基于不同換熱器的礦井回風(fēng)余熱回收換熱效果研究

張 全，姚殿寶，龔海文

(1.陜西長武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，當(dāng)今社會面臨的能源、環(huán)境等問題的影響也日益嚴(yán)重，資源短缺已經(jīng)成為全球共同面臨的危機[1]。因此節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)今社會發(fā)展的主旋律。煤炭資源在生產(chǎn)過程當(dāng)中通風(fēng)是必不可少的工作，而且風(fēng)流在井下流動過程中會吸收大量的低溫?zé)崮?，如果利用礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)將這部分低溫?zé)崮芑厥掌饋聿⒓右岳?，既避免了一次能源的過度消耗，也實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的要求。第一臺礦井回風(fēng)換熱器自2008年11月在冀中能源東龐煤礦北風(fēng)井正式投產(chǎn)以來[2]，到目前為止已有上百余家煤礦企業(yè)采用礦井回風(fēng)換熱器回收礦井回風(fēng)中的低溫?zé)崮?。人們對其研究也逐漸趨于成熟。杜春濤、董志峰等人[3-5]借助FLUENT研究影響換熱裝置換熱效率影響因素中指出：液滴直徑在0.1～0.15cm時換熱器換熱效率最高，此時液滴逃逸率也相對較低，即節(jié)水效率高，噴淋高度在10m左右最為合理。杜春濤、張進(jìn)治、王若賓[6，7]研究制熱/制冷、逆噴/順噴、液滴平均直徑等因素對礦井回風(fēng)換熱器換熱性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，制冷、順噴、小液滴3種工況下回風(fēng)換熱器的換熱性能更好。胡向遠(yuǎn)[8]提出在噴淋裝置下方布置“填料”，從而提高回風(fēng)和水滴的接觸面積，進(jìn)一步提高了換熱器換熱效率。唐曉梅[9]通過實驗研究得出兩級噴淋比一級噴淋的換熱更充分，除塵率也更好。杜春濤、朱元忠等人[10]建立了回風(fēng)換熱器制熱工況下熱交換效率數(shù)學(xué)模型，對回風(fēng)換熱器的設(shè)計和運行具有指導(dǎo)意義。辛嵩、張培鵬等[11-13]利用熱管換熱器回收礦井回風(fēng)余熱以減少能源浪費，并研究了熱管尺寸，翅片大小以及熱管數(shù)目和排列方式等因素對換熱效果的影響。王增義[14]研發(fā)了一套熱管式相變蓄熱換熱器，很好地實現(xiàn)了儲能與放能的效果。鮑玲玲、李亞楠[15]結(jié)合山西某煤礦，對熱管式換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。張艷[16]以陽煤集團(tuán)五礦花荷峪風(fēng)井為研究對象，運用低溫?zé)峁芗夹g(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤鍋爐供熱，每年可節(jié)省標(biāo)煤5040t，年節(jié)省運行成本467.8萬元。呂向陽、李亞楠等[17]基于低溫?zé)峁軗Q熱技術(shù)設(shè)計研發(fā)了回收礦井回風(fēng)余熱資源的裝置。李浪平、劉學(xué)恒等[18]利用熱管式換熱器回收礦井排風(fēng)余熱預(yù)熱新風(fēng)，解決了梅花井煤礦副井井筒冬季結(jié)冰問題。

換熱器是礦井回風(fēng)余熱回收利用的核心設(shè)備[19]，換熱器的選型直接決定了熱回收效率的高低。目前礦井回風(fēng)余熱回收常用的換熱器有翅片管式換熱器、噴淋式換熱器、板式換熱器以及熱管式換熱器這四種類型[20]。根據(jù)回風(fēng)與換熱介質(zhì)的接觸形式，又將換熱器分為直接接觸式換熱器和間接接觸式換熱器[21]。由于不同礦井的回風(fēng)方式、回風(fēng)機性能等原因，各礦井對于換熱器的選型不盡相同，對于特定工況的回風(fēng)機需要準(zhǔn)確分析不同換熱器的工作效率及其適用性。本文以萬福礦井回風(fēng)余熱換熱器的選型為工程背景，基于FLUENT數(shù)值模擬軟件研究不同類型換熱器對礦井回風(fēng)余熱的換熱效果。

