СЕКЦИЯ 13. ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА

IV Всероссийская научно-практическая конференция с элементами научной школы для студентов
и учащейся молодежи «Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении»
СЕКЦИЯ 13. ЭКОЛОГИЯ, БЕЗОПАСНОСТЬ И ОХРАНА ТРУДА НА ПРЕДПРИЯТИИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИОГЕННЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ТУШЕНИЯ
ПОДЗЕМНЫХ ПОЖАРОВ
Т.А. Белькова, С.Ю. Тадыева, студенты группы 17390,
научный руководитель: Портола В.А.
Юргинский технологический институт (филиал)
Национального исследовательского Томского политехнического университета
652055, Кемеровская обл., г. Юрга, ул. Ленинградская, 26
Подземные пожары, возникающие в шахтах при добыче полезных ископаемых, представляют
большую опасность для шахтеров и горноспасателей, ликвидирующих аварийную ситуацию, из-за
выделения токсичных газов в горные выработки. Особенно опасны эндогенные пожары, возникающие из-за самовозгорания горючих материалов. В шахтах такие пожары обычно зарождаются в недоступных для человека местах, что затрудняет их обнаружение и ликвидацию. Тушение пожаров,
возникающих в горючих полезных ископаемых на угледобывающих предприятиях, существенно отличается от тушения пожаров на поверхности земли. Так, на поверхности продукты сгорания поднимаются конвективными потоками воздуха в атмосферу, что в большинстве случаев позволяет приблизиться к очагу горения на необходимое для подачи хладагента расстояние. Подаваемые в очаг
пожара пожаротушащие вещества (вода, пена) отнимают от горящего вещества тепло, нагреваются и
также поднимаются, унося тепло очага в атмосферу.
Появление горящего угля в шахте приводит к заполнению токсичными продуктами горных выработок, что затрудняет подход к очагу. Кроме того, возникает опасность взрыва горючих газов и угольной
пыли. Поэтому хладагент приходится подавать на большие расстояния по трубам, скважинам. Существенно затрудняется тушение из-за того, что нагретый в очаге пожара хладагент не уходит в атмосферу, а
распространяется в горючем ископаемом, нагревая его и способствуя распространению горения.
Повысить эффективность тушения пожаров в шахтах позволит применение составов, содержащих компоненты, поглощающие тепло при нагревании на фазовые переходы. Так, в подаваемый
азот можно добавлять мелкодисперсные частицы из замороженной жидкости [1, 2]. Дальность
транспортирования замороженных частиц в скоплении угля существенно больше, чем у частиц в
жидком состоянии, а теплосъем с угля возрастает за счет поглощения тепла при фазовых переходах
изо льда в жидкость и из жидкого состояния в парообразное.
Для получения состава, состоящего из газообразного азота и замерзших частиц жидкости целесообразно использовать совместное распыление жидкого азота и жидкости. В процессе передачи
тепла от частиц жидкости к частицам жидкого азота происходит переход азота в газообразное состояние, а жидкость переходит в твердое состояние. Совместное распыление жидкого азота и воды
приводит к образованию огромных площадей прямого контакта между теплоносителем и жидким
азотом. В результате резко увеличивается производительность устройства по газообразному азоту,
уменьшается его масса и размеры.
Исходя из изложенного, возникает необходимость исследовать свойства составов, получаемых
при перемешивании жидкого азота и воды, а также эффективность их воздействия на горящий уголь.
Полученные данные позволят разработать высокопроизводительное оборудование для газификации
жидкого азота и технологические схемы применения инертных составов для борьбы с пожарами горючих ископаемых.
При перемешивании распыленных частиц жидкого азота и воды температура воды будет снижаться, а тепло, отданное жидкому газу, будет использоваться для фазового перехода и получения
газообразного азота. Отдающие тепло частицы воды начинают охлаждаться, превращаясь в кристаллики льда. Приравнивая количество тепла, получаемое азотом, к количеству тепла, отдаваемого водой, получим следующее уравнение, связывающее параметры исходных компонентов и температуры
образуемого состава, равной -196о С или 77 К.
G
G
a
w

c
w
(t
o
 t
L
)  r  c (t
 t )
c ,
L
L
L
r
a
637
(1)
Секция 13. Экология, безопасность и охрана труда на предприятии
где Ga – расход азота, кг/с; ra – удельная теплота испарения жидкого азота, кДж/кг; Gw –
расход воды, кг/с; cw – теплоемкость воды, кДж/(кг·К); t0 – начальная температура воды, о С; tL –
температура замерзания воды, о С; rL – удельная теплота замерзания воды, кДж/кг; сL – теплоемкость льда, кДж/(кг·К); tc – температура образуемой смеси азота и воды, о С.
Учитывая, что теплота испарения азота равна 197,5 кДж/кг, теплоемкость воды 4,2 кДж/(кг·К),
теплоемкость льда равна 2,09 кДж/(кг·К), теплота замерзания воды равна 324 кДж/кг, на рис. 1 приведена зависимость изменения соотношения расхода жидкого азота и воды от величины начальной
температуры воды для получения инертного состава, имеющего температуру -196 оС.
GА
GW
5
4
3
20
40
80
60
0
TW
Рис. 1. Влияние начальной температуры воды на соотношение расхода жидкого азота
и воды для получения инертного состава
В случае, если температура получаемого инертного состава будет превышать температуру испарения жидкого азота, получаем следующее соотношение между расходом воды, жидкого азота и
параметрами получаемого инертного состава
c (t  t )  r  c (t  t )
a  w o
c .
L
L
L L
G
r  c (t  t )
w
a
a c
L
G
(2)
где сa – теплоемкость газообразного азота, кДж/(кг·К).
Влияние начальной температуры воды на соотношение расходов жидкого азота и воды для получения инертного состава с температурой -100о С, рассчитанное по формуле (2), приведено на рис. 2.
GА
G
W
3
2
1
20
40
80
0
60
TW
Рис. 2. Влияние начальной температуры воды на соотношение расходов жидкого азота и воды
для получения состава с температурой -100о С
Анализируя данные, приведенные на рис. 1 и 2, можно сделать вывод, что с увеличением температуры воды, используемой для газификации жидкого азота, возрастает расход азота и увеличивается
процентное содержание газообразного азота в инертном составе. При росте температуры получаемого
состава снижается расхода газифицируемого жидкого азота и увеличивается доля льда в смеси.
Литература.
1. Патент РФ 2082885. Способ борьбы с подземными пожарами / В.А. Портола. 1997. – Б.И., № 18.
2. Патент РФ 2092203. Способ борьбы с пожарами / В.А. Портола. 1997. – Б.И., № 28.
638