复合惰气浆液二氧化碳相变特征研究

2022-06-22张辛亥张首石赵思琛

煤矿安全 2022年6期

张辛亥，张首石，窦凯，王凯，赵思琛

（1.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054）

我国煤自燃严重，火源隐蔽，易复燃，防控难度大，煤自燃已成为制约我国煤炭资源安全高效开采的瓶颈之一[1-3]，重点煤矿中有自然发火危险的矿井占56%，且90%以上是由煤炭自燃引起的[4-5]。因此煤矿安全高效开采迫切需要对煤自燃火灾进行有效防治。为此利用研制的深冷惰气制雪实验装置，将CO2利用超低温液氮（LN2）转化为固体干冰颗粒，分散在LN2中形成惰气浆液，以固液气三相形式输送进入，浆液送至高温火区后，由于压力、温度变化，LN2首先挥发，而干冰通常需要较长时间才能气化，干冰沉积在采空区煤体表面，暂时堵塞漏风通道，降低温度与氧气体积分数。

Chaiken 等[6]发明的美国专利提出将干冰颗粒分散在LN2中形成的浆液，注入高温区灭火，干冰与煤之间换热强，气化产生的惰气将火区内热气排出，且惰化效果良好；Kim A G[7]现场自制深冷惰气浆液对俄亥俄州的废弃着火煤矿进行灭火，取得了良好的效果；李娟等[8]研究了不同材质不同管径下向LN2中注入CO2气体时的干冰颗粒生成大小及管路堵塞状况，结果表明只有金属毛细管不会发生堵塞；V A Naletov 等[9]测定了不同参数条件下N2/CO2混合气中CO2体积分数5%～16%时的凝华情况，得出固体CO2的凝华质量；袁灵成[10]首次设计并搭建了低温N2冷却N2/CO2混合气的可视化实验台，研究不同流动特性和冷却条件下的CO2凝华；张辛亥等[11-12]发明了一种深冷惰气制雪防灭火装置，将固态CO2颗粒分散在LN2中形成浆液，以液固两相形态输送并注入高温火区快速灭火；王建雄[13]针对现有低温凝华过程中数据不足问题，进行了N2/CO2二元系相平衡计算得出了更为准确的CO2凝华方程。并进行不同初始体积分数和过冷度下N2/CO2二元系中CO2凝华实验，得出不同参数条件下CO2凝华结晶状态信息；2020 年，张国伟[14]、张辛亥[15]通过理通过深冷流体混合实验确定干冰颗粒生成位置范围，结合数值模拟最终确定管道中干冰颗粒的生成区域。然而，目前针对N2-CO2二元体系中支管夹角角度对于影响干冰颗粒生成的研究较少，因此研究不同角度对CO2凝华的影响对于该技术应用于煤矿防灭火具有重要意义。基于此，通过LN2与液态CO2为材料制备干冰颗粒，组成二元化学组分、气固液三相混合物灭火剂，将通过研究两元惰气深冷制备干冰的传热、传质力学及其管道输送过程，采用实验研究和数值模拟相结合的手段，利用可视化方法对CO2在传输过程中的相变进行分析，为两元惰气的多相混合物灭火提供参考。

1 CO2 凝华动力学模型

CO2的相态变化是研究超低温惰气浆液在管路中流动特性的基础，在不同的压力和温度下，分别呈现出气态、液态、固态和超临界态等不同的相态[16]。CO2三相图如图1。

图1 CO2 三相图Fig.1 Three-phase diagram of carbon dioxide

由图1 可知，CO2三相点处压力为0.52 MPa，高于常压。故在常压下气态CO2降温即可直接凝华生成干冰颗粒，凝华温度为-78.5 ℃，因此只需要提供-90 ℃以下的冷源，即将CO2冷却降温至-78.5 ℃生成固态干冰小颗粒。在冷源的选取过程中，常压液氮温度为-196 ℃，选择LN2作为冷源可轻松达到干冰制备所需要的低温环境。流体在管路中通过焦耳-汤姆逊效应和对流换热[17-18]，冷热流体相互接触，迅速发生相变生成固体干冰小颗粒，在LN2的推动下，由于流速很大，干冰颗粒不会附着在管壁，以固液两相形式发生流动，避免了干冰大量聚集堵塞管路。利用以上原理实现干冰固体颗粒在管路中运输。

