Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды
Использование шахтного дегазационного метана требует систем трубопроводов функционирующих круглогодично на поверхности угольных шахт. Метановоздушная смесь (МВС) на выходе из вакуум-насосов шахтных дегазационных установок содержит взвешенную влагу и имеет высокую относительную влажность. При охлажде...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2014
|
| Назва видання: | Геотехнічна механіка |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109489 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды / В.Р. Алабьев // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 142-153. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-109489 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1094892016-12-01T03:02:24Z Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды Алабьев, В.Р. Использование шахтного дегазационного метана требует систем трубопроводов функционирующих круглогодично на поверхности угольных шахт. Метановоздушная смесь (МВС) на выходе из вакуум-насосов шахтных дегазационных установок содержит взвешенную влагу и имеет высокую относительную влажность. При охлаждении МВС происходит конденсация водяных паров, содержащихся в МВС. При отрицательных значениях температуры атмосферного воздуха конденсат превращается в лед, что уменьшает внутреннее сечение трубопроводов вплоть до их полной закупорки. Для защиты от обмерзания на шахтах применяют, в основном, теплоизоляцию дегазационных трубопроводов. Однако вопрос применения теплоизоляции во избежание излишних расходов должен решаться на основании тепловых расчетов с учетом термодинамических параметров МВС и окружающей среды, удаленности вауум-насосных станций от потребителей и других факторов. Однако в настоящее время методики, позволяющей выполнить такие расчеты, не существует. Використовування шахтного метану дегазації вимагає систем трубопроводів функціонуючих цілорічно на поверхні вугільних шахт. Метановоздушная суміш (МВС) на виході з вакууму-насос шахтних установок дегазації містить зважену вологу і має високу відносну вогкість. При охолоджуванні МВС відбувається конденсація водяної пари, що міститься в МВС. При негативних значеннях температури атмосферного повітря конденсат перетворюється на лід, що зменшує внутрішній перетин трубопроводів аж до їх повної закупорки. Для захисту від обмерзання на шахтах застосовують, в основному, теплоізоляцію трубопроводів дегазації. Проте питання вживання теплоізоляції щоб уникнути зайвих витрат повинне розв'язуватися на підставі теплових розрахунків з урахуванням термодинамічних параметрів МВС і навколишнього середовища, віддаленості вауум-насосных станцій від споживачів і інших чинників. Проте в даний час методики, що дозволяє виконати такі розрахунки, не існує. The use of mine decontamination methane requires the systems of pipelines of coal mines functioning kruglogodychno on a surface. The Metanovozdushnaya mixture (MVS) on an exit from the vacuum-pumps of mine decontamination options contains the weighed moisture and has high relative humidity. At the MVS cooling there is condensation of the aquatic steams contained in MVS. At the negative values of temperature of atmospheric air kondensat grows into ice, that diminishes the internal section of pipelines up to their complete corking. For defence from obmerzanyya on mines apply, mainly, teployzolyatsyyu of decontamination pipelines. However much the question of application of teployzolyatsyy in order to avoid superfluous charges must decide on the basis of thermal calculations taking into account the thermodynamics parameters MVS and environment, remoteness of the вауум-насосных stations from users and other factors. However presently a method allowing to execute such calculations does not exist. 2014 Article Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды / В.Р. Алабьев // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 142-153. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109489 622.817.4: 621.643:536.2 ru Геотехнічна механіка Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Использование шахтного дегазационного метана требует систем трубопроводов функционирующих круглогодично на поверхности угольных шахт. Метановоздушная смесь (МВС) на выходе из вакуум-насосов шахтных дегазационных установок содержит взвешенную влагу и имеет высокую относительную влажность. При охлаждении МВС происходит конденсация водяных паров, содержащихся в МВС. При отрицательных значениях температуры атмосферного воздуха конденсат превращается в лед, что уменьшает внутреннее сечение трубопроводов вплоть до их полной закупорки. Для защиты от обмерзания на шахтах применяют, в основном, теплоизоляцию дегазационных трубопроводов. Однако вопрос применения теплоизоляции во избежание излишних расходов должен решаться на основании тепловых расчетов с учетом термодинамических параметров МВС и окружающей среды, удаленности вауум-насосных станций от потребителей и других факторов. Однако в настоящее время методики, позволяющей выполнить такие расчеты, не существует. |