1 礦井概況

萬福井田位于山東省菏澤市巨野、成武兩縣境內(nèi)，巨野煤田的南端。礦井設(shè)計規(guī)模為1.8Mt/a，服務(wù)年限為64.5a。設(shè)計一個工作面出煤，開拓方式為立井-暗斜井開拓，中央并列抽出式通風(fēng)。礦井的實際排風(fēng)量為12000～13000m3/min，平均溫度為31℃，濕度為95%，回風(fēng)速度在5～7m/s。

2 礦井回風(fēng)換熱器數(shù)值模擬研究

2.1 噴淋式換熱器模擬

2.1.1 噴淋式換熱器模型

考慮到該礦井回風(fēng)擴(kuò)散塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文確定噴淋式換熱器模型參數(shù)為長×寬×高為6m×12m×12m，換熱器入口為4m×4m，出口大小為6m×6m。采用ANSYS自帶的建模軟件Design Modeler對換熱器進(jìn)行建模，如圖1所示。

圖1 噴淋式換熱器模型

采用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，ICEM具有強大的網(wǎng)格劃分功能，可以滿足CFD對邊界層網(wǎng)格自動加密、流場變化劇烈區(qū)域網(wǎng)格局部加密、復(fù)雜空間的四(六)面體混合網(wǎng)格、網(wǎng)格自適應(yīng)于激波捕捉、分離流模擬、高質(zhì)量的全六面體網(wǎng)格提高計算速度和精度等網(wǎng)格劃分的嚴(yán)格要求[22]。噴淋式換熱器網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示，總網(wǎng)格數(shù)為544000個，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.27滿足模擬要求。

圖2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量

2.1.2 模型選擇及假設(shè)

噴淋換熱過程屬于氣液兩相流，連續(xù)相為礦井回風(fēng)，離散相為噴淋液滴，故選擇離散相模型(DPM)進(jìn)行計算，流動采用標(biāo)準(zhǔn)的k～ε雙方程模型，時間設(shè)置為穩(wěn)態(tài)，考慮重力加速度沿Y軸正方向，大小為-9.81m2/s。

根據(jù)換熱器內(nèi)實際熱濕交換過程和動量傳遞過程簡化計算的需要，對氣流和水滴在計算過程中做出如下假設(shè)：①礦井回風(fēng)氣流在換熱器內(nèi)流動狀態(tài)為穩(wěn)定流，不隨時間發(fā)生變化；②水滴和水滴之間的相互作用忽略不計，水滴在換熱過程中不發(fā)生破碎和聚合；③水滴在計算過程中被視為具有一定尺寸的球體；④忽略擴(kuò)散塔壁面與大氣之間的換熱，認(rèn)為擴(kuò)散塔壁面和換熱器各表面為絕熱壁面。

2.1.3 邊界條件

換熱器入口邊界條件：邊界類型velocity-inlet，回風(fēng)速度6m/s，湍流強度10%，水力直徑4m，回風(fēng)溫度303.15K，DPM類型escape；換熱器出口邊界條件：邊界類型pressure-outlet，出口壓力0Pa，湍流強度10%，水力直徑6m，DPM類型escape；換熱器底面邊界條件：邊界類型wall，熱通量0W/m2，DPM類型trap；換熱器其他壁面邊界條件：邊界類型wall，熱通量0W/m2，DPM類型，wall-film。

2.1.4 噴嘴設(shè)置

為了使換熱效果達(dá)到最佳，減少液滴逃逸比例，換熱器噴嘴高度距換熱器底面為9m，共設(shè)置9個噴嘴，每個噴嘴的位置情況見表1。噴嘴類型cone，粒子流數(shù)量100，粒子類型droplet，噴淋液體，water-liquid，直徑分布 uniform，噴淋液滴直徑0.0015m，液滴溫度283.15K，噴淋速度10m/s，噴淋錐角20°，噴淋錐頂半徑0.005m，噴淋旋轉(zhuǎn)角度0.5°，噴淋總流率0.01kg/s。

表1 噴嘴編號及其位置坐標(biāo)

2.1.5 模擬結(jié)果

通過對比噴淋式換熱器工作前后的速度(如圖3所示)和壓力(如圖4所示)特征，可知，噴淋式換熱器開啟前擴(kuò)散塔入口風(fēng)流速度為6m/s，出口平均風(fēng)速為4m/s，開啟后入口風(fēng)流速度為5.75m/s，出口平均風(fēng)速仍可達(dá)到4m/s。噴淋式換熱器開啟后風(fēng)流的壓力相比開啟之前風(fēng)流的壓力平均增加了3Pa。因此，噴淋式換熱器對礦井回風(fēng)產(chǎn)生的阻力很小，不影響礦井正常的通風(fēng)。