在CO2气体遇到低温LN2的过程中，CO2在管路流动过程中首先与低温LN2接触换热并降温，该阶段为强制对流换热阶段，并释放出显热。其次CO2气体在管路流动过程中，于低温气固交接面凝华为固体，并释放出凝华潜热[19-20]。

式中：Q 为传热总热量，W；η 为管路中干冰的生成速率，kg/s；H 为二氧化碳气体的凝华热，J/kg；Cp为二氧化碳气体的定压比热容，J/（kg·K），△为气体温度降低值，△=t0-t1；t0为CO2入口温度，K，t1为液氮温度，K。

当CO2与低温LN2发生对流换热，温度逐渐降低至凝华温度时，气固两相处于非平衡状态，系统吉布斯自由能自发降低，气相的能量和质量向固相开始缓慢的转移，凝华生成固体干冰的小颗粒[20-21]。

2 二元惰气干冰制备实验

2.1 实验系统

实验装置图如图2。

图2 实验装置图Fig.2 Experimental setup diagram

实验系统由供气系统、数据采集系统和低温凝华系统及三通管路组成。

1）供气系统。供气系统由分别承装纯净度高达99.99%的高纯度LN2和CO2的DPL 绝热气瓶、低温软管等组成。

2）低温凝华系统。低温凝华系统由三通管路及可视化石英玻璃管路法兰连接组成。

3）数据采集系统。数据采集系统由天平、秒表、温度变送器、压力变送器、LU-U1300 分布式无纸记录仪、高速摄像机和电脑组成。

4）三通管路采用规格为φ57 mm×4 mm,长度为2 500 mm 的304 不锈钢和规格为φ57 mm×5 mm,长度为1 000 mm 的石英玻璃组合而成的可视化管路。

测点布置如图3，测点1～测点5 为温度传感器，测点6～测点10 为压力传感器。

图3 测点布置图Fig.3 Measuring points layout

2.2 实验步骤

1）对管路提前注入LN2进行遇冷。

2）温度传感器监测到管路中温度下降至200 K时，CO2阀门缓慢打开，控制CO2流量，加大LN2对管路的输入，直至管路中观察到有干冰颗粒生成。

3）实验过程中通过可视化管路及高分辨率相机，观察干冰颗粒生成情况，记录管路中不同测点温度和压力变化情况。

4）进行重复性实验，保证实验数据稳定性。

2.3 不同角度管路中LN2 和CO2 注输相变规律

为适应在实际应用中不同条件下的管路输送要求，将对三通管不同角度管路进行流体相变特性实验，选用30°、60°、90°的3 种不同夹角管路，在管径50 mm，管长2.5 m，充注压力2 MPa 的变径管中进行LN2流量为4.05 kg/min，CO2流量1.35 kg/min 的混合相变特性实验，采集主管路不同采集点的压力及温度动态变化数据。不同夹角管路30 s 处干冰生成图如图4。管路内相变过程中温度及压力变化曲线如图5。

图4 不同夹角管路30 s 处干冰生成图Fig.4 Dry ice generation in pipes with different angles at 30 s

图5 管路内相变过程中温度及压力变化曲线Fig.5 Temperature and pressure change curves during the phase transition in the pipeline

由图4 可以看出，90°夹角生成干冰量最多，60°夹角管路次之，30°夹角生成干冰量最小。分析其原因为管路夹角的增加导致在管道交叉处，流体出现紊乱，促进2 种流体的充分混合，管路中生成干冰的量增加。在可视化管路的下部由于重力驱动的作用，管路底部CO2体积分数较高，生成的干冰颗粒大部分附着在管路底部壁面上，形成一片较大的凝华覆盖层，凝华层厚度不断向管路上部扩散。通过对凝华过程的可视化分析可知，CO2凝华经历了以下3个过程，即晶体形成期、霜层形成期和霜层致密期，分别对应于凝华发生过程中晶核的产生、晶体的汇集和凝华层的形成。

