Nghiên cứu số về khả năng cách nhiệt của buồng cứu sinh mỏ có kết cấu ốc xít nhôm xốp

ứu sinh mỏ. Nêu Chấp nhận 17/7/2021 phương pháp tính toán xác định nhiệt độ, quy luật biến hóa nhiệt độ của mô Đăng online 19/12/2021 hình buồng cứu sinh mỏ theo mẫu KJYF-96/12 do Trung Quốc sản xuất và mô hình buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp. Kết quả nghiên cứu đã Từ khóa: buồng cứu sinh; cách xác định được các vị trí có nhiệt độ cao nhất của hai mô hình buồng cứu sinh mỏ này. Đồng thời, nghiên cứu đã tính toán và xây dựng biểu đồ thể hiện mối nhiệt; ốc xít nhôm xốp quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ tại bề mặt bên trong, bên mặt bên ngoài của hai mô hình buồng cứu sinh mỏ này. © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Mở đầu 2. Một số nét đặc trưng của vật liệu ốc xít nhôm xốp và truyền dẫn nhiệt Ngành công nghiệp khai thác mỏ hầm lò có tính nguy hiểm cao, chịu ảnh hưởng rất nhiều của Ốc xít nhôm xốp là một loại hợp kim nhôm, có các yếu tố không an toàn như: lửa, khí độc, bục kết cấu dạng nhiều lỗ giống như tổ ong và đang nước, sập lò... Vì vậy, nâng cao tính an toàn của khai được nghiên cứu phát triển nhanh ở các nước trên thác mỏ hầm lò là một vấn đề cấp bách cần được thế giới như: Mỹ, Đức, Trung Quốc... Loại vật liệu giải quyết. Ở các nước có ngành công nghiệp khai mới này có ưu điểm là: khối lượng riêng nhỏ; cách mỏ phát triển trên thế giới như Mỹ, Nga, Úc, Trung âm, cách nhiệt, cách điện từ tốt; có khả năng chịu Quốc khả năng cách nhiệt của buồng cứu sinh đã lực và hấp thụ lực tác động cao. Vì vậy loại vật liệu được nghiên cứu và thu được kết quả nhất định. này được các nhà khoa học rất quan tâm nghiên Tuy nhiên cho đến nay, các nghiên cứu chỉ tập cứu và ứng dụng rộng dãi trong các ngành công trung thiết kế buồng cứu sinh có kết cấu hoàn toàn nghiệp như: ô tô, hàng không, cơ khí chế tạo, kiến bằng thép. Chúng tôi đã lợi dụng các đặc tính tốt của trúc xây dựng. ốc xít nhôm xốp như khả năng cách nhiệt tốt hơn Hình thức truyền nhiệt chủ yếu của ốc xít thép, trọng lượng nhẹ và chi tiết có độ cứng cao hơn nhôm xốp là nhiệt đối lưu (dòng khí nóng vận động thép khi có khối lượng bằng nhau để thiết kế một ở các lỗ trong kết cấu dạng tổ ong), truyền dẫn chủng loại buồng cứu sinh có kết cấu sử dụng ốc xít nhiệt qua tiếp xúc trực tiếp và bức xạ nhiệt. Kết quả nhôm xốp. Đồng thời sử dụng phần mềm ANSYS tổng hợp của các hình thức truyền nhiệt này tạo ra Workbenck để tiến hành nghiên cứu khả năng cách một thông số đặc trưng cho vật liệu này là hệ số nhiệt của buồng cứu sinh mỏ có kết cấu ốc xít nhôm truyền nhiệt. Tùy theo mật độ lỗ và kích thước lỗ xốp. Trong bài báo này, chúng tôi đề cập nội dung của vật liệu mà hệ số truyền nhiệt sẽ khác nhau. Hệ nghiên cứu nói trên. 207 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) số truyền nhiệt được hình thành từ 4 thành phần 3.2. Thiết lập đặc tính vật liệu và chia mạng lưới như sau: các phần tử =g+s+c+r Sử dụng mô đun Transient Thermal nằm trong Trong đó: phần mềm ANSYS Workbench để tính toán phân g- Hệ số truyền nhiệt của không khí bên trong lỗ tích khả năng cách nhiệt của buồng cứu sinh mỏ s- Hệ số truyền nhiệt của các vách lỗ theo phương pháp phần tử hữu hạn. Thiết lập các c- Hệ số truyền nhiệt của các vách lỗ thông số về khối lượng riêng, hệ số truyền nhiệt, r- Hệ số bức xạ nhiệt nhiệt dung riêng và hệ số giãn nở nhiệt cho vật liệu 3. Mô hình và mô phỏng sử dụng là