Имитационное моделирование движения жидкого азота в трубах при инертизации атмосферы аварийного участка.

Наиболее эффективным способом предотвращения взрывов и лик­видации пожаров, особенно имеющих сложный характер, является инертизация атмосферы аварийного участка, под которой понимают искусственное снижение концентрации кислорода в атмосфере горных выработок путем подачи у него инертного газа. Для этого применяют газообразный азот, парогазовую смесь, дио­ксид углерода.

Инертизациия с помощью азота позволяет решить следующие задачи в ходе ликвидации подземного пожара: сократить срок ликвидации аварии; предотвратить взрывы газо-воздушной смеси на аварийном участке; ускорить охлаждения высокотемпературной зоны до безопасного уровня; сократить к минимуму или полностью прекратить процесс горения. Инертизацию пожарного участка рекомендуется производить при ликвидации пожаров в горизонтальных тупиковых выработках любой длины, в случае подачи азота в тупиковую часть по трубопроводу, при ведении взрывных работ в горных выработках для создания инертной среды в месте производства взрыва, для предупреждения эндогенных пожаров в скоплениях угля, которые образовались в результате внезапных выбросов или по другим причинам, при изоляции пожарных участков, а также при изоляции в сочетании с разными способами ускорения процесса охлаждение очага пожара для предупреждения взрывов и прекращения горения.

Использование жидкого азота для инертизации горных выработок пожарного участка путем непосредственного распыления в спутный вентиляционный поток позволяет снизить затраты на его испарение. При этом происходит охлаждение стенок горных выработок за счет утилизации жидким азотом тепла боковых пород.

При движении по трубопроводу жидкий азот частично испаряется за счет теплопередачи через стенки трубопровода при значительных внешних теплопритоках.

Для расчета процессов, происходящих в трубопроводе при движении жидкого азота, решается сопряженная задача стенка – поток при граничных условиях третьего рода на обеих поверхностях.

Поскольку температура окружающей среды намного превышает температуру  жидкого азота, на внешней поверхности трубопровода происходят теплопритоки от окружающей атмосферы.

Подпись:

На внутренней поверхности трубы тепловой поток расходуется на нагрев и испарение жидкого азота (рис.1).

Рис.1 Граничные условия на стенке трубопровода

Движущийся по трубопроводу азот может находиться в следующих состояниях:

- однофазная жидкость;

-   пленочное кипение азота при температуре ниже температуры насыщения при данном давлении;

-   пленочное кипение азота при температуре выше температуры насыщения при данном давлении;

-         однофазный пар.

Тепловой поток от атмосферы участка к стенке определяется по формуле:

                   ,

где  – коэффициент теплоотдачи, определяется по формуле                   ;

 – безразмерный коэффициент теплоотдачи;

* – коэффициент теплопроводности окружающего воздуха, является функцией температуры окружающей среды ;

*   – наружный диаметр трубопровода;

 – температура азота.

Температура окружающей среды при аварии в шахте не является постоянной и заранее известной величиной, поэтому для выбора температуры окружающей среды используем имитационное моделирование.

Имитационное моделирование - это процедура, с помощью которой математическая модель определения какого-либо показателя (в нашем случае ) подвергается ряду имитационных прогонов с помощью компьютера. В ходе процесса имитации строятся последовательные сценарии с использованием исходных данных, которые по смыслу являются неопределенными с известным средним значением и отклонением от среднего, и потому в процессе анализа полагаются случайными величинами. Процесс имитации осуществляется таким образом, чтобы случайный выбор значений из определенных вероятностных распределений не нарушал существования известных или предполагаемых ограничений переменных.              Тепловой поток от внутренней стенки канала на каждом участке определяется по различным зависимостям. Так на первом (жидкая фаза) и третьем  участках:

,            ,

где ТS  - температура насыщения.

Тепловой поток от внутренней стенки канала на втором  участке определяется по следующей формуле

     .

А тепловой поток от внутренней стенки канала на четвертом (газообразный азот)  участке определяется по формуле

          ,

где  Рr – число Прандтля,

G – расход азота.

Расход азота определяется итерационным методом, зная начальное давление в трубопроводе, начиная  с расхода по холодным проливам. 

Приведенный метод расчета реализован в программе для компьютера, которая позволяет рассчитать параметры газо-воздушной смеси  при подаче жидкого азота в выработанный участок шахты по трубопроваду для инертизации горных выработок при ликвидации последствий аварий на шахте.

Литература:

1.                      Деев В.И.,  Новиков В.Н., Придачин А.В. Методика расчета теплоотдачи при вынужденном течении азота в вертикальных трубах//

Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет).

http://library.mephi.ru/data/scientific-sessions/2000/8/882.html

2. Костенко В.К., Костенко Т.В. Геомеханические и технологические способы предупреждения самонагреваний и ликвидации возгораний угля // Горноспасательное дело: Сб. науч. тр. НИИГД.- Донецк,1998.- С.69-75. 

3.  Колышенко М.В., Карягина Н.В., Шкодских В.И. Исследование процесса подачи жидкого азота по трубопроводу в пожарный участок при проведении горноспасательных работ//Техника и современные средства тушения подземных пожаров: Те­зисы докладов первой научно-производственной конференции «Предупреждение и тушение подземных пожаров». –  Донецк: ВНИИГД,1978. – С.41.

4. Попов Э.А., Яремчук М.А., Толкачев О.Э. Методика расчета параметров выпуска жидкого азота в спутный вентиляционный поток аварийного участка// Тезисы докладов научно-практической конференции. –  Свердловск, 1989. - С.43.