| format |
Article |
| author |
Алабьев, В.Р. |
| spellingShingle |
Алабьев, В.Р. Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды Геотехнічна механіка |
| author_facet |
Алабьев, В.Р. |
| author_sort |
Алабьев, В.Р. |
| title |
Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды |
| title_short |
Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды |
| title_full |
Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды |
| title_fullStr |
Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды |
| title_full_unstemmed |
Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды |
| title_sort |
установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2014 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/109489 |
| citation_txt |
Установление закономерностей тепломассообменных процессов в системе «окружающая среда – газопровод – газ дегазации» при транспортировке влажной метановоздушной среды / В.Р. Алабьев // Геотехнічна механіка: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2014. — Вип. 114. — С. 142-153. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Геотехнічна механіка |
| work_keys_str_mv |
AT alabʹevvr ustanovleniezakonomernostejteplomassoobmennyhprocessovvsistemeokružaûŝaâsredagazoprovodgazdegazaciipritransportirovkevlažnojmetanovozdušnojsredy |
| first_indexed |
2025-07-07T23:10:38Z |
| last_indexed |
2025-07-07T23:10:38Z |
| _version_ |
1837031583287083008 |
| fulltext |
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
142
УДК 622.817.4: 621.643:536.2
В.Р. Алабьев, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.
(ПАО «Шахта им. А.Ф.Засядько»)
УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ «ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА – ГАЗОПРОВОД –
ГАЗ ДЕГАЗАЦИИ» ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ВЛАЖНОЙ
МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ
В.Р. Алабьєв, канд. техн. наук, ст. наук. співр.
(ПАО «Шахта ім. О.Ф.Засядька»)
ВСТАНОВЛЕННЯ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ТЕПЛОМАССООБМІННИХ
ПРОЦЕСІВ В СИСТЕМІ «ОТОЧУЮЧЕ СЕРЕДОВИЩЕ - ГАЗОПРОВІД –
ГАЗ ДЕГАЗАЦІЇ» ПІД ЧАС ТРАНСПОРТУВАННЯ ВОЛОГОГО
МЕТАНОПОВІТРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА
V.R. Alabyev, Ph. D. (Tech.), Senior Reseacher
(PAS « A.F. Zasyadko mine»)
CONFORMITIES TO LAWS OF THE HEAT-MASS-EXCHANGE
PROCESSES IN A SYSTEM «ENVIRONMENT - GAS PIPELINE - GAS OF
DEGASSING» WHILE TRANSPORTING WET METHANE-AIR MEDIUM
Аннотация. Использование шахтного дегазационного метана требует систем трубопро-
водов функционирующих круглогодично на поверхности угольных шахт. Метановоздушная
смесь (МВС) на выходе из вакуум-насосов шахтных дегазационных установок содержит
взвешенную влагу и имеет высокую относительную влажность. При охлаждении МВС про-
исходит конденсация водяных паров, содержащихся в МВС. При отрицательных значениях
температуры атмосферного воздуха конденсат превращается в лед, что уменьшает внутрен-
нее сечение трубопроводов вплоть до их полной закупорки. Для защиты от обмерзания на
шахтах применяют, в основном, теплоизоляцию дегазационных трубопроводов. Однако во-
прос применения теплоизоляции во избежание излишних расходов должен решаться на ос-
новании тепловых расчетов с учетом термодинамических параметров МВС и окружающей
среды, удаленности вауум-насосных станций от потребителей и других факторов. Однако в
настоящее время методики, позволяющей выполнить такие расчеты, не существует.
Ключевые слова: дегазационный метан, метановоздушная смесь, дегазационный трубо-
провод.
В свете обеспечения энергетической независимости использование шахтно-
го дегазационного метана имеет в Украине большую перспективу. Это обу-
славливает развитие на поверхности угольных шахт систем трубопроводов,
функционирующих круглогодично. Метановоздушная смесь (далее - МВС) на
выходе из вакуум-насосов шахтных дегазационных установок содержит взве-
шенную влагу и имеет стопроцентную относительную влажность. При охлаж-
дении МВС происходит конденсация водяных паров, содержащихся в МВС.
