dòng)特性和冷卻條件下的CO2凝華;張辛亥等[11-12]發(fā)明了一種深冷惰氣制雪防滅火裝置,將固態(tài)CO2顆粒分散在LN2中形成漿液,以液固兩相形態(tài)輸送并注入高溫火區(qū)快速滅火;王建雄[13]針對(duì)現(xiàn)有低溫凝華過(guò)程中數(shù)據(jù)不足問(wèn)題,進(jìn)行了N2/CO2二元系相平衡計(jì)算得出了更為準(zhǔn)確的CO2凝華方程。并進(jìn)行不同初始體積分?jǐn)?shù)和過(guò)冷度下N2/CO2二元系中CO2凝華實(shí)驗(yàn),得出不同參數(shù)條件下CO2凝華結(jié)晶狀態(tài)信息;2020 年,張國(guó)偉[14]、張辛亥[15]通過(guò)理通過(guò)深冷流體混合實(shí)驗(yàn)確定干冰顆粒生成位置范圍,結(jié)合數(shù)值模擬最終確定管道中干冰顆粒的生成區(qū)域。然而,目前針對(duì)N2-CO2二元體系中支管夾角角度對(duì)于影響干冰顆粒生成的研究較少,因此研究不同角度對(duì)CO2凝華的影響對(duì)于該技術(shù)應(yīng)用于煤礦防滅火具有重要意義。基于此,通過(guò)LN2與液態(tài)CO2為材料制備干冰顆粒,組成二元化學(xué)組分、氣固液三相混合物滅火劑,將通過(guò)研究?jī)稍铓馍罾渲苽涓杀膫鳠?、傳質(zhì)力學(xué)及其管道輸送過(guò)程,采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,利用可視化方法對(duì)CO2在傳輸過(guò)程中的相變進(jìn)行分析,為兩元惰氣的多相混合物滅火提供參考。

        1 CO2 凝華動(dòng)力學(xué)模型

        CO2的相態(tài)變化是研究超低溫惰氣漿液在管路中流動(dòng)特性的基礎(chǔ),在不同的壓力和溫度下,分別呈現(xiàn)出氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和超臨界態(tài)等不同的相態(tài)[16]。CO2三相圖如圖1。

        圖1 CO2 三相圖Fig.1 Three-phase diagram of carbon dioxide

        由圖1 可知,CO2三相點(diǎn)處壓力為0.52 MPa,高于常壓。故在常壓下氣態(tài)CO2降溫即可直接凝華生成干冰顆粒,凝華溫度為-78.5 ℃,因此只需要提供-90 ℃以下的冷源,即將CO2冷卻降溫至-78.5 ℃生成固態(tài)干冰小顆粒。在冷源的選取過(guò)程中,常壓液氮溫度為-196 ℃,選擇LN2作為冷源可輕松達(dá)到干冰制備所需要的低溫環(huán)境。流體在管路中通過(guò)焦耳-湯姆遜效應(yīng)和對(duì)流換熱[17-18],冷熱流體相互接觸,迅速發(fā)生相變生成固體干冰小顆粒,在LN2的推動(dòng)下,由于流速很大,干冰顆粒不會(huì)附著在管壁,以固液兩相形式發(fā)生流動(dòng),避免了干冰大量聚集堵塞管路。利用以上原理實(shí)現(xiàn)干冰固體顆粒在管路中運(yùn)輸。

        在CO2氣體遇到低溫LN2的過(guò)程中,CO2在管路流動(dòng)過(guò)程中首先與低溫LN2接觸換熱并降溫,該階段為強(qiáng)制對(duì)流換熱階段,并釋放出顯熱。其次CO2氣體在管路流動(dòng)過(guò)程中,于低溫氣固交接面凝華為固體,并釋放出凝華潛熱[19-20]。

        式中:Q 為傳熱總熱量,W;η 為管路中干冰的生成速率,kg/s;H 為二氧化碳?xì)怏w的凝華熱,J/kg;Cp為二氧化碳?xì)怏w的定壓比熱容,J/(kg·K),△為氣體溫度降低值,△=t0-t1;t0為CO2入口溫度,K,t1為液氮溫度,K。

