CC BY
16
- © В.А. Малашкина, 2014
УДК 622.411.33:533.17
В.А. Малашкина
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГИДРО-И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ДЕГАЗАЦИОННЫХ ГАЗОПРОВОДАХ НА КАЧЕСТВО МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ, ИЗВЛЕКАЕМОЙ ИЗ УГОЛЬНЫХ ШАХТ
Рассмотрены особенности изменения качества метановоздушной смеси, извлекаемой из угольных шахт, под влиянием гидро- и термодинамических процессов в подземных вакуумных газопроводах.
В настоящее время применение эффективных способов дегазации ис-точников газовыделения позволяет получать метановоздушную смесь на выходе из дегазационных скважин с высокой концентрацией метана. Сохранить достигнутый уровень качества каптируемой метановоздушной смеси при ее транспортировании от скважин до вакуум-насосной станции и последующей утилизации не представляется возможным. Таким образом, обоснование и определение рациональных гидро- и термодинамических режимов движения метановоздушной смеси по подземному вакуумному дегазационному трубопроводу для повышения безопасности ведения горных работ, безостановочной работы выемочного комплекса и использования каптируемого метана является первостепенной задачей при проектировании систем дегазационных газопроводов угольных шахт
Ключевые слова: дегазация, теплообмен, конденсация, гидравлическое сопротивление, подземный вакуумный газопровод, метановоздушная смесь.
Рост глубины разработки угольных месторождений влечет за собой увеличение количества метана, выделяющегося из угольных пластов, вмещающих пород, спутников угольных пластов и выработанного пространства в горные выработки.
В то же время еще более актуальной является задача обеспечения безопасности труда горнорабочих и безостановочного технологического процесса выемки угля за счет поддержания величины содержания метана в атмосфере подземных выработок в пределах установленных норм [1].
Неудовлетворительная работа дегазационных установок шахт обусловлена в значительной мере их нерациональными режимами работы, возникающими из-за снижения герметичности устьев дегазационных скважин и соединений звеньев труб подземного ва-
куумного газопровода, приводящих к увеличенным подсосам воздуха из атмосферы горных выработок внутрь системы, а также скоплениями в пониженных местах дегазационного трубопровода конденсата, угольной, породной пыли и продуктов коррозии, что из-за роста сопротивления трубопроводной сети приводит к необходимости включения в работу дополнительного числа вакуум-насосов. Очень часто нерациональные режимы работы дегазационной установки являются следствием недостаточно объективных расчетов выполненных на стадии проектирования, а это значит, что ряд факторов, оказывающих влияние на качество и количество подаваемой на поверхность метановоздушной смеси из горных выработок не учтены в расчетах, проектах и рабочих характеристиках системы дегазации.
В настоящее время применение эффективных способов дегазации источников газовыделения позволяет получать метановоздушную смесь на выходе из дегазационных скважин с высокой концентрацией метана. Но сохранить достигнутый уровень качества каптируемой метановоздушной смеси при ее транспортировании от скважин до вакуум-насосной станции и последующей утилизации не представляется возможным.
Таким образом, обоснование и определение рациональных гидро- и термодинамических режимов движения метановоздушной смеси по подземному вакуумному дегазационному трубопроводу для повышения безопасности ведения горных работ, безостановочной работы выемочного комплекса и использования каптируемого метана является первостепенной задачей при проектировании систем дегазационных газопроводов угольных шахт.
Метан, как побочный продукт угледобывающей промышленности, является высококалорийным топливом, и необходимость соблюдения требований, предъявляемых потребителем к транспортируемой метановоздушной смеси, отражается на поддержании требуемых параметров каптируемой смеси. Основными из них являются концентрация метана в смеси (не менее 45%) и стабильный расход метановоздушной смеси [2]. Для работы установки с наименьшими потерями по разрежению, создаваемому вакуум-насосами дегазационная система должна обладать минимальным гидравлическим сопротивлением трубопроводной сети и качественной герметизацией всех элементов и узлов системы, в целях исключения притечек воздуха из окружающей атмосферы горных выработок в систему вакуумных газопроводов. Производительность всей дегазационной системы в значительной мере за-
висит от пропускной способности газопровода, которая может существенно снизиться из-за скоплений воды с примесями угольной и породной пыли в местах прогибов, так как здесь происходит снижение проходного сечения труб и, как следствие, увеличение сопротивления трубопроводной сети.