© В.Р. Алабьев, 2014
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
143
При отрицательных значениях температуры атмосферного воздуха конден-
сат превращается в лед, что уменьшает внутреннее сечение трубопроводов
вплоть до их полной закупорки. Для защиты от обмерзания на шахтах приме-
няют, в основном, теплоизоляцию дегазационных трубопроводов. Однако в на-
стоящее время методики, позволяющей выполнить такие расчеты, не существу-
ет.
Целью настоящей работы является разработка методических основ по рас-
чету допустимой длины трубопроводов, транспортирующих шахтный дегаза-
ционный метан при отрицательных значениях температуры атмосферного воз-
духа.
Расчетная схема элементарного отрезка газопровода представлена на рисун-
ке где: x – продольная координата, м; r – поперечная координата, м; T – тем-
пература МВС, К; 0T – температура атмосферного воздуха, К; R – радиус га-
зопровода, м; S – площадь поперечного сечения газопровода, м2.
x
S
Входное
(начальное)
сечение
Выходное
(конечное)
сечениеПоток МВС
Ветер с
температурой T0r
0
R
T=Tн=f(τ)
T=Tк
L
Рисунок 1 - Расчётная схема газопровода
Примем, что до момента подачи МВС в газопровод температура внутри
трубопровода была такой же, как и в окружающей атмосфере 0T , а начальная
температура МВС нТ повышается с уровня 0T до предельного ∗T за определен-
ный период времени. Удельный тепловой поток на поверхности трубопровода в
окружающую среду определяется законом Фурье. Тогда, математическая фор-
мулировка задачи тепломассообмена при движении МВС в газопроводе в диф-
ференциальной форме имеет вид уравнения конвективно-диффузионного пере-
носа теплоты в трубе [1]
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
+
τ∂
∂
r
Tr
rr
a
x
TuT 1 , (1)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
144
с начальным условием
0)0,,( TrxT = , (2)
и граничными условиями третьего рода:
)(),,0( τ=τ frT ; (3)
)( 0TTk
r
T
Rr
Rr
−⋅=
∂
∂
λ−
=
=
, (4)
где τ – время, с; u – скорость движения МВС в газопроводе, м/с; a – коэффици-
ент температуропроводности МВС, м2/с; λ – коэффициент теплопроводности
МВС, )/( КмВт ⋅ ; k – коэффициент теплопередачи, )/( 2 КмВт ⋅ .
В выражениях (1), (4) значения коэффициентов температуропроводности и
теплопередачи определяются согласно [2]:
c
a
⋅
=
ρ
λ
(5)
атг
11
1
α
+
λ
δ
+
α
=k (6)
где ρ – плотность МВС, 3/ мкг ; c – теплоёмкость МВС, )/( КкгДж ⋅ , гα – ко-
эффициент теплоотдачи между МВС и внутренней поверхностью газопровода,
)( 2 КмВт ⋅ ; δ – толщина стенки газопровода, м; тλ – коэффициент теплопро-
водности материала газопровода, )( КмВт ⋅ ; аα – коэффициент теплоотдачи от
внешней поверхности стенки газопровода к атмосферному воздуху,
)( 2 КмВт ⋅ .
Входящие в (1)-(6) теплофизические параметры МВС зависят от динамики
изменения температуры и давления МВС в пространстве и времени. Примем
допущение, что потеря давления МВС по длине трубопровода, за счет силы
трения, незначительна, по сравнению с абсолютным давлением, при котором
МВС поступает в газопровод. В этом случае согласно закону сохранения массы
газа при установившемся движении, плотность МВС можно считать постоян-
ной [3,4]. В связи с этим при практических расчётах значения теплофизических
параметров МВС будем принимать при установившемся режиме по средней
температуре МВС и постоянном давлении.
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
145
С учетом (5) уравнение (1) запишем в виде:
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂
r
Tr
rrx
TucTc 1λρ
τ
ρ . (7)
Уравнение (7) учитывает распространение тепла, как в продольном направ-
лении, так и в радиальном. Радиус трубопровода значительно меньше его дли-
ны. Следовательно, тепловой поток в поперечном направлении значительно
меньше, чем в продольном направлении. Поэтому при моделировании процесса
тепломассопереноса МВС в газопроводе целесообразно воспользоваться осред-
ненной температурой МВС в поперечном сечении [5]. Для этого обе части
уравнения (7) умножим на r, проинтегрируем по этой координате в пределах от
0 до R и поделим на площадь поперечного сечения трубопровода S. В резуль-
тате уравнение (7) примет вид:
)( 0 TT
S
k
x
TucTc −
Ω
=
∂
∂
+
∂
∂ ρ
τ
ρ , (8)
∫ ⋅⋅=
R
drTr
S
T
0
1
, (9)
где Ω– периметр трубопровода, м.