        當(dāng)CO2與低溫LN2發(fā)生對(duì)流換熱,溫度逐漸降低至凝華溫度時(shí),氣固兩相處于非平衡狀態(tài),系統(tǒng)吉布斯自由能自發(fā)降低,氣相的能量和質(zhì)量向固相開(kāi)始緩慢的轉(zhuǎn)移,凝華生成固體干冰的小顆粒[20-21]。

        2 二元惰氣干冰制備實(shí)驗(yàn)

        2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2。

        圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup diagram

        實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和低溫凝華系統(tǒng)及三通管路組成。

        1)供氣系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)由分別承裝純凈度高達(dá)99.99%的高純度LN2和CO2的DPL 絕熱氣瓶、低溫軟管等組成。

        2)低溫凝華系統(tǒng)。低溫凝華系統(tǒng)由三通管路及可視化石英玻璃管路法蘭連接組成。

        3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由天平、秒表、溫度變送器、壓力變送器、LU-U1300 分布式無(wú)紙記錄儀、高速攝像機(jī)和電腦組成。

        4)三通管路采用規(guī)格為φ57 mm×4 mm,長(zhǎng)度為2 500 mm 的304 不銹鋼和規(guī)格為φ57 mm×5 mm,長(zhǎng)度為1 000 mm 的石英玻璃組合而成的可視化管路。

        測(cè)點(diǎn)布置如圖3,測(cè)點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)5 為溫度傳感器,測(cè)點(diǎn)6~測(cè)點(diǎn)10 為壓力傳感器。

        圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Measuring points layout

        2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

        1)對(duì)管路提前注入LN2進(jìn)行遇冷。

        2)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到管路中溫度下降至200 K時(shí),CO2閥門(mén)緩慢打開(kāi),控制CO2流量,加大LN2對(duì)管路的輸入,直至管路中觀(guān)察到有干冰顆粒生成。

        3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)可視化管路及高分辨率相機(jī),觀(guān)察干冰顆粒生成情況,記錄管路中不同測(cè)點(diǎn)溫度和壓力變化情況。

        4)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn),保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

        2.3 不同角度管路中LN2 和CO2 注輸相變規(guī)律

        為適應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中不同條件下的管路輸送要求,將對(duì)三通管不同角度管路進(jìn)行流體相變特性實(shí)驗(yàn),選用30°、60°、90°的3 種不同夾角管路,在管徑50 mm,管長(zhǎng)2.5 m,充注壓力2 MPa 的變徑管中進(jìn)行LN2流量為4.05 kg/min,CO2流量1.35 kg/min 的混合相變特性實(shí)驗(yàn),采集主管路不同采集點(diǎn)的壓力及溫度動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。不同夾角管路30 s 處干冰生成圖如圖4。管路內(nèi)相變過(guò)程中溫度及壓力變化曲線(xiàn)如圖5。

        圖4 不同夾角管路30 s 處干冰生成圖Fig.4 Dry ice generation in pipes with different angles at 30 s

        圖5 管路內(nèi)相變過(guò)程中溫度及壓力變化曲線(xiàn)Fig.5 Temperature and pressure change curves during the phase transition in the pipeline

        由圖4 可以看出,90°夾角生成干冰量最多,60°夾角管路次之,30°夾角生成干冰量最小。分析其原因?yàn)楣苈穵A角的增加導(dǎo)致在管道交叉處,流體出現(xiàn)紊亂,促進(jìn)2 種流體的充分混合,管路中生成干冰的量增加。在可視化管路的下部由于重力驅(qū)動(dòng)的作用,管路底部CO2體積分?jǐn)?shù)較高,生成的干冰顆粒大部分附著在管路底部壁面上,形成一片較大的凝華覆蓋層,凝華層厚度不斷向管路上部擴(kuò)散。通過(guò)對(duì)凝華過(guò)程的可視化分析可知,CO2凝華經(jīng)歷了以下3個(gè)過(guò)程,即晶體形成期、霜層形成期和霜層致密期,分別對(duì)應(yīng)于凝華發(fā)生過(guò)程中晶核的產(chǎn)生、晶體的匯集和凝華層的形成。