圖3 速度云圖

圖4 壓力云圖

通過對噴淋液滴溫度的變化情況(如圖5所示)進(jìn)行分析可知，在液滴與礦井回風(fēng)換熱后液滴溫度從283.15K上升到290K，液滴平均溫度上升了7K，液滴對回風(fēng)中的低溫?zé)崃烤哂泻芎玫奈招Ч?/p>

圖5 噴淋液滴溫度分布云圖

2.2 熱管式換熱器模擬

2.2.1 熱管式換熱器二維模型

由于礦井排風(fēng)風(fēng)量大，經(jīng)初步計算應(yīng)用熱管式換熱器的裝置外形尺寸十分龐大，在這里借鑒其他礦井熱管式換熱器布置的經(jīng)驗，將熱管換熱器劃分為12個模塊，每個模塊的結(jié)構(gòu)參數(shù)：長×寬×高=2175mm×220mm×4000mm。參考其他行業(yè)成熟的經(jīng)驗，確定熱管外徑為22mm，每排分別為2根管和3根管，呈三角形叉排排列，熱管橫向間距為76mm，縱向間距為65mm，共12排30根管束，熱管排數(shù)按4/4/4方式排列分布，每4排熱管間設(shè)置一個500mm的檢修道。由于計算機容量的限制，在建立模型以及劃分網(wǎng)格過程中極其麻煩，因此只能對模型進(jìn)行簡化處理才能進(jìn)行模擬計算。這里主要對熱管式換熱器蒸發(fā)端進(jìn)行模擬，建立了2175mm×220mm的二維模型，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對熱管表面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，最終網(wǎng)格數(shù)量為66478個，節(jié)點數(shù)為34334，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.5滿足模擬的要求。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。熱管表面局部加密如圖7所示。

圖6 熱管式換熱器網(wǎng)格

圖7 熱管管束表面網(wǎng)格

2.2.2 模型選擇及假設(shè)

模擬采用二維，雙精度，壓力基求解器，時間設(shè)置為穩(wěn)態(tài)，鑒于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型精度高、適用性廣的特點，結(jié)合熱管式換熱器的具體特征，這里采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并利用SIMPLE算法以及二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化。為了保證計算收斂的準(zhǔn)確性，對熱管式換熱器換熱過程做出如下假設(shè)：①換熱器的熱物理常數(shù)不隨時間、溫度變化而變化；②流體為不可壓縮流體；③流體入口溫度分布均勻；④對輻射換熱和重力影響忽略不計。

2.2.3 邊界條件

由于熱管式換熱器可以直接利用回風(fēng)余熱加熱新風(fēng)，所以為了達(dá)到更好的換熱效果，回風(fēng)速度在換熱管道中速度會減小為3m/s，所以換熱器入口邊界條件：邊界類型velocity-inlet，回風(fēng)速度3m/s，湍流強度5%，水力直徑220mm，回風(fēng)溫度303.15K；換熱器出口邊界條件：邊界類型pressure-outlet，出口壓力0Pa，湍流強度5%，水力直徑220mm；換熱器側(cè)邊邊界條件：邊界類型，無滑移絕熱邊界；熱管蒸發(fā)端壁面：在這里將其簡化為溫度恒定的固定壁面，壁面溫度為280.15K。

2.2.4 模擬結(jié)果

對熱管式換熱器工作時的速度(圖8)分析可知，熱管式換熱器對回風(fēng)速度影響很小，在換熱器邊緣速度最高可達(dá)到5.2m/s。在3組熱管排列間隙回風(fēng)速度仍然可以達(dá)到3m/s。

圖8 熱管式換熱器速度云圖

熱管式換熱器對回風(fēng)壓降影響(圖9)比較明顯，換熱器出入口壓差達(dá)到13Pa，并隨著回風(fēng)速度的增大而增大。

圖9 熱管式換熱器壓力云圖

通過對熱管式換熱器溫度(圖10)進(jìn)行分析可知，礦井回風(fēng)在換熱器出口的溫度與入口的溫度相比平均下降了5K，與噴淋式換熱器相比較換熱效果提高了大約10倍，因此熱管式換熱器的熱回收效率比噴淋式換熱器更高。

