礦井乏風(fēng)余熱回收裝置的設(shè)計(jì)研究

劉軼

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司同大科技研究院 山西大同 037003)

0 引言

同煤集團(tuán)四臺(tái)礦石炭系延深改造工程中,將采用風(fēng)源熱泵技術(shù)為新建的進(jìn)風(fēng)立井井筒供熱。新建的回風(fēng)立井采用ANN系列軸流式主通風(fēng)機(jī),其連接的擴(kuò)散塔形式為倒錐形結(jié)構(gòu),也稱立式擴(kuò)散塔[1]。由于擴(kuò)散塔結(jié)構(gòu)為立式且出風(fēng)口位置高、加之系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)量大等一系列因素,因而對(duì)采用風(fēng)源熱泵技術(shù)進(jìn)行礦井排風(fēng)(乏風(fēng))余熱回收提出一定的挑戰(zhàn)。因此,本文就四臺(tái)礦倒錐形擴(kuò)散塔乏風(fēng)熱回收工藝進(jìn)行了技術(shù)研究,為石炭系風(fēng)源熱泵項(xiàng)目提供了理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)工藝組成簡(jiǎn)介

四臺(tái)礦石炭系新建回風(fēng)立井的回風(fēng)量為：前期275 m3/s,后期401 m3/s。根據(jù)上述研究結(jié)果,乏風(fēng)熱交換裝置按照最大風(fēng)量401 m3/s 為依據(jù),過(guò)流斷面風(fēng)速可控制在3 m/s～4 m/s 范圍內(nèi),結(jié)合工程項(xiàng)目安裝實(shí)際,建議換熱斷面按9 m×12 m 進(jìn)行設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1),校核乏風(fēng)換熱裝置過(guò)流斷面風(fēng)速為3.7 m/s,滿足系統(tǒng)過(guò)流斷面風(fēng)速范圍要求。

四臺(tái)礦倒錐形擴(kuò)散塔風(fēng)源熱泵系統(tǒng)工藝組成如圖1所示,乏風(fēng)余熱回收裝置由連接裝置(擴(kuò)散塔連接裝置、連接裝置均勻段、漸擴(kuò)段)和乏風(fēng)熱交換裝置(90°彎換熱擴(kuò)散塔和噴淋水換熱器)等組成,其功能是將礦井乏風(fēng)中所蘊(yùn)含的低溫?zé)崮?10℃～15℃)轉(zhuǎn)移到循環(huán)水中。它整體安裝在倒錐形擴(kuò)散塔的上部,并用承重柱支撐于地面上。為滿足礦井反風(fēng)需要,兩個(gè)倒錐形擴(kuò)散塔各配置一套。

圖1 礦井乏風(fēng)余熱回收系統(tǒng)的工藝組成

2 工作原理

系統(tǒng)工作過(guò)程：礦井乏風(fēng)(總回風(fēng))在通風(fēng)機(jī)的作用下進(jìn)入倒錐形擴(kuò)散塔,再經(jīng)乏風(fēng)余熱回收裝置后排入大氣。乏風(fēng)在經(jīng)過(guò)乏風(fēng)熱交換裝置內(nèi)部時(shí),通過(guò)噴淋水換熱器垂直向下噴出的水霧將礦井乏風(fēng)中所蘊(yùn)含的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)移到循環(huán)水中,在噴淋循環(huán)泵的作用下連續(xù)換熱作為熱泵系統(tǒng)的低溫?zé)嵩?6℃～9℃),此過(guò)程稱為能量采集系統(tǒng)；循環(huán)水池中的低溫?zé)嵩丛诘蜏責(zé)嵩囱h(huán)泵的作用下經(jīng)過(guò)水處理裝置后,進(jìn)入水源熱泵機(jī)組,熱泵從工作原理來(lái)說(shuō)就是制冷機(jī)[2],低溫?zé)嵩吹乃M(jìn)入熱泵(渦旋壓縮機(jī))低壓回路中的蒸發(fā)器后又回到循環(huán)水池重新熱交換獲得熱能,此時(shí)熱泵低壓管路中的低溫低壓液態(tài)制冷劑(不含氯的氟利昂HFC)吸熱后呈低溫低壓蒸汽狀態(tài),經(jīng)熱泵耗電做功后,將進(jìn)入熱泵的低溫低壓蒸汽狀態(tài)的制冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽狀態(tài),進(jìn)入冷凝器后把熱量傳遞給低溫的供暖側(cè)用水并使之升高為約+45℃的熱水,此過(guò)程稱為能量提升系統(tǒng)；升溫后的供暖側(cè)熱水在采暖循環(huán)泵的作用下,進(jìn)入井筒防凍加熱器加熱冷空氣并循環(huán)進(jìn)行,從而達(dá)到礦井井筒防凍的目的。

