回風(fēng)換熱器回風(fēng)阻力數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究?

杜春濤朱元忠孟國(guó)營(yíng)甘延標(biāo)

(1.北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京市石景山區(qū),100144; 2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,北京市石景山區(qū),100042; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 4.北華航天工業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)部,河北省廊坊市,065000)

★節(jié)能與環(huán)?！?/p>

回風(fēng)換熱器回風(fēng)阻力數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)研究?

杜春濤1朱元忠2孟國(guó)營(yíng)3甘延標(biāo)4

(1.北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京市石景山區(qū),100144; 2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,北京市石景山區(qū),100042; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 4.北華航天工業(yè)學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)部,河北省廊坊市,065000)

為減少回風(fēng)速度、平面擋水板擋水板傾角和間距以及蛇型擋水板擋水板間距和高度對(duì)回風(fēng)換熱器中回風(fēng)阻力的影響,利用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件FLUENT對(duì)回風(fēng)換熱器進(jìn)行了3D仿真,得出了不同回風(fēng)速度、平面擋水板擋水板傾角和間距以及蛇型擋水板擋水板間距和高度時(shí)回風(fēng)換熱器中回風(fēng)阻力和壓降的仿真數(shù)據(jù),然后利用實(shí)驗(yàn)得出了不同回風(fēng)速度和平面擋水板傾角時(shí)回風(fēng)壓降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果之間的誤差在7%范圍以內(nèi)。最后通過分析仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出了各因素對(duì)回風(fēng)阻力的影響規(guī)律,對(duì)指導(dǎo)回風(fēng)換熱器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。

回風(fēng)換熱器 回風(fēng)阻力 數(shù)值仿真 3D仿真 FLUENT

為提取礦井回風(fēng)中蘊(yùn)含的巨大能源、減少粉塵直接排入大氣、降低排氣主扇產(chǎn)生的巨大噪音,實(shí)現(xiàn)“高碳產(chǎn)品生產(chǎn),低碳排放、生產(chǎn)與運(yùn)行,綠色及生態(tài)開采”的煤礦建設(shè)模式,平煤集團(tuán)三礦通過在擴(kuò)散塔上安裝回風(fēng)換熱器的方法提取回風(fēng)中的熱能和冷能,取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。夏季可提取冷量3040 k W,冬季可提取熱量1893 k W,可減少燃煤2457.6 t/a,減少了SO2、CO2及煙塵排放量,主要通風(fēng)機(jī)出風(fēng)口噪音約降低30 dB。冀中能源東龐礦、梧桐莊礦和云駕嶺礦采用該方法后,從回風(fēng)中提取的余熱不僅滿足了礦井供暖空調(diào)、井筒防凍需要,還解決了職工洗澡、宿舍冬季取暖等問題。

1 仿真建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建設(shè)及網(wǎng)格劃分

實(shí)現(xiàn)仿真的前提是建立流體區(qū)域幾何模型,確定流體區(qū)域和邊界。參考冀中能源東龐煤礦采用的回風(fēng)換熱器的結(jié)構(gòu)和尺寸,建立2D回風(fēng)換熱器結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。外形尺寸為12000 mm× 6000 mm×9000 mm,噴淋高度為6000 mm,回風(fēng)從左側(cè)入口進(jìn)入,經(jīng)擋水板后從上方出口排出,噴淋水從上向下噴淋。

圖1 回風(fēng)換熱器結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算流體力學(xué)的本質(zhì)是對(duì)控制方程在所規(guī)定的區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)離散或區(qū)域離散,從而轉(zhuǎn)變?yōu)樵诟骶W(wǎng)格點(diǎn)或子區(qū)域上定義的代數(shù)方程組,最后用線性代數(shù)的方法迭代求解。網(wǎng)格生成技術(shù)是離散技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟,由于平面擋水板尺寸和間距較大,在網(wǎng)格劃分時(shí)可以把換熱器模型作為一個(gè)整體,由于蛇型擋水板長(zhǎng)厚比很大,不能對(duì)模型整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,需要將換熱器分為3個(gè)部分,第一部分為擋水板部分,第二部分為擋水板下面部分,第三部分為擋水板上面部分。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

氣相卡迪爾張量形式的控制方程為:

式中:ρ——回風(fēng)密度,kg/m3;

Φ——通用守恒變量;

t——時(shí)間,s;

uj——j方向上的速度分量,m/s;

xj——j方向坐標(biāo);

Γφ——擴(kuò)散系數(shù);

S——源項(xiàng)。

針對(duì)3D、穩(wěn)態(tài)和不可壓縮湍流3個(gè)模型,式(1)轉(zhuǎn)化為:

式中:u、v和w——回風(fēng)在x、y和z方向的速度分量,m/s;

Sφ——φ的源項(xiàng);