Q345R và ốc xít nhôm xốp như bảng 1. Sau khi thiết lập xong đặc tính vật liệu, sử dụng lệnh 3.1. Xây dựng mô hình Symmetry Region để tạo ràng buộc đối xứng trên Trong kỳ báo phát hành trước[2], chúng tôi đã bề mặt cắt cho mô hình 3D nhằm đảm bảo độ chính giới thiệu về nội dung thiết kế tối ưu hóa kết cấu xác khi tính toán. một mô đun buồng cứu sinh mỏ có kết cấu ốc xít Bảng 1: Các thông số đặc tính của vật liệu nhôm xốp dựa trên nguyên mẫu là buồng cứu sinh Khối Hệ số di động KJYF-96/12 do Trung Quốc sản xuất, kết Nhiệt dung Hệ số giãn lượng truyền Tên gọi riêng nở nhiệt cấu và kích thước của hai loại buồng cứu sinh này riêng nhiệt J/(kg·K) /K-1 đã được trình bày rất rõ dàng. Nhưng trước khi tiến kg/m3 /(m·K) hành phân tích nhiệt vẫn cần tiến hành sử lý hai mô Q345R 7860 50 480 1.2×10-5 Ốc xít hình này. Do mô đun buồng cứu sinh mỏ có kết cấu nhôm 540 10 920 20×10-5 đối xứng nên tiến hành chia mô hình thành hai nửa xốp bằng nhau và chỉ tiến hành phân tích nhiệt đối với một nửa mô hình như hình 1 và hình 2. Việc làm Lựa chọn phần tử dạng hình tứ diện cho vật này không làm ảnh hưởng đến độ chính xác của kết liệu thép Q345R và phần tử dạng hình lục diện cho quả tính toán nhưng làm giảm thời gian tính toán, vật liệu ốc xít nhôm xốp để chia hai mô hình thành giảm yêu cầu về dung lượng của máy tính và có thể mạng lưới các phần tử hữu hạn như hình 3 và hình quan sát rõ ràng hơn tình trạng phân bố nhiệt ở bên 4. Một nửa mô hình buồng cứu sinh mỏ nguyên bản trong buồng cứu sinh mỏ. được chia thành 19828 phần tử với 36425 tiếp điểm. Một nửa mô hình buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp được chia thành 39152 phần tử với 107021 tiếp điểm[3]. Hình 1: Một nửa mô Hình 2: Một nửa mô hình buồng cứu sinh hình buồng cứu sinh mỏ mỏ nguyên mẫu kết cấu ốc xít nhôm xốp Hình 3: Mạng lưới Hình 4: Mạng lưới phần tử của mô hình phần tử của mô hình buồng cứu sinh mỏ buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu kết cấu ốc xít nhôm xốp 208 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 3.3. Thiết lập điều kiện biên Phần mềm tự động tính toán mô hình buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu để đưa ra hình ảnh nhiệt Kết cấu tổng thể của buồng cứu sinh mỏ gồm độ phân bố tại các thời điểm nhất định như hình 7 9 mô đun độc lập liên kết với nhau bằng bu lông- và quy luật biến hóa nhiệt độ theo thời gian như đai ốc, giữa các mặt lắp ghép của các mô đun chỉ hình 8 và hình 9. tiếp xúc trực tiếp với nhau mà không tiếp xúc với Theo hình 7 thấy rằng, mô hình buồng cứu nhiệt độ cao nên phải thiêt lập cách nhiệt cho các sinh mỏ nguyên mẫu có nhiệt độ cao nhất là mặt lắp ghép này. Khe hở giữa bề mặt đáy của 138,02℃ với điểm xuất hiện ở mặt lắp ghép, nhiệt buồng cứu sinh mỏ và bề mặt nền lò rất nhỏ nên độ cao nhất của vỏ thép ở bề mặt ngoài khoảng chịu ảnh hưởng rất nhỏ của nhiệt đối lưu và nhiệt 110℃, nhiệt độ cao nhất của gân tăng cứng ở bề bức xạ, chỉ xảy ra hiện tượng truyền nhiệt của vật mặt ngoài là khoảng 120~130℃ và nhiệt độ cao liệu trên bề mặt này. Khi phân tích nhiệt, giả thuyết nhất của bề mặt trong là khoảng 70℃. Theo hình 8 nhiệt độ môi trường ở trong đường lò là 25℃. và hình 9 thấy rằng, quy luật biến hóa nhiệt độ của Khi hiện tượng nổ khí mỏ xảy ra, chỉ trong bề mặt ngoài và bề mặt trong buồng cứu sinh khoảng thời gian ngắn 3s sẽ hình thành khối khí có nguyên mẫu là hoàn toàn khác nhau. Bề mặt trong nhiệt độ rất cao, hiện tượng giãn