由图5 可以看出，在不同夹角的管路中进行LN2和CO2混合制备深冷浆液，管内的压力和温度变化规律总体趋势相同，在注输过程中，管内温度迅速下降，在达到动态平衡后温度小范围进行波动。不同夹角的管路之间温度不同，其中90°夹角管路混合时温度降低至157 K，60°夹角管路中达到165 K，30°夹角管路温度最高为168 K。分析其原因可知，在不同夹角的管路中混合时，由于角度不同，混合过程中2 种流体相触时阻力有所不同，引起混合流体的紊乱现象增强，混合的均匀性受到影响，流体间换热效率不同。从图中压力变化情况可知夹角对压力的变化不是主要影响因素。分管内压力在升高至最大值，之后保持动态平衡状态，压力有小幅下降，这是因为在实验过程中，进行相同流量流体的连续注输过程，压力损失较为平缓，且该实验管路长度有限，不能体现出沿程管路中的压降传播规律，针对该问题，可以进行长距离管路注输过程中压损的记录。

3 二元惰气深冷混合特性模拟

3.1 模拟模型和定解条件

1）模拟模型。模拟在不同口径的三通管路中液氮和二氧化碳混合过程中的管路内不同参数条件下的温度、压力以及流体相态变化。设计LN2入口支管L1长500 mm，CO2入口支管长500 mm, 混合段L3长2 000 mm。共划分1 244 073 个网格单元，经倾斜度评估和正交质量评估，网格质量优秀，满足模拟仿真的要求。以前期实验研究结果和数据为依据，选取合理的管路形式及相似的代表性边界条件，模拟管路中混合过程的瞬变流态变化，分析不同管径大小，夹角，和流体注输情况下管路中的相变过程。模拟过程工况设定见表1。

表1 模拟过程工况设定Table 1 Simulation process condition setting

2）定解条件。开启能量方程，湍流模型选择标准k-ε 模型，选择欧拉多相流模型，相数为3，在材料库中选取N2、CO2及CO2，定义CO2为主相，LN2和固体CO2为副相，相间质量传输为气体CO2到固体CO2，传递机理为植入Fluent 的UDF 相变模型，对晶核的生成和成长进行编码。

3.2 不同管型下流体流动特性模拟结果

为研究不同管型对LN2和CO2混合过程中流动特性和相变特性的影响，在本次模拟中选取管路类型分别为30°夹角、60°夹角和90°夹角的三通管在其他参数不变的情况下进行LN210 m/s 和CO25 m/s的混合相变特性模拟，不同管型中流体的速度分布云图和温度云图如图6。不同管型混合时干冰生成体积分数如图7。

图6 不同管路类型时速度及温度云图Fig.6 Cloud diagrams of speed and temperature for different pipe types

图7 不同管型混合时干冰生成体积分数Fig.7 Volume fraction of dry ice generated by mixing different tubes

由图6 可知，2 种流体在不同类型的管路中进行混合时，速度整体变化趋势相同，混合完全后均呈现稳定流动，但随着管路夹角的增大，管路出口处混合流体流速增大，在90°管路中出口流速为15.8 m/s，在60°管路中出口流速为14.9 m/s，在30°管路中，出口流速为14.5 m/s。CO2气体从支管注入后，由于惯性作用直接撞击在主管路管壁上，使得两者之间混合更加均匀，但流速降低，之后随着混合均匀，管路中生成干冰颗粒，在喷射动量的作用下，管路出口处速度增大。管路夹角越大，流体混合效果越好，由于角度不同，混合过程中2 种流体接触时阻力有所不同，引起混合流体的紊乱现象增强，在混合后，90°管路中的温度下降最大，60°次之，30°的由于管路夹角小，混合过程较为平缓，温度下降速率低。

由图7 可知，管路夹角越大，干冰生成量越多，生成干冰在重力作用下沉积在主管路底部，呈现出干冰体积分数在主管路中自上而下逐渐增大，其规律与实验结果保持一致。