Sd,φ——液滴引起的源項(xiàng)。

2 仿真結(jié)果

利用FLUENT仿真軟件,選擇3D、穩(wěn)態(tài)和不可壓縮湍流的求解模型,采用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化,利用SIMPLE算法進(jìn)行壓力—速度耦合,分別仿真不同回風(fēng)速度、平面擋水板傾角和間距以及蛇型擋水板間距和高度對(duì)回風(fēng)壓力和壓降的影響。

2.1 回風(fēng)速度對(duì)回風(fēng)阻力的影響

分別設(shè)置換熱器入口回風(fēng)速度va為5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、15 m/s和20 m/s,得到換熱器內(nèi)部最大靜壓力Pa,max、最小靜壓力Pa,min和體積加權(quán)平均壓力Pa,ave,數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)最大與最小靜壓力計(jì)算出回風(fēng)壓降ΔPa(ΔPa＝Pa,max－Pa,min)。根據(jù)表1中的仿真數(shù)據(jù)繪制回風(fēng)速度對(duì)回風(fēng)壓降及體積加權(quán)平均壓力的影響示意圖,如圖2所示。從圖2中可以看出,隨著回風(fēng)速度的增加,回風(fēng)壓力和壓降都在加速增大。

根據(jù)礦井通風(fēng)阻力定律:

表1 不同回風(fēng)速度時(shí)產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)

式中:h——通風(fēng)阻力,Pa;

R——總風(fēng)阻,kg/m7;

Q——通風(fēng)量,m3/s;

S——巷道斷面積,m2;

va——風(fēng)速,m/s。

由公式(3)可知,回風(fēng)阻力與回風(fēng)速度的平方成正比,因此,圖2仿真結(jié)果與礦井通風(fēng)阻力定律比較吻合。

圖2 回風(fēng)速度對(duì)回風(fēng)壓降及體積加權(quán)平均壓力的影響

回風(fēng)速度va為5 m/s和15 m/s時(shí),仿真得到的靜壓力跡線圖如圖3所示。從圖中可以看出,由于擋水板的阻擋,回風(fēng)在擋水板下方產(chǎn)生渦旋,從而產(chǎn)生回風(fēng)負(fù)壓,負(fù)壓在換熱器回風(fēng)入口與擴(kuò)散塔上側(cè)曲面結(jié)合處最大。擋水板明顯改變了風(fēng)向,對(duì)風(fēng)壓的產(chǎn)生具有重要影響。

圖3 不同風(fēng)速時(shí)得到的風(fēng)壓跡線圖

2.2 平面擋水板傾角對(duì)回風(fēng)阻力的影響

將平面擋水板數(shù)量設(shè)置為5,換熱器入口回風(fēng)速度設(shè)置為10 m/s,當(dāng)擋水板與水平面夾角α分別為30°、45°和60°時(shí)得到不同擋水板傾角時(shí)的仿真數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同擋水板傾角時(shí)的回風(fēng)阻力

根據(jù)表2仿真數(shù)據(jù)繪制出擋水板傾角對(duì)回風(fēng)壓力和壓降影響的曲線,如圖4所示。從圖中可以看出,隨著擋水板傾角的增大,換熱器中回風(fēng)壓降和壓力都在減小。

圖4 擋水板傾角對(duì)回風(fēng)壓力和壓降的影響

根據(jù)回風(fēng)方向與擋水板傾角之間的位置,繪制出擋水板傾角與回風(fēng)壓力之間的關(guān)系,如圖5所示。

從圖5可以看出,由于F1,F和α的對(duì)邊構(gòu)成了一個(gè)直角三角形,因此可以得出擋水板對(duì)回風(fēng)產(chǎn)生的法向壓力的公式為:

式中:F1——擋水板對(duì)回風(fēng)產(chǎn)生的法向壓力,Pa;

F——回風(fēng)對(duì)擋水板產(chǎn)生的正壓力,Pa;

α——擋水板傾角,(°)。

在回風(fēng)速度不變的情況下,回風(fēng)對(duì)擋水板產(chǎn)生的正壓力F保持不變,從公式(4)可以看出,α越小,擋水板對(duì)回風(fēng)產(chǎn)生的法向壓力F1就越大,而受到較大法向壓力的回風(fēng)一部分從擋水板流出換熱器,而另一部分則又返回?fù)Q熱器,在擋水板下方與回風(fēng)入口之間形成渦旋,從而產(chǎn)生負(fù)壓。

圖5 擋水板傾角α與回風(fēng)壓力之間關(guān)系

擋水板傾角分別為30°和60°時(shí)得到的仿真圖形如圖6所示。從圖中可以看出,擋水板傾角不同,回風(fēng)在擋水板處的流場(chǎng)有明顯區(qū)別,表明擋水板傾角對(duì)回風(fēng)壓力有一定影響。