При отсутствии скоплений капельной жидкости в вакуумном газопроводе на качество работы дегазационной сети влияет ее гидродинамическое сопротивление. В связи с наличием вышеперечисленных недостатков в работе дегазационной системы потери создаваемого вакуум-насосами разрежения больше расчетных. На величину падения давления по длине подземного газопровода влияет ряд факторов: гидродинамическое сопротивление трубопровода, подсосы воздуха в систему, длина трубопроводной сети. Сопротивление трубопровода характеризуется коэффициентом Дарси X, влияние которого на величину изменения давления в системе определяется зависимостью
Р1 - Р 2 = -
8Х1
2-
Р1 - Р2 Р1п2<
Р1
О2
гг
где Р1, Р2, - абсолютное давление в вакуумном трубопроводе соответственно в начале и конце участка, Па; 1 - длина участка, м; р1 - плотность метановоздушной смеси в начале участка, кг/м3; < - диаметр трубопровода на участке, м; От - массовый расход метановоздушной смеси на участке, кг/с; X - коэффициент Дарси.
Гидродинамический режим движения каптируемой метановоздушной смеси по вакуумному трубопроводу - турбулентный соответствующий квадратичной области [3]. Основную роль в образовании потерь энергии при турбулентном течении играют перемешивание и рассеивание кинети-
ческой энергии завихренных частиц. При транспортировании каптируемой метановоздушной смеси по вакуумному трубопроводу от скважин на поверхность в результате подсосов воздуха внутрь системы из окружающей шахтной атмосферы плотность и динамическая вязкость смеси увеличиваются (массовый расход метана при этом остается постоянным), а температура - уменьшается в результате теплообмена с окружающей средой, что влияет на сопротивление трубопроводной сети. Но такая зависимость не одинакова. Для новых труб с низкой шероховатостью изменение динамической вязкости смеси в результате подсосов воздуха в трубопровод влияет на величину коэффициента Дарси меньше, чем для старых. Таким образом при увеличении содержания метана в метановоз-душной смеси при любой шероховатости внутренних стенок труб значение величины коэффициента Дарси уменьшается. Влияние коэффициента Дарси на скорость движения мета-новоздушной смеси для разных диаметров трубопровода при одном и том же массовом расходе различно. В трубах с большими диаметрами коэффициент Дарси меньше, т. к. здесь силы инерции преобладают над турбулентной вязкостью. Можно сделать вывод, что с увеличением диаметра трубопровода уменьшается значение величины коэффициента Дарси, отражающего сопротивление вакуумного трубопровода. При этом падение давления при одних и тех же длине газопровода и массовом расходе смеси - уменьшается.
Следовательно правильно выбранные режимы работы дегазационных установок с учетом гидро- и термодинамических процессов в системе подземных вакуумных газопроводов существенно влияют на их пропускную способность.
Установлено что, при подаче, каптируемой из угольных шахт, метановоздушной смеси от скважин на поверхность в подземном дегазационном трубопроводе имеет место процесс вынужденного конвективного теплообмена сопровождающийся конденсацией паров воды в условиях вакуума в присутствии смеси неконденсирующихся газов: воздуха и метана (в газовой смеси имеются также и другие неконденсирующиеся газы, но их содержание незначительно).
Метановоздушная смесь, откачиваемая из дегазационных скважин угольных шахт, представляет собой смесь отдельных газов, не вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ в смеси независимо от других газов полностью сохраняет свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси.
Процесс конденсации водяного пара в подаваемой от скважин на поверхность или к потребителю метано-воздушной смеси от дегазации имеет ряд особенностей: конденсация происходит в условиях вакуума; процесс конденсации имеет место в постоянно движущейся метановоздушной смеси; содержание метана в неконденсирующейся части газовой смеси может изменяться от 0 до 100% (при этом массовый расход метана является постоянным); в метановоздушной содержится вода в виде капель, уголь и породная пыль; содержание воздуха в неконденсирующейся части метано-воздушной смеси может изменяться от 0 до 100% и при наличии притечек воздуха из внешней среды увеличивается по ходу движения от дегазационных скважин к вакуум-насосной станции; с наружной стороны подземный дегазационный трубопровод обтекается постоянно движущимся воздухом шахтной атмосферы, скорость которого также изменяется от 0 до
4 м/с в зависимости от расположения горной выработки; температура воздуха окружающей шахтной атмосферы также изменяется от 14-16 °С до 35-38 °С.