После решения уравнения (8) при граничном условии (3) с начальным усло-
вием 0)0,( TxT = получена формула для расчета длины газопровода, на которой
отсутствует процесс оледенения его внутренней поверхности [6]:
0к
0нln
St
1
4
1
TT
TTdL
−
−
= , (10)
где: d - диаметр газопровода, м; кн TT , - температура МВС в начале и конце
трубопровода, °С; 0T - температура атмосферного воздуха, °С; St – число
Стантона.
Как видно из (10), расчет предельной длины газопровода сводится к расчёту
величины числа Стантона St , которое связано с числом Нуссельта ( Nu ) и Пек-
ле ( Pe ) соотношением [2]:
Pe
NuSt = . (11)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
146
Число Пекле рассчитывается по формуле [2]:
a
duPe ⋅
= , (12)
в которой скорость движения МВС в трубопроводе рассчитывается по фор-
муле:
S
Qu = , м/с , (13)
где: Q - расход МВС в трубопроводе, м3/с; S - сечение трубопровода.
Коэффициент теплопроводности МВС в формуле (5) для расчета коэффици-
ента температуропроводности МВС можно определить как средневзвешенный
для коэффициентов теплопроводности воздуха и метана:
мв)1( λψλψλ ⋅+⋅−= , Вт/(м ⋅°К), (14)
где вλ - коэффициент теплопроводности воздуха; mλ - коэффициент тепло-
проводности метана; ψ - концентрация метана в МВС, д.е.
Коэффициент теплопроводности воздуха вλ зависит от температуры и при-
нимается по табл. 1 или с достаточной степенью точности рассчитывается по
эмпирической формуле:
100
0078,044,2
в
T⋅+
=λ , Вт/(м ⋅°К). (15)
Таблица 1. Коэффициент теплопроводности воздуха
Температура, °К 243 253 263 273 283 293 303 313 323 333
⋅вλ 102, Вт/(м ⋅°К) 2,20 2,28 2,36 2,44 2,51 2,59 2,67 2,76 2,83 2,90
Коэффициент теплопроводности метана mλ также зависит от температуры и
принимается по табл. 2 или рассчитывается по эмпирической формуле:
100
0139,006,3
м
T⋅+
=λ , Вт/(м ⋅°К). (16)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
147
Таблица 2. Коэффициент теплопроводности метана
Температура, °К 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340
⋅мλ 102, Вт/(м ⋅°К) 2,64 2,76 2,88 3,00 3,13 3,28 3,42 3,57 3,72 3,87 4,02
В выражениях (15) и (16) T - среднелогарифмическая температура МВС в
газопроводе, которая рассчитывается по формуле [6]:
0
0
0
ln
TT
TT
TTTT
к
н
кн
−
−
−
+= , °С. (17)
Плотность МВС в формуле (5) для расчета коэффициента температуропро-
водности МВС с учетом того, что МВС состоит из смеси сухого воздуха, водя-
ного пара и метана с общими значениями температуры и давления можно опре-
делить согласно рекомендациям [7]:
( ) мп)1( ψρρρψρ ++⋅−= В , кг/м3, (18)
где Вρ - плотность сухого воздуха; пρ - плотность водяных паров; мρ -
плотность метана.
Плотности сухого воздуха, водяных паров и метана вычисляются по форму-
лам:
273
488,3 п
В +
⋅−
⋅=
T
PP ϕ
ρ , кг/м3; (19)
273
168,2 п
п +
⋅⋅=
T
P
ϕρ , кг/м3; (20)
273
928,1м +
⋅=
T
Pρ , кг/м3, (21)
где ϕ - относительная влажность МВС, д.е.; P - абсолютное давление МВС в
газопроводе, кПа; Р п - парциальное давление насыщенных водяных паров при
средней температуре МВС, определяемое по справочной литературе или по эм-
пирической зависимости:
TEP ⋅⋅= 0591,0
п 516,0 , кПа (22)
Абсолютное давление МВС в газопроводе можно рассчитать по формуле:
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
148
м0 PPP += , кПа (23)
где 0P - атмосферное давление, кПа; мP - давление МВС в газопроводе, кПа.