        由圖5 可以看出,在不同夾角的管路中進(jìn)行LN2和CO2混合制備深冷漿液,管內(nèi)的壓力和溫度變化規(guī)律總體趨勢(shì)相同,在注輸過(guò)程中,管內(nèi)溫度迅速下降,在達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后溫度小范圍進(jìn)行波動(dòng)。不同夾角的管路之間溫度不同,其中90°夾角管路混合時(shí)溫度降低至157 K,60°夾角管路中達(dá)到165 K,30°夾角管路溫度最高為168 K。分析其原因可知,在不同夾角的管路中混合時(shí),由于角度不同,混合過(guò)程中2 種流體相觸時(shí)阻力有所不同,引起混合流體的紊亂現(xiàn)象增強(qiáng),混合的均勻性受到影響,流體間換熱效率不同。從圖中壓力變化情況可知夾角對(duì)壓力的變化不是主要影響因素。分管內(nèi)壓力在升高至最大值,之后保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),壓力有小幅下降,這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中,進(jìn)行相同流量流體的連續(xù)注輸過(guò)程,壓力損失較為平緩,且該實(shí)驗(yàn)管路長(zhǎng)度有限,不能體現(xiàn)出沿程管路中的壓降傳播規(guī)律,針對(duì)該問(wèn)題,可以進(jìn)行長(zhǎng)距離管路注輸過(guò)程中壓損的記錄。

        3 二元惰氣深冷混合特性模擬

        3.1 模擬模型和定解條件

        1)模擬模型。模擬在不同口徑的三通管路中液氮和二氧化碳混合過(guò)程中的管路內(nèi)不同參數(shù)條件下的溫度、壓力以及流體相態(tài)變化。設(shè)計(jì)LN2入口支管L1長(zhǎng)500 mm,CO2入口支管長(zhǎng)500 mm, 混合段L3長(zhǎng)2 000 mm。共劃分1 244 073 個(gè)網(wǎng)格單元,經(jīng)傾斜度評(píng)估和正交質(zhì)量評(píng)估,網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)秀,滿(mǎn)足模擬仿真的要求。以前期實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和數(shù)據(jù)為依據(jù),選取合理的管路形式及相似的代表性邊界條件,模擬管路中混合過(guò)程的瞬變流態(tài)變化,分析不同管徑大小,夾角,和流體注輸情況下管路中的相變過(guò)程。模擬過(guò)程工況設(shè)定見(jiàn)表1。

        表1 模擬過(guò)程工況設(shè)定Table 1 Simulation process condition setting

        2)定解條件。開(kāi)啟能量方程,湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型,選擇歐拉多相流模型,相數(shù)為3,在材料庫(kù)中選取N2、CO2及CO2,定義CO2為主相,LN2和固體CO2為副相,相間質(zhì)量傳輸為氣體CO2到固體CO2,傳遞機(jī)理為植入Fluent 的UDF 相變模型,對(duì)晶核的生成和成長(zhǎng)進(jìn)行編碼。

        3.2 不同管型下流體流動(dòng)特性模擬結(jié)果

        為研究不同管型對(duì)LN2和CO2混合過(guò)程中流動(dòng)特性和相變特性的影響,在本次模擬中選取管路類(lèi)型分別為30°夾角、60°夾角和90°夾角的三通管在其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行LN210 m/s 和CO25 m/s的混合相變特性模擬,不同管型中流體的速度分布云圖和溫度云圖如圖6。不同管型混合時(shí)干冰生成體積分?jǐn)?shù)如圖7。

        圖6 不同管路類(lèi)型時(shí)速度及溫度云圖Fig.6 Cloud diagrams of speed and temperature for different pipe types

        圖7 不同管型混合時(shí)干冰生成體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Volume fraction of dry ice generated by mixing different tubes