nở nhiệt xảy ra có tốc độ biến hóa chậm, tăng dần theo thời gian và làm khối khí nhiệt độ cao di chuyển với vận tốc cao. nhiệt độ cao nhất đạt 72,979℃. Bề mặt trong có tốc Theo quy phạm an toàn ngành khai thác mỏ độ biến hóa nhanh, cũng tăng dần theo thời gian và AQ2011-11-3 của Trung Quốc quy định, khả năng đạt nhiệt độ cao nhất là 138,02℃. kháng nhiệt độ xung kích của buồng cứu sinh mỏ không nhỏ hơn 1200℃ trong thời gian 3s[3,4]. Tính đến tính phực tạp của đường lò trong điều kiện thực tế, lựa chọn thời gian phân tích nhiệt đối với buồng cứu sinh mỏ là 3×2=6s (2 là hệ số an toàn). Vì vậy thiết lập bề mặt ngoài của buồng cứu sinh mỏ (trừ bề mặt đáy) chịu nhiệt độ bức xạ là 1200℃, thời gian tác dụng là 6s. Bề mặt trong của (a) 0.1s (b) 1.5s buồng cứu sinh mỏ tiếp xúc với không khí được làm mát bằng điều hòa nhiệt độ nên được thiết lập nhiệt độ là 22℃, đồng thời thiết lập nhiệt đối lưu với hệ số thay đổi nhiệt là 5W/(mm2·℃). Thiết lập điều kiện biên của hai mô hình buồng cứu sinh mỏ được thể hiện chi tiết theo hình 5 và hình 6. (c) 3.2s (d) 3.8s Hình 5: Điều kiện Hình 6: Điều kiện biên biên của mô hình của mô hình buồng cứu (e) 5s (f) 6s buồng cứu sinh mỏ sinh mỏ kết cấu ốc xít Hình 7: Nhiệt độ phân bố của mô hình buồng nguyên mẫu nhôm xốp cứu sinh mỏ nguyên mẫu 4. Kết quả 4.1. Nhiệt độ của buồng cứu sinh mỏ 209 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) (e) 5s (f) 6s Hình 10: Nhiệt độ phân bố của mô hình buồng Hình 8: Nhiệt độ bề mặt ngoài của buồng cứu cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp sinh mỏ nguyên mẫu Theo hình 10 thấy rằng, mô hình buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp có nhiệt độ cao nhất là 141,44℃ với điểm xuất hiện ở bề mặt ngoài. Theo hình 11 và hình 12 thấy rằng, quy luật biến hóa nhiệt độ của bề mặt ngoài và bề mặt trong buồng cứu sinh kết cấu ốc xít nhôm xốp là hoàn toàn khác nhau. Bề mặt ngoài có tốc độ biến hóa nhanh, tăng dần theo thời gian và nhiệt độ cao nhất đạt 141,44℃. Bề mặt trong có tốc độ biến hóa chậm, cũng tăng dần theo thời gian và đạt nhiệt độ cao nhất là 36,104℃. So sánh kết quả thu được giữa hai loại buồng cứu sinh nhận thấy: nhiệt độ ở bề mặt bên trong của buống cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp tăng từ nhiệt độ môi trường 22 lên đến 36,104℃ và chỉ bằng 50,53% nhiệt độ bên trong Hình 9: Nhiệt độ bề mặt trong của của buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu. buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu (a) 0.1s (b) 1.5s Hình 11: Nhiệt độ bề mặt ngoài của buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp (c) 3.2s (d) 3.8s 210 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) (e) 5s (f) 6s Hình 13: Lưu lượng nhiệt phân bố của mô hình buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu Hình 12: Nhiệt độ bề mặt trong của buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp 4.2. Lưu lượng nhiệt của buồng cứu sinh mỏ Phần mềm tự động tính toán mô hình buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu để đưa ra hình ảnh lưu lượng nhiệt phân bố tại các thời điểm nhất định như hình 13 và quy luật biến hóa nhiệt độ theo thời gian như hình 14 và hình 15 Hình 14: Lưu lượng nhiệt lớn nhất của buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu (a) 0.1s (b) 1.5s Hình 15: Lưu lượng nhiệt bề mặt trong của (c) 3.2s (d) 3.8s buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu Phần mềm tự động tính toán mô hình buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp để đưa ra hình ảnh lưu lượng nhiệt phân bố tại các thời điểm nhất định như hình 16 và quy luật biến hóa nhiệt độ theo thời gian như hình 17 và hình 18. 