Расчет массовой теплоемкости МВС в выражении (5) вычисляется по фор-
муле, Дж/(кг⋅°К) [8]:
ρ
ρψρψ мВ сс
c
⋅⋅+⋅⋅−
= мВ)1(
(24)
где Вс - массовая теплоемкость влажного воздуха, Дж/(кг⋅°К); мс - массовая те-
плоемкость метана, Дж/(кг⋅°К).
Массовая теплоемкость влажного воздуха рассчитывается по формулам:
Вdс ⋅+= 18801005В , (25)
п
п622,0
PP
P
dВ ⋅−
⋅
⋅⋅=
ϕ
ϕ
ε , (26)
где Вd - влагосодержание влажного воздуха, кг/кг; ε - поправочный коэффици-
ент учета концентрации метана в МВС, принимаемый по табл.3 [7].
Таблица 3. - Поправочный коэффициент учета концентрации метана в МВС
Содержание
метана в МВС, %
Поправочный
коэффициент
Содержание
метана в МВС, %
Поправочный
коэффициент
25 1,20 60 1,48
30 1,24 65 1,52
35 1,28 70 1,56
40 1,32 75 1,61
45 1,36 80 1,65
50 1,40 85 1,69
55 1,44 90 1,73
Для инженерных расчетов получена эмпирическая зависимость для расчета
поправочного коэффициента, учитывающего содержание метана в МВС:
ψε ⋅+= 82,099,0 . (27)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
149
Массовая теплоемкость метана в формуле (16) определяется по табл.4 [9]
или рассчитывается по эмпирической формуле:
Tcм ⋅+= 8,22170 . (28)
Таблица 4. - Теплоемкость метана
Температура, °К 255 273 298 300 323 373
мс , кДж/(кг⋅°К) 2,144 2,174 2,227 2,231 2,293 2,445
Расчет эквивалентного числа Нуссельта в формуле (11) рассчитывается по
формуле [2]:
dk
λ
=Nu . (29)
По данным [2], число Нуссельта при теплообмене газового потока с внут-
ренней поверхностью трубы равно:
25,0
т
43,080,0
г Pr
PrPrRe021,0Nu ⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅⋅⋅= , (30)
где Prт – число Прандтля при температуре МВС, равной температуре внут-
ренней поверхности трубы.
Учитывая, что для воздуха Pr/Prт ≈ 1, формула (30) примет вид:
43,080,0
г PrRe021,0Nu ⋅⋅= . (31)
При обтекании трубопровода атмосферным воздухом число Нуссельта со-
ставляет [2]:
0,60
аа Re245,0Nu ⋅= ; (32)
а
а
аRe
ν
⋅
=
du , (33)
где аа и νu – скорость и кинематическая вязкость атмосферного воздуха (ветра).
Формула (33) относится к случаю наибольшей теплоотдачи, когда ветер на-
правлен поперёк трубы.
Используя (31) и (32), определим величину эквивалентного числа Нуссель-
та. Из (29) следует:
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
150
гг Nu
d
λ
=α ;
d
а
а
λ
=α Nua , (34)
где аλ – коэффициент теплопроводности атмосферного воздуха, )/( КмВт ⋅ .
После подстановки (34) в (6) имеем
а
г
а
г
т
г
аатг Nu
NuNu1
Nu
Nu
1
Nu
1
1
λ
λδ
λ
λ
λ
λλ
δ
λ
++
=
++
=
d
dddk , (35)
и в соответствии с (29)
а
г
а
г
т
г
Nu
Nu
Nu
d
Nu
Nu
⋅+⋅+
=
λ
λδ
λ
λ1
(36)
где гNu - число Нуссельта для МВС; тλ - эквивалентный коэффициент тепло-
проводности газопровода, Вт/(м ·°К); δ - эквивалентная толщина трубопровода,
м; аλ - коэффициент теплопроводности атмосферного воздуха, Вт/(м ⋅°К); аNu -
число Нуссельта для атмосферного воздуха.
Расчет эквивалентной толщины газопровода осуществляется по формуле:
иδδδ += 0 , м, (37)
где 0δ - толщина стенки трубопровода, м; иδ - толщина изоляции, м.
