CC BY
13
УДК 662.74
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕНОСА В УГОЛЬНОМ ПЛАСТЕ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ
Д.Р. Каплунов, Г. В. Фридлендер, В. А. Фатуев, Е.А. Машинцов
Рассмотрена задача теплопереноса в угольном пласте с внутренними источниками тепла, имитирующими движение огневого забоя, с учетом теплоотдачи в окружающую породу. Решение поставленной задачи осуществлялось при помощи численного моделирования процессов тепломассопереноса в веществе с использованием метода конечных объемов. В результате численного моделирования были получены распределения температур в пласте и вмещающей породе в любой момент времени, также были получены значения тепловых потоков от пласта в вмещающую породу.
Ключевые слова: угольный пласт, тепломассоперенос, нестационарное уравнение теплопроводности, закон Ньютона - Рихмана.
Подземная газификация угля вновь приобретает экономическое значение для территорий с месторождениями низкосортных углей. Важнейшим процессом этой технологии является теплоперенос в газифицируемом угольном пласте и вмещающих породах.
В ходе работы моделировался нестационарный процесс тепломас-сопереноса в угольном пласте при движении огневого забоя с учетом отвода тепла в окружающую породу. В виду того что в среднем скорость огневого забоя не превышает 0,5 м/с [1], в данной работе его движение имитировалось с помощью определенного количества внутренних источников тепла, каждый из которых работает последовательно в зависимости от пройденного времени, тем самым имитируя движение огневого забоя вдоль угольного пласта. Угольный пласт имеет размеры 15 м в длину (направление движения огневого забоя) и 20 м в ширину, мощность пласта составляет 2 м. В работе предполагается, что угольный пласт заключен в параллелепипед из вмещающих пород.
Математическая модель. Основным механизмом передачи тепла в рассматриваемой задаче является теплопроводность. Нестационарный перенос тепла теплопроводностью описывается следующим уравнением, записанным в декартовой системе координат [2 - 3]:
Рс
дТ д
дt дх
X
дТ_ дх
д + —
ду
Г
дТ
д + —
дх
X
дТ_
дх
д д д + б. (Т, х, у, г, t), (1) ду ) дх \ дх )
где р, с - плотность и теплоемкость угля соответственно; Т, X - температура и теплопроводность угля соответственно; б. - мощность внутренних
источников тепловыделения; х, у, г - пространственные координаты; ? -время.
Это уравнение Фурье - Кирхгофа устанавливает связь между временным и пространственным изменением температуры в любой точке тела. Чтобы из бесчисленного количества этих вариантов выбрать один и дать его полное математическое описание, к соотношению Ошибка! Источник ссылки не найден. необходимо добавить условия однозначности, которые содержат геометрические, физические, начальные и граничные условия. Геометрические условия определяют форму и размеры тела, в котором протекает изучаемый процесс. Физические условия определяют теплофизические характеристики тела X, р, с. Временные (начальные) условия содержат распределение температуры в теле в начальный момент времени: Т (х, у, г ,0 ) = / (х, у, г). Граничные условия определяют особенности протекания процесса на поверхности тела и могут быть заданы несколькими способами [1]. Граничные условия первого рода (условия Дирихле) - задается распределение температуры на поверхности (или границе) тела для каждого момента времени. Обычно условие используется для идеализированного описания реальных процессов в оценочных расчетах:
Т„ =ф( X У, г I), (2)
где ТI - температура на внешней поверхности угольного пласта.
Граничные условия второго рода (условия Неймана) - задается значение теплового потока для каждой точки поверхности (или границы) угольного пласта в любой момент времени:
'дТ^ , ч
= (х, У,гI). (3)
дп
X
V дп
где п - нормаль к внешней поверхности угольного пласта.
Граничные условия третьего рода - задается взаимосвязь между потоком тепла за счет теплопроводности от твердой стенки и тепловым потоком из окружающей среды за счет температурного напора (закон Ньютона - Рихмана) [1]:
X
дТ
дп
= а( - Те), (4)
V
где а - коэффициент теплообмена; Т^ - температура поверхности тела; Те - температура окружающей тело среды.
Данное условие часто распространяют на процессы переноса тепла излучением. Для этого тепловой поток на стенку записывают в виде суммы потока тепла, переносимого конвекцией, и потока, переносимого излучением:
d = а( - Te) + sa0 ( - Te4), (5)
J w
где s - приведенная степень черноты системы, а0 = 5,67 • 10-8 Вт/(м- К4) -
постоянная Стефана - Больцмана.