Общее давление газовой смеси в этом случае на основании закона
Дальтона определяется р = р + р + р
1 с 1 п 'в ' м
где рс, рп, рв, рм - давление соответственно общее смеси, парциальное водяного пара, парциальное сухого воздуха, парциальное метана, Па.
В процессе конденсации пара из паровоздушной смеси относительное содержание пара в слое, прилегающем к конденсатной пленке на внутренней поверхности трубопровода, и его парциальное давление рп снижаются. Снижается также и температура газовой смеси. Создается разность температур пара в ядре потока и поверхности конденсатной пленки. У стенки создается зона с повышенным содержанием воздуха. Слой смеси, обращенный к конденсатной пленке и насыщенный воздухом, тормозит частицы пара, направляющиеся к поверхности конденсации. Частицы пара проникают к поверхности конденсации лишь за счет молекулярной и турбулентной диффузии. Интенсивность протекания последней зависит от гидродинамических условий.
На поверхности с температурой ниже температуры насыщения пара возможны два вида конденсации: пленочная и капельная, то есть конден-сатный слой может иметь вид сплошной пленки или отдельных капель (в этом случае конденсат не смачивает поверхность охлаждения).
Интенсивность теплоотдачи при капельной конденсации в 5-20 раз больше, чем при пленочной, так как при последней теплообмен идет через слой конденсата, имеющего значительное тепловое сопротивление. В рассматриваемом случае имеет
место пленочная конденсация паров воды.
Если при конденсации метановоз-душная смесь движется с определенной скоростью, то на границе раздела фаз возникает трение между паром и конденсатной пленкой. Сила трения в зависимости от величины и направления может ускорять или замедлять стекание пленки конденсата. Увеличение скорости смеси способствует усилению механического воздействия и возникновению возмущений пленки. Происходит процесс ее турбули-зации. Растет интенсивность процесса теплообмена.
Экспериментальные исследования ряда отечественных ученых показали, что увеличение скорости газового потока при наличии небольшого количества воздуха в конденсирующемся паре значительно интенсифицирует процесс теплообмена.
Наличие в движущемся конденсирующемся паре жидкости в виде капель или частиц пыли также положительно отражается на интенсификации процесса теплообмена. Установить характер влияния, содержащейся в метановоздушной смеси, угольной и породной пыли, а также капельной жидкости, выносимых потоком газа из дегазационных скважин, практически затруднительно, так как их количество постоянно изменяется в зависимости от количества одновременно эксплуатируемых скважин, разрежения в их устье и других локальных причин.
Величина разрежения в подземном дегазационном трубопроводе обычно изменяется от 0 до 67 кПа. Число Кнудсена, характеризующее соизмеримость средней длины свободного пробега молекул с характерным линейным масштабом течения, для этих условий меньше 10-3, поэтому при рассмотрении процесса теплообмена в дегазационном трубопроводе можно пренебречь дискретным строением газа.
Исходя из проведенного анализа факторов, определяющих особенности процесса теплообмена можно еще раз подтвердить вывод, что в системе подземных дегазационных трубопроводов имеет место процесс вынужденного конвективного теплообмена при вакуумной конденсации паров воды в присутствии воздуха и метана. Математическое описание процессов такого рода, как известно, состоит из: уравнения теплопроводности; уравнения движения; уравнения сплошности; уравнения теплоотдачи; условий однозначности.
Анализируя особенности процесса конвективного теплообмена, имеющего место в подземных дегазационных газопроводах, приходим к выводу, что в рассматриваемом случае теплотой трения газа можно пренебречь.
Принято считать, что если скорость газа или газовой смеси меньше четвертой части скорости звука, то к газам можно применять законы движения и теплоотдачи, полученные для несжимаемой жидкости.
В подземных дегазационных трубопроводах метановоздушная смесь движется со скоростью не более 2025 м/с, поэтому, если при движении газа и возникают разности давления, небольшие по сравнению с его абсолютным давлением, то изменения объема получаются малыми, и такие потоки газа можно считать несжимаемыми.
Уравнение подобия для процесса вынужденного конвективного теплообмена, происходящего в подземном вакуумном дегазационном газопроводе, будет иметь вид
Ми = {(Ив, Рг) ,
где Ми - число Нуссельта, характеризующее интенсивность процесса теплообмена; Ив - число Рейнольдса, характеризующее гидродинамический режим потока; Рг - число Прандтля -
теплофизическая характеристика теплоносителя.