        由圖6 可知,2 種流體在不同類(lèi)型的管路中進(jìn)行混合時(shí),速度整體變化趨勢(shì)相同,混合完全后均呈現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng),但隨著管路夾角的增大,管路出口處混合流體流速增大,在90°管路中出口流速為15.8 m/s,在60°管路中出口流速為14.9 m/s,在30°管路中,出口流速為14.5 m/s。CO2氣體從支管注入后,由于慣性作用直接撞擊在主管路管壁上,使得兩者之間混合更加均勻,但流速降低,之后隨著混合均勻,管路中生成干冰顆粒,在噴射動(dòng)量的作用下,管路出口處速度增大。管路夾角越大,流體混合效果越好,由于角度不同,混合過(guò)程中2 種流體接觸時(shí)阻力有所不同,引起混合流體的紊亂現(xiàn)象增強(qiáng),在混合后,90°管路中的溫度下降最大,60°次之,30°的由于管路夾角小,混合過(guò)程較為平緩,溫度下降速率低。

        由圖7 可知,管路夾角越大,干冰生成量越多,生成干冰在重力作用下沉積在主管路底部,呈現(xiàn)出干冰體積分?jǐn)?shù)在主管路中自上而下逐漸增大,其規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        1)利用自主搭建的干冰制備系統(tǒng)與CO2相變特征測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同CO2支管角度凝華實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同角度三通管中溫度變化速率有所不同。管內(nèi)溫度下降速率隨角度的增大而增大;當(dāng)管內(nèi)夾角為90°時(shí),流體混合更加均勻,凝華溫度相應(yīng)增大,凝華發(fā)生時(shí)間提前,干冰顆粒生成量增加。

        2)通過(guò)Fluent 軟件對(duì)LN2和CO2在不同管路角度中的混合特性進(jìn)行模擬,可知當(dāng)夾角增大時(shí)流體在混合處的紊流現(xiàn)象更加明顯,溫降速率增大,同時(shí)主管路干冰體積分?jǐn)?shù)增加,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

        3)通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)透明管路中干冰的生成情況拍攝可知,隨反應(yīng)時(shí)間的增加,干冰顆粒的生成量和生成速率增大,干冰顆粒堆積于管路底部壁面。

        猜你喜歡
        凝華干冰夾角
        干冰滅火
        “干冰”不是冰,使用需當(dāng)心
        “汽化和液化”“升華和凝華”知識(shí)鞏固
        “汽化和液化”“升華和凝華”知識(shí)鞏固
        “汽化和液化”“升華和凝華”知識(shí)鞏固
        探究鐘表上的夾角
        求解異面直線(xiàn)夾角問(wèn)題的兩個(gè)路徑
        “汽化和液化”“升華和凝華”隨堂練
        任意夾角交叉封閉邊界內(nèi)平面流線(xiàn)計(jì)算及應(yīng)用
        如果將干冰溶化,能在里面游泳嗎?
        亚洲精品夜夜夜妓女网| 一级a免费高清免在线| 美女脱了内裤洗澡视频| 久久久久久久久毛片精品 | av无码电影一区二区三区| 午夜视频一区二区三区在线观看| 亚洲欧美日韩综合一区二区| 又爽又黄又无遮挡的激情视频| 久久AV中文综合一区二区| 亚洲精品国产二区在线观看| 亚洲一区二区二区视频| 成人欧美一区二区三区的电影| 亚洲an日韩专区在线| 人妻系列少妇极品熟妇| 无码爽视频| 亚洲自偷自拍熟女另类| 中文无码日韩欧免费视频| 亚洲av熟女少妇一区二区三区| 国产办公室秘书无码精品99| 999久久久免费精品国产| 亚洲欧美成人在线免费| 久久影院最新国产精品| 胸大美女又黄的网站| 日本一区午夜艳熟免费| 激,情四虎欧美视频图片| 亚洲国产成人久久精品一区| 风流老熟女一区二区三区| 91老司机精品视频| 一区二区三区人妻在线| 99久久无码一区人妻| 国产高潮国产高潮久久久| 久久精品国产亚洲AV高清y w| 国产情侣亚洲自拍第一页| 亚洲国产精品毛片av不卡在线| 欧美在线观看一区二区| 亚洲香蕉久久一区二区| av无码小缝喷白浆在线观看| 亚洲不卡中文字幕无码| 国产精品一区二区三区色| 美腿丝袜诱惑一区二区| 青青久在线视频免费观看|