Расчет эквивалентного коэффициента теплопроводности газопровода осу-
ществляется по формуле:
и0
ии00
δδ
δλδλ
λ
+
⋅+⋅
=т , Вт/(м ·°К), (38)
где 0λ - коэффициент теплопроводности трубопровода, Вт/(м ·°К); иλ - коэффи-
циент теплопроводности изоляции, Вт/(м ·°К).
Коэффициент теплопроводности атмосферного воздуха принимается по
табл. 1 или рассчитывается по формуле:
100
0078,044,2 а
а
T⋅+
=λ , Вт/(м ⋅°К). (39)
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
151
Расчет числа Нуссельта для МВС в выражении (36) осуществляется по
формуле [6]:
80,0
г Re0237,0Nu ⋅= (40)
где Re - число Рейнольдса для МВС.
Расчет числа Рейнольдса для МВС осуществляется по формуле:
ν
du ⋅
=Re , (41)
где ν - коэффициент кинематической вязкости МВС. Принимается по табл. 5
[8] или рассчитывается по эмпирической формуле:
610)038,006,044,17( −⋅⋅−⋅+= PTν (42)
Таблица 5. - Коэффициент кинематической вязкости МВС, ν•106
Давление, кПа Температура, °К 100 200 400 600
240 11,43 5,73 2,87 1,92
250 12,35 6,19 3,10 2,08
260 13,29 6,66 3,34 2,23
270 14,26 7,14 3,58 2,39
280 15,26 7,65 3,83 2,56
290 16,29 8,15 4,08 2,73
300 17,33 8,67 4,34 2,90
310 18,41 9,21 4,61 3,08
320 19,54 9,77 4,89 3,26
330 20,65 10,35 5,17 3,46
340 21,80 10,91 5,46 3,65
350 22,96 11,49 5,75 3,84
Расчет числа Нуссельта для атмосферного воздуха в выражении (36) осу-
ществляется по формуле:
6,0Re245,0 ааNu ⋅= (43)
где Reа - число Рейнольдса для атмосферного воздуха, определяемое по форму-
ле:
а
а
d
ν
ω ⋅
=Re (44)
где ω - скорость атмосферного воздуха, м/с; νа - кинематическая вязкость атмо-
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
152
сферного воздуха. Принимается по табл. 6 [8] или рассчитывается по эмпириче-
ской формуле:
610)092,036,13( −⋅⋅+= аа Tν , м2/с. (45)
Таблица 6. Коэффициент кинематической вязкости воздуха
Температура, °С ⋅аν 106 Температура, °С ⋅аν 106
-30 10,8 30 16,00
-20 12,79 40 16,96
-10 12,43 50 17,95
0 13,28 60 18,97
10 14,16 70 20,02
20 15,06 80 21,09
Выводы. Разработана методика расчета допустимой длины газопровода,
на которой отсутствует процесс оледенения его внутренней поверхности при
транспортировке влажной МВС, извлекаемой шахтными дегазационными сис-
темами. Методика может быть использована инженерно-техническими работ-
никами при проектировании шахтных газотранспортных систем, что позволит
повысить безопасность их эксплуатации в зимний период года.
__________________________________
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Цой, П.В. Методы расчёта задач тепломассопереноса. / П.В. Цой – М.: Энерго-атомиздат,
1984. – 416 с.
2. Михеев, М.А. Основы теплопередачи. / М.А. Михеев, И.М. Михеева.- М.: Энергия, 1973.-343 с.
3. Баскаков, А.П. Теплотехника. / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт – М.: Энергоиздат, 1982. –
264 с.
4. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа. / Л.Г. Лойцянский - М.: Недра, 1970. – 904 с.
5. Бобровский С.А. Движение газа в газопроводах с путевым отбором. / С.А. Бобровский, С.Г.
Щербаков, М.А. Гусейн-заде.– М.: Наука, 1972.– 192 с.
6. Алабьев, В.Р. Аналитическое решение задачи тепломассообмена при транспортировке метано-
воздушной смеси в трубопроводах в зимний период года / В.Р.Алабьев // Вісник Східноукраїнського
національного університету ім. Володимира Даля: науковий журнал. – Луганськ: ПП Сувальдо В.Р.,
т2006. – № 6(100). – Ч.2. – С. 44-53.