Граничные условия четвертого рода - для определения теплового взаимодействия между элементами, имеющими различные теплофизиче-ские характеристики, задают условия равенства температур и тепловых потоков по обе стороны от границы раздела. Если на границе идут процессы с выделением или поглощением тепла, например, при фазовых превращениях, то в первое уравнение вводятся величины соответствующих потоков тепла. Для учета свойств в области теплового контакта вводятся дополнительные термические сопротивления. Дифференциальное уравнение Ошибка! Источник ссылки не найден. вместе с условиями однозначности дает полную математическую формулировку краевой задачи теплопроводности.
Результаты численного моделирования. Численное моделирование проводилось при помощи программного комплекса ANSYS 18.0 [4 -12]. На рис. 1 показан общий вид расчетной области. Конечное время численного расчета составляет 15 суток.
symmetry plane
I
symmetry plane
Рис. 1. Общий вид расчетной области. Красным цветом показана зона угольного пласта, зеленым - зона вмещающих пород, 8утте1гур1ане -применение граничного условия симметрии
Рис. 2. Распределение температуры в пласте по окончанию первого дня
движения огневого забоя
Рис. 3. Распределение температуры в пласте по окончанию пятого дня
движения огневого забоя
Рис. 4. Распределение температуры в пласте по окончанию десятого
дня движения огневого забоя
Рис. 5. Распределение температуры в пласте по окончанию пятнадцатого дня движения огневого забоя
Рис. 6. Распределение температуры во вмещающей породе по окончанию первого дня движения огневого забоя
Рис. 7. Распределение температуры во вмещающей породе по окончанию пятого дня движения огневого забоя
Рис. 8. Распределение температуры во вмещающей породе по окончанию десятого дня движения огневого забоя
Рис. 9. Распределение температуры во вмещающей породе по окончанию пятнадцатого дня движения огневого забоя
На рис. 2 - 9 показано поле температур в пласте и вмещающих породах в моменты времени соответствующие 1, 5, 10 и 15 дням движения огневого забоя в угольном пласте.
В ходе данной работы был численно промоделирован процесс теплопереноса в угольном пласте с внутренними источниками тепла, имитирующими движение огневого забоя, с учетом теплоотдачи в окружающую породу. Данная модель позволяет получить распределение температур в пласте и вмещающих породах в любой момент времени, а также получить численное значение количества теплоты, уходящего от угольного пласта в вмещающую породу за счет теплопроводности, при движении огневого забоя за любой промежуток времени.
Список литературы
1. Денисов М.А. Математическое моделирование теплофизических процессов. ANSYS и CAE - проектирование: учеб. пособие. Екатеринбург, УрФУ., 2011.
2. Самарский А.А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС. 2003. 784 с.
3. Аникеев А. А., Молчанов А.М., Янышев Д.С. Основы вычислительного теплообмена: учеб. пособие. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ». 2010. 152 с.
4. Yin J., Zhu H. Simulation of temperature distribution in single metallic powder layer for laser micro-sintering. // Computational Materials Science2012; 53(1): 333-9.
5. Roberts I.A., Wang C.J., et al. A three-dimensional finite element analysis of the temperature field during laser melting of metal powders in additive layer manufacturing. // International Journal of Machine Tools and Manufacture 2009; 49(12): 916-23.
6. Dong L., Makradi A., Ahzi S., Remond Y. Three-dimensional transient finite element analysis of the selective laser sintering process. // Journal of Materials Processing Technology 2009; 29:700-6.
7. Li F., Liu Y. and Xing J. Thermal analysis and stress analysis of the heat-exchange pipe based on ANSYS // Fourth international conference on information and computing. Thailand. 2011.
8. Jianjiang Wang, Renx Hu, Yinglin Liu. The Finit Element Analysis of ANSYS 11.0 in Structure and Thermodynamics // Machinery industry publishing house. 2008.
9. Jianfeng Zhang, Cuiling Wang, Yuping Wu, Ming Gu. Application of ANSYS in Heat-analysis // Energy for Metallurgical Industry Journal. 2004.
10. Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical Applications. ANSYS, Inc. Release 14.5. Ansys, Inc. Canonsburg. PA. 2012.
11. Clausen H.B. Plate forming by line heating // PhD Thesis, published in Denmark by Department of Naval Architecture and Offshore Engineering. Technical University of Denmark. April 2000.
12. Pankaj Biswas N.R. Mandal O.P. Sha. Three-dimensional finite element prediction of transient thermal history and residual deformation due to line heating. // The Journal of Engineeringfor the Maritime Environment. 2007.
13.. Комплексное использование буроугольных месторождений/ Л.А. Пучков, Н.М. Качурин, Н.И. Абрамкин, Г.Г. Рябов // Изд-во «Горная книга». Москва, 2007.