圖10 熱管式換熱器溫度云圖

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 噴淋式換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

應(yīng)用噴淋式換熱器首先需要建設(shè)礦井回風(fēng)余熱回收熱泵系統(tǒng)，初投資包括設(shè)備購置費用和工程建設(shè)費用。其中主要設(shè)備包括熱泵機組、噴淋式換熱器、機組和換熱器的水泵以及其他附屬設(shè)施。建筑工程費用包括機房土建，礦井排風(fēng)口的擴(kuò)散塔以及水池等。初投資合計385萬元。

系統(tǒng)運行費用：整套系統(tǒng)總功率為770kW，采暖負(fù)荷系數(shù)為0.6，煤礦采暖期按5個月計算，總計時長150d，每天采暖時間24h，電價為0.5元/kW。則系統(tǒng)運行電費=設(shè)備功率(kW)×運行天數(shù)(d)×每天運行小時數(shù)(h)×電價(元/kW·h)=770×0.6×150×24×0.5=83.16萬元。人工費：系統(tǒng)在運行過程中，按照三班倒制工作，每班配1人監(jiān)測系統(tǒng)運行狀況，并記錄。每人每月工資為4000元，人工費=人數(shù)×工作月份×月工資=3×5×4000=6萬元。設(shè)備維護(hù)費：每年對水池進(jìn)行清淤工作，對設(shè)備進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，每年投入費用為5萬元。所以噴淋式換熱器年平均運行費用為94.16萬元。

3.2 熱管式換熱器經(jīng)濟(jì)性分析

電費：熱管式換熱器在正常運行過程中需要在礦井進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)各增設(shè)12臺風(fēng)機來平衡換熱器對風(fēng)流產(chǎn)生的風(fēng)阻，其中單臺風(fēng)機額定功率為11kW，從而熱管換熱器在平衡風(fēng)阻所產(chǎn)生的電費，此處計算按24臺風(fēng)機一直運行計算，煤礦企業(yè)采暖期按5個月計算，電費=設(shè)備功率(kW)×運行天數(shù)(d)×每天運行小時數(shù)(h)×電價(元/kW·h)=264×150×24×0.5=47.52萬元。系統(tǒng)運行所需人工費：按照三班倒制度上班，每班僅需配備1人進(jìn)行運行記錄填寫、設(shè)備日常巡查、熱管清潔沖洗等工作，共需雇傭3人，按當(dāng)?shù)毓べY標(biāo)準(zhǔn)，每人每月4000元。人工費=人數(shù)×工作月份×月工資=3×5×4000=6萬元。設(shè)備維護(hù)費：熱管式換熱器除平衡風(fēng)機外無其他運轉(zhuǎn)設(shè)備，維修工作量小，熱管式換熱器設(shè)計壽命為20a，考慮今后需要對平衡風(fēng)機進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，每年投入設(shè)備維護(hù)費按照3萬元計算。則熱管式換熱器年均運行費用為56.52萬元。

從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，噴淋式換熱器前期需要投入大量的資金用于基礎(chǔ)工程建設(shè)，在運行過程中，也需要與其他系統(tǒng)配合才能工作，年運行費用較高。對于新建礦井來說前期投入壓力太大。而熱管式換熱器的運行費用僅為噴淋式換熱器的三分之二，大大降低了煤礦企業(yè)投入。

4 結(jié) 論

1)通過數(shù)值模擬分析，噴淋式換熱器對礦井回風(fēng)的壓力和速度影響較小，風(fēng)流在噴淋式換熱器開啟前后的壓力和速度幾乎不變。噴淋的液滴經(jīng)過與回風(fēng)的對流換熱溫度平均上升了7K。

2)基于數(shù)值模擬分析可知，熱管式換熱器對回風(fēng)的阻力大于噴淋式換熱器，但是熱管式換熱器的換熱效果相對于噴淋式換熱器提高了10倍。

3)從經(jīng)濟(jì)性角度分析，熱管式換熱器經(jīng)濟(jì)性更好。噴淋式換熱器前期投資較高，熱管式換熱器雖然需要在進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)各加裝風(fēng)機來平衡阻力，但是年平均運行費用也僅為噴淋式換熱器運行費用的三分之二左右。

4)從換熱效果和經(jīng)濟(jì)性兩方面綜合考慮，熱管式換熱器更加適合萬福礦井回風(fēng)余熱回收系統(tǒng)。