復合惰氣漿液二氧化碳相變特征研究

張辛亥，張首石，竇 凱，王 凱，趙思琛

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054）

我國煤自燃嚴重，火源隱蔽，易復燃，防控難度大，煤自燃已成為制約我國煤炭資源安全高效開采的瓶頸之一[1-3]，重點煤礦中有自然發(fā)火危險的礦井占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煤自燃火災進行有效防治。為此利用研制的深冷惰氣制雪實驗裝置，將CO2利用超低溫液氮（LN2）轉化為固體干冰顆粒，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時間才能氣化，干冰沉積在采空區(qū)煤體表面，暫時堵塞漏風通道，降低溫度與氧氣體積分數。

Chaiken 等[6]發(fā)明的美國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，氣化產生的惰氣將火區(qū)內熱氣排出，且惰化效果良好；Kim A G[7]現(xiàn)場自制深冷惰氣漿液對俄亥俄州的廢棄著火煤礦進行滅火，取得了良好的效果；李娟等[8]研究了不同材質不同管徑下向LN2中注入CO2氣體時的干冰顆粒生成大小及管路堵塞狀況，結果表明只有金屬毛細管不會發(fā)生堵塞；V A Naletov 等[9]測定了不同參數條件下N2/CO2混合氣中CO2體積分數5%～16%時的凝華情況，得出固體CO2的凝華質量；袁靈成[10]首次設計并搭建了低溫N2冷卻N2/CO2混合氣的可視化實驗臺，研究不同流動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]針對現(xiàn)有低溫凝華過程中數據不足問題，進行了N2/CO2二元系相平衡計算得出了更為準確的CO2凝華方程。并進行不同初始體積分數和過冷度下N2/CO2二元系中CO2凝華實驗，得出不同參數條件下CO2凝華結晶狀態(tài)信息；2020 年，張國偉[14]、張辛亥[15]通過理通過深冷流體混合實驗確定干冰顆粒生成位置范圍，結合數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N2-CO2二元體系中支管夾角角度對于影響干冰顆粒生成的研究較少，因此研究不同角度對CO2凝華的影響對于該技術應用于煤礦防滅火具有重要意義?；诖?，通過LN2與液態(tài)CO2為材料制備干冰顆粒，組成二元化學組分、氣固液三相混合物滅火劑，將通過研究兩元惰氣深冷制備干冰的傳熱、傳質力學及其管道輸送過程，采用實驗研究和數值模擬相結合的手段，利用可視化方法對CO2在傳輸過程中的相變進行分析，為兩元惰氣的多相混合物滅火提供參考。

1 CO2 凝華動力學模型

CO2的相態(tài)變化是研究超低溫惰氣漿液在管路中流動特性的基礎，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-湯姆遜效應和對流換熱[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的推動下，由于流速很大，干冰顆粒不會附著在管壁，以固液兩相形式發(fā)生流動，避免了干冰大量聚集堵塞管路。利用以上原理實現(xiàn)干冰固體顆粒在管路中運輸。

在CO2氣體遇到低溫LN2的過程中，CO2在管路流動過程中首先與低溫LN2接觸換熱并降溫，該階段為強制對流換熱階段，并釋放出顯熱。其次CO2氣體在管路流動過程中，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 為二氧化碳氣體的凝華熱，J/kg；Cp為二氧化碳氣體的定壓比熱容，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CO2與低溫LN2發(fā)生對流換熱，溫度逐漸降低至凝華溫度時，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，氣相的能量和質量向固相開始緩慢的轉移，凝華生成固體干冰的小顆粒[20-21]。

2 二元惰氣干冰制備實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗裝置圖如圖2。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Experimental setup diagram

實驗系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、數據采集系統(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）數據采集系統(tǒng)。數據采集系統(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、高速攝像機和電腦組成。