Каплунов Давид Родионович, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РАН, kapdan@ ramhler.rH, Россия, Москва, ИПКОН РАН,
Фридлендер Григорий Владимирович, асп., ecology_tsu_tula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фатуев Виктор Александрович, д-р техн. наук, проф., ecologvJsuJula@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Мащинцов Евгений Арсеньевич, д-р техн. наук, проф., ecology_tsu_tula@mail.ru, Россия, Москва, ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России»
MODELING OF HEAT TRANSFER PROCESS IN THE COAL SEAM WITH INTERNAL HEAT SOURCES AND ENCLOSING ROCK
D.R. Kaplunov, G.V. Fridlender, V.A. Fatuev, E.A. Mashentsov
The article deals with the problem of heat transfer in a coal seam with internal heat sources imitating the movement of a combustion face, taking into account the heat transfer to the surrounding rock. The solution of this problem was carried out by numerical simulation of the processes of heat and mass transfer in matter using the finite volume method.As a result of numerical modeling temperature distribution in the coal seam and the values of heat fluxes from the seam to enclosing rock were obtained.
Key words: coal seam, heat and mass transfer, transient heat equation, Newton-Richmann law.
Kaplunov David Rodionovich, doctor of technical sciences, professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, kapdan@rambler.ru, Russia, Moscow, IPKON RAS,
Fridlender Grigoryi Vladimirovich, Postgraduate, ecologyjsujula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Fatuev Victor Alexandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, ecology_ tsu_ tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Mashentsov Evgenei Arsenievich, Doctor of Technical Sciences, Professor, ecology_ tsu_ tula@,mail.ru, Russia, Moscow, "Academy of Civil Protection of the Ministry by Emergency Situation.
Reference
1. Denisov MA Mathematical modeling of thermophysical processes. ANSYS and CAE - design: training. allowance. Ekaterinburg, UrFU., 2011.
2. Samarsky AA, Vabishchevich PN Computational heat transfer. Moscow: Editorial URSS. 2003. 784 c.
3. Anikeev AA, Molchanov AM, Yanyshev DS Fundamentals of computational heat exchange: Textbook. allowance. Moscow: LIBROKOM Book House. 2010. 152 pp.
4. Yin J., Zhu H. Simulation of temperature distribution in a single metallic powder layer for laser micro-sintering. // Computational Materials Sci-ence2012; 53 (1): 333-9.
5. Roberts I.A., Wang C.J., et al. A three-dimensional finite element analysis of the temperature field during laser melting of metal powders in addi-tive layer manufacturing. // International Journal of Machine Tools and Manu-facture 2009; 49 (12): 916-23.
6. Dong L., Makradi A., Ahzi S., Remond Y. Three-dimensional transient finite element analysis of the selective laser sintering process. // Journal of Materials Processing Technology 2009; 29: 700-6.
7. Li F., Liu Y. and Xing J. Thermal analysis and stress analysis of the heat-exchange pipe based on ANSYS // Fourth international conference on in-formation and computing. Thailand. 2011.
8. Jianjiang Wang, Renx Hu, Yinglin Liu. The Finit Element Analysis of ANSYS 11.0 in Structure and Thermodynamics // Machinery industry publishing house. 2008.
9. Jianfeng Zhang, Cuiling Wang, Yuping Wu, Ming Gu. Application of ANSYS in Heat-analysis // Energy for Metallurgical Industry Journal. 2004.
10. Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical Applications. AN-SYS, Inc. Release 14.5. Ansys, Inc. Canonsburg. PA. 2012.
11. Clausen H.B. Plate forming by line heating // PhD Thesis, pub-lished in Denmark by Department of Naval Architecture and Offshore Engineering. Technical University of Denmark. April 2000.
12. Pankaj Biswas N.R. Mandal O.P. Sha. Three-dimensional finite element prediction of transient thermal history and residual deformation. // The Journal of Engineering for the Maritime Environment. 2007.
13 .. Complex use of brown coal deposits / L.A. Puchkov, N.M. Kachurin, N.I. Ab-ramkin, G.G. Ryabov // Publishing house "Mining book". Moscow, 2007.
УДК 620.1+622.691+622.276+65.11.56
ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМОГО КОМПЛЕКСА ТЕЛЕМЕТРИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ХРАНИЛИЩ (ПХГ)
В.Е. Столяров, Н.А. Еремин
Рассмотрены вопросы создания цифровых месторождений как эффективного способа способствующего оптимизации эксплуатационных затрат и повышению рентабельности газодобывающего месторождения и хранилищ газа (ПХГ). Применение энергонезависимых комплексов телеметрии позволяет без значительных затрат обеспечить оптимизацию добычи и повышение качества оперативного управления за счет получения оперативной информации от существующего скважинного фонда, создать реальную геолого-геофизическую модель месторождения с целью выработки эффективных управляющих воздействий на скважинное оборудование с учетом технологических особенностей месторождения и оборудования. Применение цифровых технологий позволяет обеспечить ситуационное оперативное управление месторождением на стадии падающая добыча с целью рационального использования остаточного пласто-