Это уравнение можно представить в следующем виде
а =
X
VI цС
Л
X
где а - коэффициент теплоотдачи влажной метановоздушной смеси, Вт/м2К; 1 - характерный геометрический размер системы, м; X - коэффициент теплопроводности влажной ме-тановоздушной смеси, Вт/м К; V - характерная, обычно средняя скорость метановоздушной смеси в начальном сечении системы, м/с; V - кинематическая вязкость метановоздушной смеси, м2/с; ц - динамическая вязкость смеси, Па с; С - коэффициент удельной теплоемкости влажной мета-новоздушной смеси, Дж/кгК.
Экспериментально было установлено, что величина числа Нуссельта для характерных условий эксплуатации подземных вакуумных дегазационных газопроводов (содержание метана в газовой смеси а = 0-100%;
м 1
температура смеси Т = 277-313 К; скорость метановоздушной смеси в подземном вакуумном газопроводе V = 2-25 м/с) изменяется в пределах от 0,1 до 75. Также можно сделать
Рис. 1. График зависимости № = { (Яе, ам) :
1 - а = 0,1; 2 - а = 0,5; 3 - а = 0,7;
м ' ' м ' ' м ' '
4 - а = 0,9
Рис. 2. График зависимости № = «Р, О)
1 - О1 = 28 м3/мин; 2 - О1 = 24 м3/мин; 3 - О1 = 20 м3/мин; 4 - 01 = 12 м3/мин; 5 - О1 = 5 м3/мин
N11
/
1 ч у.
//
г//
э 1
Рис. 3. График зависимости
= Ца„ О)
1 - О1 = 28 м3/мин; 2 - О1 = 24 м3/мин; 3 - О1 = 20 м3/мин; 4 - О1 = 16 м3/мин; 5 - О1 = 12 м3/мин
вывод о том, что чем больше содержание метана в метановоздушной смеси (рис. 1), тем интенсивнее происходит процесс теплообмена при одинаковом гидродинамическом режиме движения газа.
Таким образом, для снижения количества конденсата, образующегося в процессе движения влажной мета-новоздушной смеси по подземному вакуумному газопроводу от скважин на поверхность или к потребителю в условиях относительно постоянного температурного режима, необходимо стремиться к повышению содержания метана в каптируемой метановоздуш-ной смеси, а также снижению подсосов воздуха из окружающих горных выработок через неплотности соединений звеньев труб.
Влияние теплофизических характеристик влажной метановоздушной смеси на интенсивность процесса теплообмена, имеющего место в подземных системах дегазации угольных шахт при различных гидродинамических режимах движения газовой смеси отражено на рис. 2.
С увеличением количества метановоздушной смеси, подаваемой на поверхность по подземным трубо-
проводам с постоянными конструктивными параметрами, растет интенсивность процесса теплообмена при одинаковых теплофизических характеристиках газовой смеси (удельная теплоемкость, теплопроводность, динамическая вязкость). Величина числа Прандтля растет с увеличением содержания метана в метановоздушной смеси, при этом значения динамической вязкости и теплопроводности снижаются, а удельной теплоемкости - растут.
График зависимости, представленный на рис. 3 еще раз подтверждает мнение о том, что с ростом содержания метана в каптируемой метановоз-душной смеси интенсивность процесса теплообмена, а следовательно и конденсации растет.
Процесс конденсации паров воды при движении каптируемой метано-воздушной смеси от скважин на поверхность отсутствует, если числа Нуссельта имеют значения меньше чем, определяемые по следующей зависимости на 10-15%.
Мы = 0,008
цС
Это означает, что в пониженных местах подземного вакуумного дегазационного газопровода не будет скапливаться конденсат, образующий водяные пробки, что вызывает сбои в работе систем дегазации угольных шахт. Обеспечение такого теплового режима возможно при охлаждении газовой смеси у скважин до температуры, определяемой в каждом случае.
Таким образом гидродинамический режим движения метановоздуш-ной смеси в подземных вакуумных газопроводах для обеспечения непрерывной подачи каптируемой из дегазационных скважин метановоздушной смеси на поверхность или к потребителю должен определяться с учетом интенсивности происходящих в системе тепловых процессов.
