液态CO2爆破系统相变过程的热力学特性研究.pdf

Vol . 35 No. 4 Dec. 2018 第35卷第4期 2018年12月 爆破 BLASTING doi10.3963/j. issn. 1001 -487X. 2018. 04. 020 液态CO爆破系统相变过程的热力学特性研究 郭勇，柯疗，吴著明“，任髙『 1.中铁十四局集团第二工程有限公司，泰安271000；2,武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉430070； 3.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，武汉430070；4.r东省中山市公安局治安支队，中山428400 摘 要为了研究液态CO爆破过程的热力学特性，进行了液态C0爆破系统管内压力测试实验，得到了 液态C02爆破系统爆破管内压力与时间关系曲线，结合Span F ong C C［14］、El bing F等研发了二氧化碳 爆破装置〔切；土耳其、俄罗斯、波兰等国也将其应用 于硬煤软化和瓦斯治理中［16＞，7］;国内郭志兴开展了 模拟煤体的液态二氧化碳爆破现场试验〔阁；王滨将 二氧化碳爆破致裂技术引入到蒋庄煤矿，大大提高 了煤层注水效率网；Lu Tingkan［1I］、霍中刚㉔、周 西华等将二氧化碳爆破技术用于煤矿的瓦斯抽采增 透当中⑺］，显著提高了瓦斯抽采的效果;王军将二 氧化碳爆破技术用于开采大理石材血〕，使得矿山荒 料率得到显著提高;董庆祥等人计算了液态二氧化 碳相变致裂的TNT当量和破碎分形维数「如；王兆 丰研究了二氧化碳爆破技术在煤矿增透中的布孔方 式；周科平研究了液态二氧化爆破系统中爆破管 内部压力的变化规律〔旳。 综上所述，关于液态CO爆破管系统的试验研 究较多，但研究重点主要是在高压气体对介质的作 用、煤层增透技术和工程应用，而对液态co2在相 变过程中热力学特性和爆破管相变过程中的实际压 力关注较少，缺乏对液态co2在相变过程中压力、 温度和爆炸能量的试验研究，不能准确的从试验手 段和相变原理上进行液态CO2爆破管系统设备的 改进和能量评估。因此,为了研究液态CO2爆破过 程的热力学特性，开展了液态CO2爆破系统室内实 验，分析研究了液态CO2爆破系统的热力学特性和 爆炸能量。 1试验方案 从热力学理论可知，温度和密度是影响co2热 力学特性的两个主要因素。在我们的试验中，爆破 管体积是固定的，密度可以通过充装前后的质量差 得到。对于温度的测量，由于相变速度迅速，暂时无 法通过试验准确获得，但是可以通过测定爆破管内 压力，结合co2状态方程，获得爆破管内温度随时 间的变化关系，进而分析CO2热力学特性。测试系 统概要布置图如图1所示，在爆破管管壁放置压力 传感器A用于测量爆破管内的压力。 液态二氧化碳 图1测试系统概要图 F ig. 1 Testing system scheme 为了测定爆破管内压力随时间的变化规律，共 进行了 3次试验。三次试验中，充装机设定的充装 压力为9 MPa,试验采用的爆破管型号为700 mm x 收稿日期2018 - 08 - 02 作者简介郭勇1976 -，男，工程师,主要从事铁路、市政工程施 工技术与管理，E-mail 1003556893 qq. com。 通讯作者柯波1982 -.男，讲师，主要爆破与岩石冲击动力学 研究，E-mail kebo53163. com0 基金项目国家自然科学基金51774220；中国博士后科学基金面 上项目2018M632936 45 mm,体积为0. 00041 n,卸能片额定压力为 130 MPao在充装完成后，立即将爆破管固定在固 定装置上进行爆破试验。动态采集仪器的采样频率 为50 kHz,手动触发。 2液态CO的状态方程 一般来说，在co2临界点附近或压力较大时， 理想气体状态方程往往误差较大，必须使用真实 气体状态方程，真实气体状态方程主要分为Van der 110爆破2018年12月 Waal s 立方型状态方程〔“a Benedict-Webb-Rubin- Starl ingBWRS维里型状态方程和 Span 第二阶段等容比热容从峰谷加速上升至峰 值点超临界状态点，温度曲线加速上升，密度越 小，上升越迅速，等容比热容峰值越大；第三阶段随 着系统不断的从加热装置中吸收热量，等容比热容 再次出减小直至第二次峰谷，温度曲线上升速度先 出现缓慢下降随后出现较快的下降;第四阶段，试验 1等容比热容曲线从峰谷开始缓慢上升，曲线比较 平稳,而试验2和3的曲线先出现快速的上升再趋 于平稳,密度越小这种现象越明显,温度曲线上升速 率最终趋于平稳。 兰 二、 等容比热容5 度 一温 0.95 0.90 0.85 9 9 .O.O O.O. 7 7 .O.O 6 6 0505 O.O..03.03 a a .01.01 a a 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 a等容比热容c、.图 a Specific isochoric heat capacity cv 0.90 0.85 l80 时间/s c试验2 c Test 2 0.95 临界温度304.1282 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 时间/s b试验1 b Test 1 0.95 0.90 0.85 0.80 d试验3 d Test 3 s s 即 时 昭卸 X 图6温度卩与等容比热容s对照图 F ig. 6 Comparison of temperature T and specific isochoric heat capacity cv 从上述分析可以看出，CO2初始密度对特定等 温热容的变化，温度变化曲线可分为四个阶段。