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

測點布置如圖3，測點1～測點5 為溫度傳感器，測點6～測點10 為壓力傳感器。

圖3 測點布置圖Fig.3 Measuring points layout

2.2 實驗步驟

1）對管路提前注入LN2進行遇冷。

2）溫度傳感器監(jiān)測到管路中溫度下降至200 K時，CO2閥門緩慢打開，控制CO2流量，加大LN2對管路的輸入，直至管路中觀察到有干冰顆粒生成。

3）實驗過程中通過可視化管路及高分辨率相機，觀察干冰顆粒生成情況，記錄管路中不同測點溫度和壓力變化情況。

4）進行重復性實驗，保證實驗數據穩(wěn)定性。

2.3 不同角度管路中LN2 和CO2 注輸相變規(guī)律

為適應在實際應用中不同條件下的管路輸送要求，將對三通管不同角度管路進行流體相變特性實驗，選用30°、60°、90°的3 種不同夾角管路，在管徑50 mm，管長2.5 m，充注壓力2 MPa 的變徑管中進行LN2流量為4.05 kg/min，CO2流量1.35 kg/min 的混合相變特性實驗，采集主管路不同采集點的壓力及溫度動態(tài)變化數據。不同夾角管路30 s 處干冰生成圖如圖4。管路內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。分析其原因為管路夾角的增加導致在管道交叉處，流體出現(xiàn)紊亂，促進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動的作用，管路底部CO2體積分數較高，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散。通過對凝華過程的可視化分析可知，CO2凝華經歷了以下3個過程，即晶體形成期、霜層形成期和霜層致密期，分別對應于凝華發(fā)生過程中晶核的產生、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行LN2和CO2混合制備深冷漿液，管內的壓力和溫度變化規(guī)律總體趨勢相同，在注輸過程中，管內溫度迅速下降，在達到動態(tài)平衡后溫度小范圍進行波動。不同夾角的管路之間溫度不同，其中90°夾角管路混合時溫度降低至157 K，60°夾角管路中達到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，由于角度不同，混合過程中2 種流體相觸時阻力有所不同，引起混合流體的紊亂現(xiàn)象增強，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壓力的變化不是主要影響因素。分管內壓力在升高至最大值，之后保持動態(tài)平衡狀態(tài)，壓力有小幅下降，這是因為在實驗過程中，進行相同流量流體的連續(xù)注輸過程，壓力損失較為平緩，且該實驗管路長度有限，不能體現(xiàn)出沿程管路中的壓降傳播規(guī)律，針對該問題，可以進行長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不同參數條件下的溫度、壓力以及流體相態(tài)變化。設計LN2入口支管L1長500 mm，CO2入口支管長500 mm, 混合段L3長2 000 mm。共劃分1 244 073 個網格單元，經傾斜度評估和正交質量評估，網格質量優(yōu)秀，滿足模擬仿真的要求。以前期實驗研究結果和數據為依據，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。模擬過程工況設定見表1。

表1 模擬過程工況設定Table 1 Simulation process condition setting

2）定解條件。開啟能量方程，湍流模型選擇標準k-ε 模型，選擇歐拉多相流模型，相數為3，在材料庫中選取N2、CO2及CO2，定義CO2為主相，LN2和固體CO2為副相，相間質量傳輸為氣體CO2到固體CO2，傳遞機理為植入Fluent 的UDF 相變模型，對晶核的生成和成長進行編碼。

3.2 不同管型下流體流動特性模擬結果

為研究不同管型對LN2和CO2混合過程中流動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不變的情況下進行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。不同管型混合時干冰生成體積分數如圖7。

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

圖7 不同管型混合時干冰生成體積分數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行混合時，速度整體變化趨勢相同，混合完全后均呈現(xiàn)穩(wěn)定流動，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 種流體接觸時阻力有所不同，引起混合流體的紊亂現(xiàn)象增強，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)出干冰體積分數在主管路中自上而下逐漸增大，其規(guī)律與實驗結果保持一致。

4 結 語

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

2）通過Fluent 軟件對LN2和CO2在不同管路角度中的混合特性進行模擬，可知當夾角增大時流體在混合處的紊流現(xiàn)象更加明顯，溫降速率增大，同時主管路干冰體積分數增加，與實驗結果一致。

3）通過高速攝像機對透明管路中干冰的生成情況拍攝可知，隨反應時間的增加，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。