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)有低溫凝華過程中數(shù)據(jù)不足問題，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]通過理通過深冷流體混合實(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?；诖耍ㄟ^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的過程中，CO2在管路流動(dòng)過程中首先與低溫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閥門緩慢打開，控制CO2流量，加大LN2對(duì)管路的輸入，直至管路中觀察到有干冰顆粒生成。

3）實(shí)驗(yàn)過程中通過可視化管路及高分辨率相機(jī)，觀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)相變過程中溫度及壓力變化曲線如圖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)相變過程中溫度及壓力變化曲線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。通過對(duì)凝華過程的可視化分析可知，CO2凝華經(jīng)歷了以下3個(gè)過程，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)過程中，進(jìn)行相同流量流體的連續(xù)注輸過程，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)該問題，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離管路注輸過程中壓損的記錄。

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程。模擬過程工況設(shè)定見表1。

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

2）定解條件。開啟能量方程，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

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。