CN220473301U - 一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于矿井通风和采空区防灾减灾技术领域，尤其涉及到一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，包括注氮装置、可视化实验段、压力传感器。所述注氮装置包括液氮罐、可移动液氮罐支架、流量计、液氮输送软管；所述可视化实验段由双层玻璃管构成，设于内管内的自由堆积玻璃小球以模拟煤矿采空区煤岩垮落堆积；在所述可视化实验段的侧面设有液氮进口管和氮气出口管；在所述可视化实验段液氮进口管和氮气出口管处设有压力传感器。本实用新型煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，将采空区简化成自由堆积的玻璃小球，能够观测不同粒径、不同孔隙率、不同液氮注入速度条件下液氮在实验装置中渗流相变的可视化及量化其造成的压力损失。
Description
技术领域
本实用新型属于矿井通风和采空区防灾减灾技术领域，具体是一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置。
背景技术
我国国土广袤，矿产资源丰盛，是世界上的主要产煤国之一，而矿井火灾是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，其中采空区遗煤自燃引发的火灾占煤矿内因火灾的60％，是主要的热动力灾害源。由于液氮具有超低温及流动特性，在冷量储存及热置换效率等方面具有显著优势，被广泛用于采空区煤自燃治理。在注氮接触到煤块时，煤块本体温度高于液氮沸点，液氮发生沸腾相变，流态发生转变，其相变特征和影响因素需要进一步确定。
目前有关液氮在采空区中渗流的研究，丁香香在文献“采空区注入低温氮气防灭火数值模拟”中，通过理论分析和数值模拟的方法研究了氮气在采空区中渗流的运移规律；李宗翔等在文献“综放采空区防灭火注氮数值模拟与参数确定”中通过数值模拟方法研究了注氮参数对采空区自燃三带的影响规律；路郎在文献“多孔介质局部非热平衡传热”中，通过搭建巷道试验台，探究了液氮在低导热系数煤多孔介质内的热质传递及局部非热平衡特性；CN201822114111.1公开了一种松散介质渗流运移特征测试实验装置，探究注氮位置、深度、方式、松散介质倾斜角度以及进风风速的影响规律，确定液氮沿实验平台的运移速度。显然，当前有关煤矿采空区注氮灭火的研究主要以注氮前后氧化三带的变化为主，对液氮注入后与煤岩存在温差而发生沸腾相变的微观过程研究较少，致使无法精确确定注氮参数提高灭火效率。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，弥补现有技术存在的空白，能够实现液液氮在不同粒径自由堆积颗粒中渗流相变的可视化及测定其压力损失。
本实用新型由以下技术方案实现：
一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，包括注氮装置、可视化实验段、压力传感器。
所述注氮装置包括液氮罐、可移动液氮罐支架、流量计、液氮输送软管；所述液氮输送软管设有阀门用于控制液氮流量；所述液氮罐与液氮输送软管相连通以输送液氮至可视化实验段；所述流量计用于测量液氮流量变化；所述可移动液氮罐支架设于液氮罐下方，便于液氮罐的移动。
所述可视化实验段由双层玻璃管构成，设于内管内的自由堆积玻璃小球以模拟煤矿采空区煤岩垮落堆积；在所述可视化实验段的侧面设有液氮进口管和氮气出口管；所述液氮进口管通过与所述注氮装置中的液氮输送软管相连以实现液氮注入所述可视化实验段内管；在与所述可视化实验段内管相连的氮气出口管处设有氮气释放口，所述氮气扩散至内外管空隙处以用作保护气；在所述可视化实验段液氮进口管和氮气出口管处设有压力传感器。
所述一种煤矿采空区注氮渗流可视化实验装置还包括可视化实验段支撑结构；所述可视化实验段支撑结构，设于所述可视化实验段底部，用于支撑可视化实验段。
液氮由液氮罐流出，经液氮输送软管由液氮进口管进入可视化实验段内管内，再与自由堆积玻璃小球接触，部分液氮达到饱和沸腾点汽化相变，另一部分则以单相流的形式在自由堆积玻璃小球中渗流，当渗流的液氮达到饱和温度时进入核态沸腾区并在壁面上产生气泡，然后逐渐汽化吸热变成氮气，并随氮气出口管排出。
本实用新型的技术效果在于：提供了一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，将采空区简化成自由堆积的玻璃小球，能够观测不同粒径、不同孔隙率、不同液氮注入速度条件下液氮在实验装置中渗流相变的可视化及量化其造成的压力损失；该装置还将液氮渗流相变产生的氮气用作保护气，防止因内外温差而造成装置壁面结霜，增强装置的可视化。
附图说明
图1是本实用新型煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置的结构示意图。
图2是图1中可视化试验段的俯视图。
图3是图2沿A-A的剖视图。
图4是图1中可视化试验段的左视图。