圖6 不同擋水板傾角時(shí)得到的風(fēng)壓跡線圖

2.3 平面擋水板間距對(duì)回風(fēng)阻力的影響

當(dāng)換熱器入口回風(fēng)速度設(shè)置為10 m/s,平面擋水板間距Dd分別設(shè)置為57 cm、76 cm、110 cm和190 cm時(shí),得到不同擋水板間距時(shí)的仿真數(shù)據(jù),見表3。

表3 不同擋水板間距時(shí)的仿真數(shù)據(jù)

根據(jù)表3中的仿真數(shù)據(jù)繪制擋水板間距與回風(fēng)壓力和壓降之間的關(guān)系圖,如圖7所示。從圖中可以看出,隨著擋水板間距的增大,回風(fēng)壓降和壓力呈現(xiàn)出拋物線類型的變化趨勢(shì)。

圖7 擋水板間距對(duì)回風(fēng)壓降和壓力的影響

擋水板間距對(duì)回風(fēng)阻力的影響主要由2個(gè)因素決定,即擋水板的導(dǎo)流性和回風(fēng)的暢通性。擋水板間距越小,擋水板數(shù)量就越多,擋水板對(duì)回風(fēng)的導(dǎo)流性也越好;擋水板間距越大,則回風(fēng)的暢通性越好。從仿真結(jié)果可以看出,開始時(shí)擋水板的導(dǎo)流性起主要作用,回風(fēng)暢通性起次要作用,當(dāng)擋水板間距超過一定臨界值后,回風(fēng)暢通性起主要作用,而擋水板導(dǎo)流性起次要作用。因此擋水板間距對(duì)回風(fēng)阻力的影響呈拋物線變化趨勢(shì)。

擋水板間距Dd分別為57 cm和190 cm時(shí)仿真得到回風(fēng)壓力跡線圖,如圖8所示。從圖中可以看出,擋水板間距不同,擋水板處的回風(fēng)流場(chǎng)存在明顯區(qū)別,表明擋水板間距對(duì)回風(fēng)阻力有一定影響。

圖8 不同擋水板間距時(shí)得到的風(fēng)壓跡線圖

2.4 蛇型擋水板間距和高度對(duì)回風(fēng)阻力的影響

蛇型擋水板是工業(yè)中最常用的擋水板,其結(jié)構(gòu)仿真模型如圖9所示。

圖9 蛇型擋水板結(jié)構(gòu)及仿真模型

當(dāng)換熱器入口回風(fēng)速度設(shè)置為10 m/s,擋水板間距(Dd)×擋水板高度(Hd)分別設(shè)置為2.5 cm×24 cm、2.5 cm×48 cm、5 cm×48 cm和10 cm×48 cm時(shí),得到蛇型擋水板仿真數(shù)據(jù),見表4。

表4 蛇型擋水板仿真數(shù)據(jù)

通過對(duì)表4中仿真數(shù)據(jù)的分析可以看出:蛇型擋水板產(chǎn)生的回風(fēng)壓力和壓降都比較小,特別是回風(fēng)壓力,其絕對(duì)值都在25 Pa以內(nèi);擋水板間距和高度對(duì)回風(fēng)阻力存在一定影響,但是影響規(guī)律并不明顯,當(dāng)擋水板間距由2.5 cm增大到5 cm時(shí),回風(fēng)壓力和壓降分別由24.71 Pa和105.94 Pa減小到－1.79 Pa和59.83 Pa;當(dāng)擋水板間距由5 cm增大到10 cm時(shí),回風(fēng)壓力和壓降分別由－1.79 Pa和59.83 Pa變化到－7.7 Pa和65.17 Pa;當(dāng)擋水板高度由24 cm增大到48 cm時(shí),回風(fēng)壓力和壓降分別由10.37 Pa和93.68 Pa增大到24.71 Pa和105.94 Pa。

Dd×Hd分別為2.5×24 cm和10×48 cm時(shí)仿真得到的回風(fēng)壓力跡線圖,如圖10所示,從圖中可以看出,擋水板上方和下方回風(fēng)流場(chǎng)變化不大,表明蛇型擋水板對(duì)回風(fēng)阻力影響較小。

圖10 蛇型擋水板不同Dd×Hd時(shí)得到的風(fēng)壓跡線圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

按照?qǐng)D11搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),換熱器主體部分尺寸為60 cm×60 cm,高度為330 cm。在距離擋水板下方100 cm處和換熱器出口位置各安裝1個(gè)RE－1211型號(hào)的全壓測(cè)試儀用于測(cè)量回風(fēng)壓力,通過改變回風(fēng)速度和擋水板傾角獲得2個(gè)測(cè)試儀的回風(fēng)壓力值,并計(jì)算回風(fēng)壓降,最后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,獲得如圖12所示的比較結(jié)果。從圖12可以看出,雖然仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差,但是誤差都在7%范圍以內(nèi),因此能夠驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