7. Черниченко, В.К. Метод расчета термодинамических параметров метановоздушной смеси в га-
зовых процессах / В.К. Черниченко, Н.Е. Подгорный //Способы и средства создания безопасных и
здоровых условий труда в угольных шахтах: сб. научн. тр.- Макеевка: МакНИИ, 2003.- С. 200-206.
8. Разработать (ГСТУ) „Руководство по обогреву воздухоподающих стволов и скважин на базе
огневых калориферов, использующих в качестве топлива шахтный метан”: Отчет о НИР (промежу-
точн.) / МакНИИ.- №ГР 0102U002870.- Макеевка, 2002.- 138 с.
9. Зачерученко, В.А. Теплофизические свойства газообразного и жидкого метана. / В.А. Зачеру-
ченко, А.М. Журавлев - М., Издательство стандартов, 1969.- 236 с.
REFERENCES
1. Tsoy, P.V. (1984), Metodyi raschyota zadach teplomassoperenosa [Methods of calculation of tasks of
heat-mass transfer], Energo-atomiszdat, Moscow, SU.
2. Mikheev M.A. and Mikheeva I.M. (1973), Osnovi teploperedachi. [Foundations of heat-transfer] –
Energy, Moscow, SU.
3. Baskakov A.P., Berg B.V. and Vitt O.K. (1982), Teplotekhnika [Heating engineering] – Energiizdat,
Moscow, SU.
4. Loycyansky L.G. (1970), Mekhanika zhidkosti i gaza [Mechanics of liquid and gas], Nedra, Moscow,
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
153
SU.
5. Bobrovsky S.A., Shcherbakov S.G. and Guseyn-zade M.A. (1972), Dvizhenie gaza v gazoprovodakh s
putevyim otborom [Motion of gas in gas pipelines with the ground selection], Nauka, Moscow, SU.
6. Alabiyev V.R. (2006), "Analytical decision of task of heat-mass transfer at transporting of methane-
air mixture in pipelines in a winter period of year", Visnik Shidnoukraynskogo natsionalnogo universiteta of
Vladimir Dal: naukoviy zhurnal, PP Suvaldo V.R., Lugansk, Ukraine.
7. Chernichenko V.K. and Podgorniy N.Ye. (2003), "Method of calculation of thermodynamics parame-
ters of methane-air mixtures in gas processes", Sposoby i sredstva sozdaniya bezopasnykh i zdorovykh us-
loviy truda v ugolnikh shakhtakh: Sb. nauchn. tr. MakNII, Makeevka, Ukraine.
8. Razrabotat (GSTU) (2002), Rukovodstvo po obogrevu vozduhopodayuschih stvolov i skvazhin na baze
ognevyih kaloriferov, ispolzuyuschih v kachestve topliva shahtnyiy metan : account about SIV (intermediate)
/ МakNII - №SR 0102U002870.- Макeevka, Ukraine.
9. Zacheruchenko V.A. and Zhuravlev A.V. (1969, Teplofizicheskie svoystva gazoobraznogo i zhidkogo
metana [Heat-physical properties of gaseous and liquid methane], Izdatelstvo standartov, Moscow, SU.
–––––––––––––––––––––––––––––––
Об авторе
Алабьев Вадим Рудольфович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, замес-
титель директора ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько», Донецк, Украина, avr.09@mail.ru
About the author
Alabiyev Vadim Rudolfovich, Candidate of Technical Sciences (Ph.D), Senior Reseacher, Deputy Di-
rector of PAS «Mine named A.F. Zasjadko», Donetsk, Ukraine, avr.09@mail.ru
______________________________________
Анотація. Використовування шахтного метану дегазації вимагає систем трубопроводів
функціонуючих цілорічно на поверхні вугільних шахт. Метановоздушная суміш (МВС) на
виході з вакууму-насос шахтних установок дегазації містить зважену вологу і має високу
відносну вогкість. При охолоджуванні МВС відбувається конденсація водяної пари, що міс-
титься в МВС. При негативних значеннях температури атмосферного повітря конденсат пе-
ретворюється на лід, що зменшує внутрішній перетин трубопроводів аж до їх повної закупо-
рки. Для захисту від обмерзання на шахтах застосовують, в основному, теплоізоляцію тру-
бопроводів дегазації. Проте питання вживання теплоізоляції щоб уникнути зайвих витрат
повинне розв'язуватися на підставі теплових розрахунків з урахуванням термодинамічних
параметрів МВС і навколишнього середовища, віддаленості вауум-насосных станцій від
споживачів і інших чинників. Проте в даний час методики, що дозволяє виконати такі розра-
хунки, не існує.