图中：1——注氮装置；11——液氮罐；12——可移动液氮罐支架；13——阀门；14——流量计；15——液氮输送软管；2——可视化试验段；21——液氮进口管；22——外管法兰；23——玻璃外管；24——玻璃内管；25——玻璃小球；26——内管法兰；27——氮气出口管；28——氮气释放管；3——压力传感器；4——支架。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并实举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参阅图1-4，本实用新型实施例提供一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，所述可视化实验装置包括注氮装置1，可视化实验段2，压力传感器3，支架4。
本实施例中，注氮装置1包括液氮罐11，可移动液氮罐支架12，阀门13，流量计14，液氮输送软管15。液氮罐11为自增压液氮罐，置于可移动液氮罐支架12中，便于移动。液氮在压力作用下从液氮罐11中流出，通过液氮输送软管15流至可视化实验段2，液氮输送软管15为不锈钢金属软管，外层包裹保温棉，可有效防止冷量散失，液氮输送软管处装有阀门13和流量计14，可实时调节注氮流量。
本实施例中，可视化试验段2包括液氮进口管21，外管法兰22，玻璃外管23，玻璃内管24，玻璃小球25，内管法兰26，氮气出口管27，氮气释放管28。可视化实验段2水平固定于支架4上方，为双层耐低温高硼硅透明玻璃管，玻璃内管24置于可视化实验段2内部，其装有若干玻璃小球25，通过内管法兰26与液氮进口管21和玻璃外管23相连接。液氮进口管23与氮气出口管27上装有压力传感器3，其中氮气出口管处开有小孔与氮气释放管28相连。在实验过程中，当液氮由液氮输送软管15输送至液氮进口管21后，再流入至玻璃内管24发生相变变成氮气，通过氮气出口管27排出，部分氮气通过氮气释放管28流入玻璃外管23与内管24之间的夹层，用作保护气，有效防止因温差造成玻璃内管24壁面结霜，增强实验的可视化。
本实施例的具体实验步骤如下：
首先，进行预处理，具体为先使用氮气对可视化实验段2内的气体进行置换，然后在玻璃内管24内填充若干玻璃小球25。其次，打开液氮罐11，通过阀门13调整液氮进入玻璃内管24的速度并记录。然后，液氮通过液氮进口管21流入玻璃内管内24，通过压力传感器3可得液氮在可视化实验段2中渗流相变的压力。最后，更换粒径不同的玻璃小球25，重复以上实验，分析液氮在不同粒径自由堆积玻璃小球中渗流相变所造成的压力损失。
如上所述是结合具体内容提供的一种实施方式，并不认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明，同时由于行业命名不一样，不限于以上命名，不限于英文名。凡与本实用新型的方法、结构等近似、雷同，或是对于本实用新型构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于，所述装置包括注氮装置(1)、可视化实验段(2)、压力传感器(3)，注氮装置(1)包括液氮罐(11)、液氮输送软管(15)、设于液氮输送软管(15)上用于控制液氮流量的阀门(13)及流量计(14)，液氮输送软管(15)连接液氮罐(11)与可视化实验段(2)，使液氮在压力作用下从液氮罐(11)中流出，通过液氮输送软管(15)流至可视化实验段(2)；可视化实验段可视化实验段(2)包括形成双层玻璃管的玻璃外管(23)、玻璃内管(24)以及装于玻璃内管(24)中用以模拟煤矿采空区煤岩垮落堆积的玻璃小球(25)、分别连接玻璃内管(24)两端的液氮进口管(21)、氮气出口管(27)；压力传感器(3)设于液氮进口管(21)和氮气出口管(27)处用于测量压力。
2.如权利要求1所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于所述液氮输送软管(15)为不锈钢金属软管。
3.如权利要求2所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于所述液氮输送软管(15)由保温棉包裹，以防止热量散失。
4.如权利要求1所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于所述可视化实验段(2)还包括外管法兰(22)和内管法兰(26)，外管法兰(22)连接玻璃外管(23)与液氮进口管(21)、氮气出口管(27)，内管法兰(26)连接玻璃内管(24)与液氮进口管(21)、氮气出口管(27)。
5.如权利要求1所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于所述玻璃内管与玻璃外管均采用高硼硅耐低温玻璃。
6.如权利要求1所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于玻璃小球(25)为耐低温玻璃。
7.如权利要求1所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于压力传感器(3)为耐低温压力传感器。
8.如权利要求1所述的一种煤矿采空区注氮渗流相变可视化实验装置，其特征在于所述可视化实验段(2)还包括氮气释放管(28)，氮气释放管(28)连通氮气出口管(27)至玻璃外管(23)与内管(24)之间的夹层，使部分氮气通过氮气释放管(28)流入玻璃外管(23)与内管(24)之间的夹层，用作保护气。
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