211 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) (a) 0.1s (b) 1.5s Hình 18: Lưu lượng nhiệt bề trong của buồng cứu (c) 3.2s (d) 3.8s sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp Theo các hình mô phỏng từ hình số 13 đến hình số 18 thấy rằng: Khi kết cấu buồng cứu sinh mỏ chịu luồng nhiệt độ 1.200℃ trong thời gian 6s(do nổ khí mỏ gây ra trong đường lò) thì lưu lượng nhiệt bề mặt ngoài bắt đầu từ 0.21W/mm2 dần dần tăng lên, lưu lượng nhiệt bề mặt bên trong (e) 5s bắt đầu từ 0 W/mm2 cũng dần dần tăng lên. Cả hai (f) 6s mô hình buồng cứu sinh đều có lưu lượng nhiệt Hình 16: Lưu lượng nhiệt phân bố của mô hình tăng lên cao nhất ở thời điểm giây thứ 6. Lưu lượng buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp nhiệt bề mặt ngoài và bề mặt trong của buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu lần lượt là 0.36683W/mm2, 0.14254W/mm2. Lưu lượng nhiệt bề mặt ngoài và bề mặt trong của buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp lần lượt là 0.32871W/mm2, 0.047693W/mm2. So sánh kết quả thu được giữa hai loại buồng cứu sinh nhận thấy: lưu lượng nhiệt bề mặt bên ngoài và bề mặt bên trong của buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp giảm tương ứng 10.39% và 66.54% so với lưu lượng nhiệt bề mặt bên ngoài và bề mặt bên trong của buồng cứu sinh mỏ. Điều này càng chứng minh khả năng cách nhiệt tốt của buồng cứu sinh kết cấu ốc xít nhôm xốp. 5. Kết quả Khi kết cấu buồng cứu sinh mỏ chịu luồng nhiệt độ 1.200℃ trong thời gian 6s thì nhiệt độ bên Hình 17: Lưu lượng nhiệt bề ngoài của buồng trong buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp chỉ tăng từ độ môi trường 22℃ lên đến 36,104℃ và chỉ bằng 50,53% nhiệt độ bên trong của buồng cứu sinh mỏ nguyên mẫu. Mặt khác, lưu lượng nhiệt bề 212 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) mặt bên ngoài và bề mặt bên trong của buồng cứu Workbench. Tạp chí Công nghiệp Mỏ, số 2- sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp giảm tương ứng 2017. 10.39% và 66.54% so với lưu lượng nhiệt bề mặt 3. Trần Ngọc Minh. Nghiên cứu thiết kế và phân bên ngoài và bề mặt bên trong của buồng cứu sinh tích tính năng của buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc mỏ. Buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp có xít nhôm xốp. Luận án Tiến sỹ năm 2017- Đại khả năng cách nhiệt tốt hơn buồng cứu sinh mỏ học Kỹ thuật Công trình Liêu Ninh, Liêu Ninh, nguyên mẫu. Điều này chứng tỏ rằng độ an toàn của Trung Quốc. buồng cứu sinh mỏ kết cấu ốc xít nhôm xốp được nâng cao rõ rệt. 4. AQ2011-11-3. Tiêu chuẩn điều kiện kỹ thuật Tài liệu tham khảo buồng cứu sinh di động thể cứng trong mỏ hầm lò. Trung tâm An toàn Mỏ Trung Quốc, Bắc Kinh- 1. Trần Ngọc Minh, Vu Anh Hoa. Một số vấn đề kỹ 2011. thuật khi thiết kế chế tạo buồng cứu sinh dùng trong mỏ hầm lò trên thế giới. Tạp chí Công 5. Từ Bình, Thẩm Giai Hưng, Vu Anh Hoa. nghiệp Mỏ, số 4-2016. Thiết kế ưu hóa mô hình ốc xít nhôm xốp bổ xung vào kết cấu thùng dỡ tải nhằm 2. Trần Ngọc Minh, Nguyễn Duy Chỉnh. Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế buồng cứu sinh sử dụng giảm chấn động. Tạp chí nghiên cứu và hợp kim nhôm bằng phần mềm ANSYS thiết kế cơ khí, số 32- kỳ 3- 2014. 213