具 温热容的影响似乎是显着的。初始密度越低，临界 体的等温热容及其变化率决定了温度的升高速度。 温度下特定等离子体热容的峰值越大。基于特定等 第35卷第4期郭勇，柯波,吴著明，等液态C0爆破系统相变过程的热力学特性研究 113 3.3亥姆霍兹自由能与爆炸能量 亥姆霍兹自由能是一个重要的热力学参数，常 用符号4表示，它的定义是 A u-Ts （8） 式中u是系统的内能是温度,s是爛。 基于Span Wagner状态方程可以得到式（8） 中的内能u和爛s为 RT t4＞； G； S,T RT 9 10 穴少； e；） - A RT （11） 式中询为无量纲亥姆霍兹能量,鷹和4＞；为理 想气体行为函数扩和考虑残余流体行为函数对 丁的导数，其他符号同上。通过式（9）、式（10）和 （11）可以获得三次试验爆破管内CO2流体内能的 增加量分别为21.95 kJ,36.61 kJ和30.09 kJ,温度 与爛乘积的增加量为- 16. 98 kJ、- 25. 39 kJ和 -20.98 kJ,温度越高表明从外界吸收的内能越多， 温度与爛的乘积小。亥姆霍兹自由能的增加量为 38.93 kJ,62.00 kJ和51.07 kJ,由于系统对外界所 做的功只能小于或者等于其亥姆霍兹自由能的减 少，也就是说，系统亥姆霍兹自由能的减少就是等温 过程中系统对外界所做的最大功，因此亥姆霍兹自 由能的增加反映了能量的蓄积。 理论上，爆炸能量可以从膨胀功来来计算，如 下式 E fpdV （12） 式中V为物质膨胀的体积,P为对应的压力。 从式（12）可知,膨胀功计算中需要知道爆炸过程中 初始条件和压力-体积变化的结果。根据爆炸热力 学理论弦〕，系统亥姆霍兹自由能的增加反映了能量 的蓄积和系统爆炸能量的大小，爆炸能量公式可以 表达为 E f pdV w - A4 - △“ TSs （13） 从上述的分析可知，通过测定前后压力和体积 的改变来评估液态CO2系统的爆炸能量是比较困 难的。结合Span Wagner状态方程，以亥姆霍兹 自由能爆炸能量公式为基础，可以提供一种评估液 态CO2爆破系统的内能、爛和爆炸能量的计算方 法。爆炸能量式（13）中状态1为爆破管内峰值压 力点的状态，状态2为高压气体释放至大气中的状 态，此时密度为1- 97 kg m“,温度为室内温度 293 K。爆炸能量的大小约等于系统亥姆霍兹自由 能的减少，计算得到三次爆破管高压气体的爆炸能 量分别为 124. 372 kJ J47. 723 kJ 和 136. 725 kJ, TNT 当量为 26. 98 g TNT,32. 04 g TNT 和 29.66 g TNTO 4结论 1 温度是影响热力学特性的主要参量，爆破 管内co2温度上升速率随着密度的减少而增大，初 始温度越高，汽化过程中温度上升速度越快,温度曲 线决定了压力曲线的变化规律。 2 密度对等容比热容的影响很大，密度越小, 等容比热容在临界温度点的峰值越大，等容比热容 的变化规律决定了温度曲线的变化规律。 3 结合Span Wagner状态方程，从爆炸热力 学角度计算岀液态CO2爆破系统的爆炸能量，三次 试验的爆炸能量分别为124. 372 kj、147.723 kJ和 136.725 kJ,TNT 当量为 26.98 g TNT,32. 04 g TNT 和 29.66 g TNTO 参考文献References [1]米克，王维德.贯通式锥形裂隙与机械破碎相结合 的破岩新方法[J].国外金属矿山,1996,212 19-24. [1] MICK B P,WANG Wei-de. New rock breaking combining penetrating cone fracture and mechanical crushingf J]. F oreign Metal Mines, 1996,21 2 19-24. in Chinese [2] VIDANOVIC N,OGNIANOVIC S,ILINCIC N,et al . Ap pl ication of unconventional s of underground prem ises construction in coal mines [ J ]. Technics Technol ogies Education Management-Ttem,2011,64 861-865. [3 ] PANTOVIC R, MILIC V, STOJADINOVIC S. Considera tion of possibil ities for appl ication of CARDOX in purpose of improvement of coal fragmentation [ C ] 〃34 th International October Conference on Mining and Metal l ur gy. Serbia,2002 131-135. [4] ZOU D, PANAWALAGE S. Passive and triggered expl o sion barriers in underground coal mines-A l iterature re view of recent research [ R]. Hal ifax Dal housie Universi ty,2001. [5] ZHANG W,ZHANG D,WANG H,et al . Comprehensive technical support for high-qual ity anthracite production a case study in the Xinqiao Coal Mine, Yongxia Mining Are- a,China[ J]. Mineral s,2015 ,5 