Ключові слова: дегазаційний метан, метаноповітряна суміш, дегазаційний трубопровід.
Abstract. The use of mine decontamination methane requires the systems of pipelines of coal
mines functioning kruglogodychno on a surface. The Metanovozdushnaya mixture (MVS) on an
exit from the vacuum-pumps of mine decontamination options contains the weighed moisture and
has high relative humidity. At the MVS cooling there is condensation of the aquatic steams con-
tained in MVS. At the negative values of temperature of atmospheric air kondensat grows into ice,
that diminishes the internal section of pipelines up to their complete corking. For defence from ob-
merzanyya on mines apply, mainly, teployzolyatsyyu of decontamination pipelines. However much
the question of application of teployzolyatsyy in order to avoid superfluous charges must decide on
the basis of thermal calculations taking into account the thermodynamics parameters MVS and en-
vironment, remoteness of the вауум-насосных stations from users and other factors. However
presently a method allowing to execute such calculations does not exist.
Keywords: methane drainage, methane-air mixture, degasification pipeline.
Статья поступила в редакцию 22.01.2014
Рекомендовано к публикации д-ром техн. наук Т.В. Бунько
mailto:avr.09@mail.ru�
mailto:avr.09@mail.ru�
ISSN 1607-4556 (Print), ISSN 2309-6004 (Online) Геотехнічна механіка. 2014. №114
154
УДК 622.817.47:621.644.8:533.1:532.55/.576
Л.А. Новиков, магистр
(ИГТМ НАН Украины)
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ НА ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ
СОПРОТИВЛЕНИЕ УЧАСТКОВЫХ ДЕГАЗАЦИОННЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ
Л.А. Новіков, магістр
(ІГТМ НАН України)
ВПЛИВ ДИСПЕРСНОЇ ФАЗИ НА ГІДРАВЛІЧНІЙ
ОПІР ДІЛЬНИЧНИХ ДЕГАЗАЦІЙНИХ
ТРУБОПРОВОДІВ
L.A. Novikov, M.S. (Tech.)
(IGTM NAS of Ukraine)
IMPACT OF DISPERSE PHASE ON HYDRAULIC
RESISTANCE OF DISTRICT DEGASSING PIPELINES
Аннотация. Представлены зависимости для коэффициентов гидравлических сопротив-
лений при течении однофазных и двухфазных сред в трубопроводах. Указанные зависимости
предложено использовать при определении потерь давления метановоздушной смеси в уча-
стковых дегазационных трубопроводах. Показано, что поток метановоздушной смеси, со-
держащий взвешенные частицы влаги, можно рассматривать как двухфазную среду с дис-
персной, кольцевой и дисперсно-кольцевой структурой. Установлено, что при наличии кон-
денсата на стенках дегазационного трубопровода потери давления на трение характеризуют-
ся коэффициентом межфазного трения, величина которого зависит от толщины и относи-
тельной скорости течения жидкостной пленки. При этом местные потери давления зависят от
скорости жидкой дисперсной фазы, ее объемного содержания в газовом потоке, а также от
характера изменения проходного сечения трубопровода.
Ключевые слова: Коэффициенты гидравлического трения, коэффициенты местных гид-
равлических сопротивлений, жидкая дисперсная фаза, дегазационный трубопровод, метано-
воздушная смесь.
Снижение эффективности работы шахтной дегазационной системы (ДС)
связано с нарушением герметичности устьев скважин и фланцевых соединений
труб, скоплениями конденсата, углепородной пыли и продуктов коррозии в по-
ниженных участках дегазационного трубопровода [1]. Это приводит к сниже-
нию концентрации каптируемого метана, увеличению гидравлического сопро-
тивления участковых трубопроводов и требует использования дополнительных
вакуум-насосов.
Вакуумная газопроводная сеть имеет сложную топологическую структуру с
неустойчивым характером движения метановоздушной смеси (МВС) и соответ-
ственно различными гидравлическими сопротивлениями участков.
__________________________________________________________________
© Л.А. Новиков, 2013
|