Величина эквивалентного диаметра любого участка газопровода с учетом пропускной способности, коэффициент сопротивления этого участка и критерии Рейнольдса, Эйлера и Нуссельта, характеризующие гидродинамический режим движения влажной метановоздушной смеси по участку газопровода, определяются системой уравнений
ч 0,25
Л Ай
X = 0,11
'д + 68
+ Ив у
< = 55
1,62 от2; ял X
2 2 РГ - Р22
Яв = 3,75 • 104ам003ОС Р2009Т2-04<-10
Ей = 2553 а!32О;-1'96 Ми = 0,008
/ \0,99 .3,91
(Р1 - Р2 ) <
1,16 1 | I ЦС ^
V
I X у
где X - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси);
А - эквивалентная шероховатость поверхности стенок труб, м; <1 - эквивалентный диаметр любого участка газопровода с учетом его пропускной способности, м; И1 - газовая постоянная влажной метановоздушной смеси, Дж/кгК; V - скорость метановоздуш-ной смеси, м/с; 1 - характерный геометрический размер системы, м; V - коэффициент кинематической вязкости метановоздушной смеси, м2/с; X - коэффициент теплопроводности среды, Вт/мК; ц - коэффициент динамической вязкости метановоздушной смеси, Пас; Ср - удельная теплоемкость влажной метановоздушной смеси, Дж/кг К; Ив - критерий Рейнольдса; Еи - критерий Эйлера; Ми - критерий Нуссельта; О'с - объемный расход метановоздушной смеси на выходе любого участка газопровода с учетом пропускной способности трубопроводной сети, м3/мин; индекс 2 - параметры метановоздушной смеси на выходе любого участка газопровода.
Таким образом, при проектировании новых и диагностике работы существующих дегазационных установок, а также при вводе в эксплуатацию новых дегазационных участков угольных шахт необходимо обязательно учитывать особенности термо- и гидродинамических процессов имеющих место при движении влажной ме-тановоздушной смеси с учетом влияния тепловых факторов окружающей атмосферы посредством сравнения величин критериев термо- и гидродинамического подобия движущихся потоков каптируемой смеси по подземному газопроводу с их рациональными интервалами, в пределах которых гарантированно обеспечивается эффективная работа дегазационных установок в имеющихся условиях эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Храмцов В.И. Состояние дегазации и перспективы ее развития на шахтах Кузбасса // Безопасность труда в промышленности. - 2003.- № 3.- С. 22-24.
2. Инструкция по дегазации угольных шахт. Серия 05. Выпуск 22. - М.: ЗАО «НаКОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
учно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2012. -250 с.
3. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. 2-е изд.- М.: Изд-во МГГУ, 2012. - 190 с. ЕЕН
Малашкина Валентина Александровна - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, e-mail: ud@msmu.ru.
UDC 622.411.33:533.17
RESEARCH OF INFLUENCE OF HYDRO-AND THERMODYNAMIC PROCESSES IN THE DEGASSING PIPELINES ON THE QUALITY OF A METHANE-AIR MIXTURE, INVOLVED FROM COAL MINES
Malashkina V.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State Mining University, e-mail: ud@msmu.ru.
The article is devoted to changes in the quality of methane-air mixture extracted from coal mines, under the influence of hydro- and thermodynamic processes in underground vacuum gas pipelines.
At present, the use of effective methods of degassing sources of gas emis-sion allows to receive a methane-air mixture at you-the course of degasification wells with high methane concentrations. To maintain the current level of quality of captured methane-air mixture during its transportation from the wells to the vacuum pump station and further recycling is not possible. Thus, the rationale and definition of rational hydro - and thermodynamic driving modes of methane-air mixture at underground vacuum degassing of pipe-line for increase of safety of conducting mountain works, azotnogo-tion of the work of the mining complex and utilization of captured methane explosion is paramount when designing systems degasification of coal mine gas pipelines
Key words: methane drainage, heat transfer, condensation, hydraulic friction, underground vacuum gas transmission line, air-and-methane mixture.
REFERENCES
1. Hramcov V.I. Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 2003, no 3, pp. 22-24.
2. Instrukcija po degazacii ugol'nyh shaht. Serija 05. Vypusk 22 (Coal mine degassing guidelines, Version 05, Issue 22), Moscow, ZAO «Nauchno-tehnicheskij centr issledovanij problem promyshlennoj bezopas-nosti», 2012, 250 p.
3. Malashkina V.A. Degazacionnye ustanovki: Ucheb. posobie. 2-e izd (Gas drainage units: Educational aid. 2nd edition), Moscow, Izd-vo MGGU, 2012, 190 p.
_Д