4 919-935. [6 ] CALDWELL T. A comparison of non-expl osive rock breaking techniques [ D]. School of Engineering, The Uni 114爆破2018年12月 versity of Queensl and ,2004. [7 ] PARSAKHOO A, LOTF ALIAN M. Demol ition agent sel ec tion for rock breaking in mountain region of hyrcanian for ests [J」. Research Journal of Environmental Science, 2009,33 384-391. [8 ] PARSAKHOO A, LOTF ALIAN M, HOSSEINI S A. F orest roads pl anning and construction in Iranian forestry [ J ,. Journal of Civil Engineering and Construction Technol ogy, 2010,11 14-18. [9 ] DURGA S, SWETHA R. Disaster prevention and control management [ J |. Energy and Economics ,2015 528-536. [10] BAJPAYEE T,REHAK T,M0WREY G,et al . Bl asting injuries in surface mining with emphasis on fl yrock and bl ast area security [ J ]. Journal of Safety Research, 2004,351 47-57. [11] LU T K,WANG Z F ,YANG H M,et al . Improvement of coal seam gas drainage by under-panel cross-strata stim ul ation using highl y pressurized gas [ J ]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ,2015, 77300-312. [12] HAWKES I. The bl asting action of the cardox shel l[ J ]. Trans Inst Min Engrs, 1958,118 1. [13 ] PICKERING D H. Tests on Cardox for the reinstatement of approval for use in coal mines [ C ] 〃 Industry Appl i cations Socety Annual Meeting, 1989 251 -259. [14] F ONG C C,ALTIZER J W,ARNOLD V E,et al . Bl as ting machine util izing subl imabl e particl es US, US4389820 A[P]・ 1983-6-28. [15] ELBING F , ROTSTEIN R, KNACKSTEDT M. Device and process for cl eaning, activation or pretreatment of work pieces by means of carbon dioxide bl asting US, US20080092923 Al [ P]. 2009-02-03. [16] HOLMBERG R, WHITE T. Cardox system brings bene fits in the mining of l arge coal [ J ]. Coal International, 1995,2431 31-33. 「17] REIMER G M, Reconnaissance techniques for determi ning soil -gas radon concentrations an exampl e from prince Georges County, Maryl and [ J]. Geophysical Re search Letters, 1990,176 809-812. [18]郭志兴.液态二氧化碳爆破筒及现场试爆[J].爆破， 1994,113 72-74. [18] GUO Zhi-xing. Liquid carbon dioxide bl asting tube and fiel d test bl asting[ J]. Bl asting, 1994,113 72-74. in Chinese [19] 王 滨运用CO爆破技术增加煤层透气性的研究 [J].水力采煤与管道运输,201529-11. [19] WANG Bin. Research on increasing permeabil ity of coal seam by using CO2 bl asting technol ogy [ J ]. Hydraul ic Coal Mining Pipel ine Transportation,20152 9-l 1. in Chinese [20] 霍中刚.二氧化碳致裂器深孔预裂爆破煤层增透新 技术[J].