本項(xiàng)目做了如下關(guān)鍵技術(shù)研究：①換熱器的形式確定；②乏風(fēng)余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；③乏風(fēng)熱回收實(shí)驗(yàn)；④乏風(fēng)熱回收技術(shù)能效評(píng)價(jià)。本文主要介紹乏風(fēng)余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 礦井乏風(fēng)熱交換裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)

3 乏風(fēng)余熱回收裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

乏風(fēng)余熱回收裝置由乏風(fēng)熱交換裝置和連接裝置組成(見(jiàn)圖1)。

3.1 乏風(fēng)熱交換裝置的熱濕交換模擬

熱交換裝置由換熱擴(kuò)散塔和噴淋式換熱器兩部分組成(見(jiàn)圖1)。假定噴淋水霧分布均勻,模擬熱交換裝置內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、乏風(fēng)溫度和噴淋水滴溫度變化及軌跡分布情況,探討其熱濕交換過(guò)程。

(1)換熱擴(kuò)散塔內(nèi)流場(chǎng)模擬研究 本研究基于有限體積法,采用N-S方程進(jìn)行湍流計(jì)算,離散方法為二階迎風(fēng)格式,噴淋以離散相形式進(jìn)行添加,無(wú)噴淋水時(shí)湍流模型選用k-ε 模型,其他為RNG 模型,出口邊界為壓力出口,壁面默認(rèn)為無(wú)滑移壁面。

圖3為噴淋前換熱擴(kuò)散塔(俯視方向)內(nèi)部流場(chǎng)分布情況,回風(fēng)經(jīng)換熱擴(kuò)散塔的入口進(jìn)入其內(nèi)部,風(fēng)速在水平方向發(fā)展,在進(jìn)風(fēng)水平上風(fēng)速最大,向四周漸擴(kuò)減小,大部分沿管壁迅速流出換熱擴(kuò)散塔,換熱擴(kuò)散塔左上方(圖3(b))幾乎無(wú)回風(fēng)流經(jīng),豎直方向風(fēng)流分布不均,有局部回流現(xiàn)象,出口面平均風(fēng)速3 m/s～4 m/s,局部達(dá)5 m/s。

圖3 噴淋前換熱擴(kuò)散塔流場(chǎng)分布

圖4、圖5分別為噴淋前后裝置入口Z=4 m 和Y=3 m 處流線軌跡圖,由圖可見(jiàn),噴淋前流線均勻,噴淋后流線在裝置內(nèi)部受到水流的沖擊,軌跡整體下移,受細(xì)小水滴影響軌跡趨于復(fù)雜散亂,延長(zhǎng)了在裝置內(nèi)停留時(shí)間,部分高溫氣流受匯水槽內(nèi)低溫水引導(dǎo)產(chǎn)生分流現(xiàn)象。

圖4 噴淋前流線圖(左圖為Z=4 m,右圖為Y=3 m)

圖5 噴淋后流線圖(左圖為Z=4 m,右圖為Y=3 m)

(2)熱交換裝置內(nèi)溫度場(chǎng)模擬研究圖6、圖7 為噴淋換熱后裝置內(nèi)乏風(fēng)和噴淋霧化水的三維溫度軌跡圖,可見(jiàn)熱濕交換過(guò)程中裝置內(nèi)部回風(fēng)路徑上高溫乏風(fēng)持續(xù)加熱低溫霧化噴淋水,隨移動(dòng)距離的增大,乏風(fēng)溫度在水平和垂直高度方向上呈下降趨勢(shì)；熱濕交換逐步進(jìn)行、水溫持續(xù)升高,至乏風(fēng)遷移至裝置出風(fēng)口時(shí)溫度接近噴淋水初溫。

圖6 裝置內(nèi)乏風(fēng)溫度分布軌跡圖

圖7 裝置內(nèi)水滴溫度分布軌跡圖

從上述關(guān)于熱交換裝置內(nèi)熱濕交換現(xiàn)狀分析可知,其內(nèi)部熱濕交換效率受裝置內(nèi)氣流分布均勻性的影響最大。因此,解決熱交換裝置入口風(fēng)速過(guò)大、內(nèi)部均流不充分、換熱不均勻的問(wèn)題,結(jié)合四臺(tái)礦倒錐形塔出風(fēng)特點(diǎn),提出從連接裝置均流段設(shè)計(jì)和改變換熱擴(kuò)散塔斷面擴(kuò)大系數(shù)兩方面著手進(jìn)行優(yōu)化探討研究。

3.2 連接裝置均流段設(shè)計(jì)優(yōu)化模擬

均流段的設(shè)計(jì)優(yōu)化模型如圖8、9 所示,基于8 m×8 m 通徑倒錐形塔出口尺寸(見(jiàn)圖1),探討增加1/2 倍通徑長(zhǎng)度和1倍通徑長(zhǎng)度均流段設(shè)計(jì)后對(duì)裝置內(nèi)流場(chǎng)優(yōu)化影響。