圖11 回風(fēng)換熱器實(shí)驗(yàn)示意圖

圖12 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較

4 結(jié)論

通過對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,得出以下結(jié)論:

(1)回風(fēng)速度對(duì)回風(fēng)阻力影響較大。隨著回風(fēng)速度的增大,回風(fēng)阻力加速增大。該結(jié)論完全符合通風(fēng)阻力與風(fēng)速的平方成正比的礦井通風(fēng)阻力定律。

(2)平面擋水板的傾角和間距對(duì)回風(fēng)阻力影響較大。隨著擋水板傾角的增大,回風(fēng)阻力逐漸變小;隨著擋水板間距的增大,回風(fēng)阻力開始時(shí)由小變大,然后又由大變小,呈拋物線變化趨勢(shì)。

(3)蛇型擋水板的間距和高度對(duì)回風(fēng)阻力存在一定影響,但是影響規(guī)律并不明顯。

(4)和平面擋水板相比,蛇型擋水板產(chǎn)生的回風(fēng)壓力和壓降都比較小。

根據(jù)以上結(jié)論,綜合分析回風(fēng)速度與各種類型擋水板對(duì)回風(fēng)阻力的影響,在設(shè)計(jì)回風(fēng)換熱器時(shí)給出以下建議:

(1)回風(fēng)換熱器中回風(fēng)速度應(yīng)控制在12 m/s以內(nèi),并采用蛇型擋水板,這樣可以在保證礦井通風(fēng)量的前提下有效降低擋水板產(chǎn)生的回風(fēng)阻力。

(2)如果利用部分礦井回風(fēng)中的熱量或冷量就可以滿足煤礦需求,可以通過調(diào)整回風(fēng)換熱器與通風(fēng)井口之間的距離,讓部分回風(fēng)不通過換熱器而直接排入大氣的方法來減小回風(fēng)換熱器對(duì)回風(fēng)阻力造成的影響。

[1] 杜春濤,張進(jìn)治,王若賓.礦井回風(fēng)換熱器換熱性能影響因素的仿真及實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào), 2014(5)

[2] 杜春濤,董志峰,孟國(guó)營(yíng)等.礦井回風(fēng)噴淋換熱器節(jié)水及換熱效率影響因素研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(12)

[3] 錢鳴高.煤炭的科學(xué)開采[J].煤炭學(xué)報(bào),2010 (4)

[4] 徐國(guó)領(lǐng).礦井回風(fēng)熱能利用技術(shù)及其應(yīng)用[J].中州煤炭,2011(7)

[5] 劉建功.冀中能源低碳運(yùn)行生態(tài)礦山建設(shè)的創(chuàng)新實(shí)踐[J].中國(guó)煤炭,2010(5)

[6] 董志峰,杜春濤,劉建功等.礦井回風(fēng)噴淋換熱器噴淋高度影響換熱效率研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2013(5)

[7] 杜春濤,董志峰,孟國(guó)營(yíng)等.礦井回風(fēng)噴淋換熱器擋水板CFD仿真及研究[J].煤炭工程,2013(4)

Numerical simulation and experimental study on the resistance of air in a mine return airheat exchanger

Du Chuntao1,Zhu Yuanzhong2,Meng Guoying3,Gan Yanbiao4
(1.College of Computer Science,North China University of Technology,Shijingshan,Beijing 100144,China; 2.School of Electrical and Information Engineering,Beijing Polytechnic College,Shijingshan,Beijing 100042,China; 3.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 4.Basic Science Department,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang,Hebei 065000,China)

In order to reducing the effects on the resistance of air in a mine return air heat exchanger,speed of return air,dip angle and space between baffle of plane eliminator,and space and height of baffle of snake-shaped eliminator were tested,the authors simulated the return air heat exchanger in 3D space by using computational fluid dynamics simulation software FLUENT.The FLUENT gave simulation data of resistance of return air and pressure drop in a mine return air heat exchanger with different return air velocities,dip angles and spaces between baffle of plane eliminator,and spaces and heights of baffle of snake-shaped eliminator in the mine return air heat exchanger,and then the tests showed experimental data of return air pressure drop with different return air velocities,dip angles and spaces between baffle of plane eliminator.The error between experimental results and simulation results is less than 7%.According to analysis of experimental results and simulation results,the authors provided the influence rules of the factors mentioned above on return air resistance which are significant to guide the design and operation of the mine return air heat exchanger.

mine return air heat exchanger,resistance of mine return air,numerical simulation,3D space,FLUENT

TD727.2

A

杜春濤(1967－),男,山東莒南人,北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授,博士,主要從事多相流仿真及煤礦余熱利用研究。

(責(zé)任編輯 孫英浩)

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1361127, 11202003),河北省自然科學(xué)基金(A2013409003),北方工業(yè)大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目