煤炭科学技术,2015,432 80-83. [20 ] HUO Zhong-gang. New technol ogy of carbon dioxide fracturer appl ied to deep borehol e pre-cracking bl asting for seam permeabil ity improvement . J」.Coal Science and Technol ogy,2015 ,432 80-83. in Chinese [21 ]周西华，门金龙,王鹏辉，等.井下液态CO爆破增透 工业试验研究[J].中国安全生产科学技术，2015, 119 76-82. [21] ZHOU Xi-Hua, MEN Jin-Long, WANG Peng-Hui,et al . Industry experimental research on improving permeabil i ty by underground l iquid C02 bl asting [ J ]. Journal of Safety Science and Technol ogy ,2015,119 76-82. in Chinese [22] 王 军，肖永胜.用二氧化碳爆破技术开采某石灰石 矿的大理石材[J].现代矿业,2015615-17. [22] WANG Jun,XIAO Yong-Sheng. Marbl e stone is mined in a l imestone mine based on carbon dioxide bl asting tech nol ogy [J] . Modem Mining, 2015 6 15-17. in Chi nese [23] 董庆祥，王兆丰，韩亚北，等.液态CO2相变致裂的 TNT当量研究[J].中国安全科学学报,201411 84-88. [23 ] DONG Qing-Xiang, WANG Zhao-F eng, HAN Ya-Bei, et al . Research on TNT equival ent of l iquid C02 phase- transition fracturing [ J ]. China safety Science Journal, 2014,2411 84-88. in Chinese [24] 王兆丰，李豪君,陈喜恩，等.液态CO2相变致裂煤层 增透技术布孔方式研究[J]・中国安全生产科学技 术,20159 11-16. [24] WANG Zhao-F eng, LI Hao-Jun, CHEN Xi-En, et al . Study on hol e l ayout of l iquid C02 phase-transing fracture technol ogy for permeabil ity improvement of coal seam [ J ]. Journal of China Science and Technol ogy, 2015,119 11-16. in Chinese [25] 周科平，柯 波,李杰林，等液态CO,爆破系统压力 动态响应及爆炸能量分析[J]爆破,2017,3437- 13. [25] ZHOU Ke - ping,KE Bo,LI Jie - l in,et al . Pressure dy namic response and expl osion energy of l iquid carbon di oxide bl asting system[ J]. Bl asting,2017,343 7-13. in Chinese [26] COSHAM A,EIBER R J, CLARK E B. GASDECOM Carbon dioxide and other components [ C ] 〃8th Interna 第35卷第4期郭勇，柯 波,吴著明，等 液态CO爆破系统相变过程的热力学特性研究 115 tional Pipel ine Conference. Cal gary, Al berta, Canada 2010777-794. [27] REDLICH 0, KWONG J N. On the thermodynamics of sol utions V An equation of state F ugacities of gaseous sol utions [ J ]. Chemical Reviews, 1949,44 1 233- 244. [28 ] SOAVE G. Equil ibrium constants from a modified Redl i- ch-Kwong equation of state [ J ]. Chemical Engineering Science, 1972,27 6 1197 -1203. [29] PENG D Y,ROBINSON D B. A new two-constant equa tion of state [ J ]. Industrial Engineering Chemistry F undamental s, 1976,151 59-64. [30] STARLING K E, POWERS J. Enthal py of mixtures by modified BWR equation [ J ]. Industrial Engineering Chemistry F undamental s, 1970,94 531-537. [31 ] SPAN R, WAGNER W. A new equation of state for car bon dioxide covering the fl uid region from the tripl e point temperature to 1100 K at pressures up to 800 MPa [J ]. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1996,256 1509-1596. [32] KINNEY G F , GRAHAM K J. Expl osive shocks in air [M]. New York Springer Science Business Media, 201328-47. 英文编辑任高峰 （上接第25页） [2]刘 健，李 斌,解立峰，等.HMX基含铝炸药低易损 性能测试研究[J].中国安全科学学报,2017856- 61. [2] LIU Jian,LI Bin,XIE Li-feng,et al . Test on the l ow vul nerabil ity of. HMX based al uminized expl osives [ J ]. Chi nese Journal of safety science,20178 56-61. in Chi nese [3] 刘晓夏，王伟力，吕鹏博，等爆炸破片作用下舰载导 弹战斗部的安全性数值模拟[J].海军航空工程学院 学报,20176541-547. [3 ] LIU Xiao-xia, WANG Wei-l i, LU Peng-bo, et al . Numeri cal simul ation of the safety of shipbome missil e warhead under the effect of expl oding fragment [ J ]. Journal of Na val Aeronautical Engineering Institute, 2017 6 541 - 547. in Chinese [4] 刘鹏飞，智小琦，杨宝良，等.破片冲击起爆屏蔽B炸 药比动能阈值研究[J]火炸药学报,2017 1 59-64. [4] LIU Peng-fei,ZHI Xiao-qi, YANG Bao-l iang,et al . Study on the specific kinetic energy threshol d of fragment deto nated shiel ding B expl osivesf J]. Journal of expl osives and expl osives ,2017 1 59-64. in Chinese [5] 章冠人凝聚炸药起爆动力学[M].北京国防工业出 版社，1991. [6] 王 昕，蒋建伟，王树有，等.铸球对柱面带壳装药的 冲击起爆数值模拟研究[J].兵工学报,20178 1498-1505. [6 ] WANG Xin, JIANG Jian-wei, WANG Shu-you, et al . Nu merical simul ation of impact initiation of tungsten spheres for cyl indrical shel l charge [ J ]. Journal of ordnance indus try,20178 1498-1505. in Chinese [7]熊冉,李孝玉，魏皓.破片冲击引爆带金属壳体屏 蔽炸药临界条件研究[J].爆破,2015,324136-139. [7] XIONG Ran, LI Xiao-yu, WEI Han. Critical condition of metal shel l ed expl osive initiated by fragment [ J ]. Bl as ting, 2015 ,324 136-139. in Chinese [8] 卢锦钊，智小琦.六棱柱冲击作用下B炸药起爆影响 因素研究[J]・中北大学学报自然科学版,20162 198-204. [8] LU Jin-zhao,ZHI Xiao-qi. Infl uence factors of initiation of B expl osives under six prism impact [ J ]. Journal of North Central University NATURAL SCIENCE EDITION , 20162 198-204. in Chinese [9] 宋万成，邢存震，朱晓丽，等.含能破片几何参数对临 界冲击起爆速度的影响[J]・沈阳理工大学学报， 20174 67-72. [9] SONG Wan-cheng, XING Cun-zhen, ZHU Xiao-l i, et al . Infl uence of geometric parameters of energetic fragments on the detonation vel ocity of critical impact [ J ]. Journal of Shen Yang Li gong University, 2017 4 67-72. in Chi nese [10] 章猛华，阮文俊,宁惠君，等.复合型含能破片冲击波 起爆特性研究[J].弹道学报,20161 64-69. [10] ZHANG Meng-hua, RUAN Wen-jun, NING Hui-jun, et al . Study on the initiation characteristics of shock waves of compound energetic fragments [ J ] Journal of Bal l is tics,2016 1 64-69. in Chinese [11] AUTODYN Users manual [ M ]. Cal ifornia Century Dy namics Corporation ,2005. 英文编辑何松