圖8 增加1/2倍通徑長(zhǎng)度均流段時(shí)

圖9 增加1倍通徑長(zhǎng)度均流段時(shí)

由圖8和圖9對(duì)比可知,增加1倍通徑長(zhǎng)度均流段時(shí)熱交換裝置內(nèi)風(fēng)流較增加1/2倍通徑長(zhǎng)度均流段時(shí)分布均勻,出風(fēng)口平均風(fēng)速減小14%,且轉(zhuǎn)角處渦旋程度減小,乏風(fēng)充滿整個(gè)熱交換裝置,有利于低溫噴淋水和高溫乏風(fēng)進(jìn)行充分地?zé)釢窠粨Q。但從現(xiàn)場(chǎng)施工的角度來(lái)看,可結(jié)合場(chǎng)地要求,均流段長(zhǎng)度可按0.5～1倍擴(kuò)散塔出口通徑長(zhǎng)度確定。

3.3 換熱擴(kuò)散塔斷面擴(kuò)大系數(shù)優(yōu)化模擬

基于圖9所示,保證乏風(fēng)熱交換器連接結(jié)構(gòu)、均流段橫向尺寸和入口風(fēng)速不變,改變換熱擴(kuò)散塔入口斷面擴(kuò)大系數(shù)(即增大連接結(jié)構(gòu)及均流段高度),所謂斷面擴(kuò)大系數(shù)就是擴(kuò)散塔出風(fēng)口斷面與入風(fēng)口斷面之比[3],模擬研究不同斷面擴(kuò)大系數(shù)對(duì)裝置內(nèi)部流場(chǎng)分布的影響,如圖10所示。

圖10 改變斷面擴(kuò)大系數(shù)優(yōu)化模擬

由圖10 中(a)、(b)、(c)三圖對(duì)比可知,在同一風(fēng)速入口條件下,隨縱向斷面擴(kuò)大系數(shù)的增大裝置內(nèi)流場(chǎng)分布均勻性變差,大部分乏風(fēng)直接從裝置出口處排出、停留時(shí)間過(guò)短,不利于乏風(fēng)和噴淋水熱濕交換過(guò)程的開(kāi)展。因此,基于此倒錐形擴(kuò)散塔和熱交換裝置結(jié)構(gòu)尺寸,斷面擴(kuò)大系數(shù)為1.5～2.0 范圍內(nèi)時(shí)流場(chǎng)狀態(tài)最優(yōu),推薦采納。

4 乏風(fēng)余熱回收系統(tǒng)阻力損失研究

乏風(fēng)余熱回收系統(tǒng)阻力損失主要包括熱交換裝置內(nèi)部噴排結(jié)構(gòu)、擋水板以及噴淋水苗局部阻力損失和裝置連接結(jié)構(gòu)沿程阻力損失兩部分。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)兩種方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證系統(tǒng)阻力特性,數(shù)值模擬研究考慮管道和裝置粗糙度影響,兩部分結(jié)構(gòu)壓力變化情況見(jiàn)圖11和圖12所示。

圖11 熱交換裝置連接管道壓力變化云圖

圖12 熱交換裝置內(nèi)部壓力變化云圖

由圖11 和圖12 所示裝置和連接管路阻力變化云圖可知,連接管路入口和裝置出口平均靜壓差為27 Pa；熱交換裝置壓力值7.27 Pa 處是逆噴噴排位置,水苗平均阻力以裝置進(jìn)口和噴排處?kù)o壓差值18 Pa為準(zhǔn)(與噴水室單排逆噴水苗阻力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值18.2 Pa相符)；附加噴排和擋水板壓損值為5 Pa,系統(tǒng)總壓損值為50 Pa,滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

按照過(guò)流斷面風(fēng)速滿足乏風(fēng)與水直接接觸換熱要求前提下,盡可能降低斷面面積,均流段考慮1倍通徑長(zhǎng)度。倒錐形塔出口通徑為8 m,取均流段長(zhǎng)度8 m。

換熱擴(kuò)散塔斷面擴(kuò)大系數(shù)介于1.5～2.0 范圍內(nèi)。換熱擴(kuò)散塔入口斷面(均流段斷面)為7 m(高)×8 m(寬),此時(shí)斷面擴(kuò)大系數(shù)為9 m×12 m/7 m×8 m=1.9。

乏風(fēng)熱交換裝置斷面按照9 m×12 m設(shè)計(jì),在通風(fēng)容易時(shí)期總回風(fēng)量為275 m3/s 時(shí),過(guò)流斷面風(fēng)速為2.5 m/s,滿足氣水接觸換熱風(fēng)速范圍要求。