基于A(yíng)nsys對(duì)礦井余熱回收裝置的模擬研究

劉洪鵬 ，陳永濤

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司 山西 大同 037003；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧 撫順 113122）

0 引言

冬季時(shí)地處我國(guó)北方地區(qū)的礦井，新鮮空氣進(jìn)入進(jìn)風(fēng)井口之前，必須通過(guò)空氣加熱裝置對(duì)其進(jìn)行加熱處理，以保證井下工作人員作業(yè)和設(shè)備的運(yùn)行。傳統(tǒng)的空氣加熱系統(tǒng)是通過(guò)燃燒化石能源的方式對(duì)空氣進(jìn)行加熱，這種方法成本高，優(yōu)化難度大，污染嚴(yán)重，所以逐漸被淘汰。而礦井回風(fēng)中含有大量的低溫?zé)崮?，利用礦井余熱回收裝置將該能源收集，能夠完全滿(mǎn)足冬季礦井空氣加熱系統(tǒng)的供能要求，又起到了環(huán)保的作用，因此礦井余熱回收系統(tǒng)的研究正逐步發(fā)展并推廣。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)礦井余熱回收裝置已經(jīng)有了一些研究。盛振興[1]等人以熱管技術(shù)理論為基礎(chǔ)，提出了礦井余熱熱管回收系統(tǒng)的構(gòu)想，并從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面進(jìn)行了論證；趙忠齡[2]等人通過(guò)綜合分析礦區(qū)所用符合情況和可用余熱資源，確定了適合煤礦的熱泵供熱方案；蔡秀凡等人[3]通過(guò)實(shí)地調(diào)研，分析煤礦的熱源特點(diǎn)，佐證余熱利用降低了原煤消耗量，減輕了大氣污染程度；張明光[4]等人運(yùn)用Fluent軟件對(duì)余熱回收系統(tǒng)換熱效果進(jìn)行了模擬研究，研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)V井進(jìn)風(fēng)量為8 000 m3/min時(shí)，風(fēng)流溫度高于29 ℃時(shí)，熱管換熱器可對(duì)回風(fēng)余熱進(jìn)行回收利用；湯玲玲[5]等人用過(guò)對(duì)某礦低溫?zé)嵩吹恼{(diào)查研究，應(yīng)用熱管理論，對(duì)該礦井開(kāi)展余熱回收裝置的設(shè)計(jì)；張強(qiáng)[6]設(shè)計(jì)了一套礦井回風(fēng)低溫余熱的回收裝置，并應(yīng)用于陽(yáng)泉礦區(qū)，達(dá)到了節(jié)能減排的效果；辛嵩和張兆鵬[7]提出了一種分離式熱管技術(shù)，并應(yīng)用于礦井回風(fēng)余熱回收的系統(tǒng)中。實(shí)踐表明，此技術(shù)既節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本又實(shí)現(xiàn)了安全環(huán)保。

盡管目前有大量關(guān)于礦井余熱回收裝置設(shè)計(jì)及可靠性的相關(guān)研究，但尚無(wú)對(duì)礦井余熱回收裝置在運(yùn)行的過(guò)程中裝置的流場(chǎng)進(jìn)行整體分析研究的技術(shù)參考資料。本文運(yùn)用CFD技術(shù)，對(duì)礦井回風(fēng)井余熱回收裝置的流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，通過(guò)模擬得到裝置內(nèi)部氣流的壓力、速度、溫度以及換熱效率的變化情況，為礦井余熱回收裝置的設(shè)計(jì)提供理論上參考依據(jù)。

1 礦井通風(fēng)概況及余熱回收裝置介紹

1.1 礦井通風(fēng)概況

某煤礦井田范圍共有七個(gè)進(jìn)風(fēng)井，即主斜井、副斜井、主立井、副立井、西進(jìn)風(fēng)井、+540提升副立井、北翼進(jìn)風(fēng)井。四個(gè)回風(fēng)井，即西回風(fēng)井、南翼回風(fēng)井、+540回風(fēng)井和北翼回風(fēng)井，屬多風(fēng)井多主扇聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)礦井。北翼回風(fēng)井風(fēng)機(jī)型號(hào)為NMAF3750 型，負(fù)壓2 250 Pa，主扇排風(fēng)量為235 m3/s；在該回風(fēng)井主扇出口處安裝由乏風(fēng)余熱回收利用裝置。

1.2 回風(fēng)井乏風(fēng)余熱利用裝置簡(jiǎn)介

回風(fēng)井乏風(fēng)余熱利用裝置其原理是利用回風(fēng)井乏風(fēng)氧化裝置進(jìn)行氧化反應(yīng)，并利用乏風(fēng)氧化產(chǎn)生的熱量可供礦區(qū)各進(jìn)風(fēng)井口供暖和井工澡堂洗澡熱水。其結(jié)構(gòu)包括熱交換室、氧化熱泵機(jī)組、翅片換熱器、噴淋換熱器等裝置及構(gòu)件，翅片換熱器和噴淋換熱器分別通過(guò)熱泵機(jī)組，熱交換室底部設(shè)置有匯水池，通過(guò)管路連接集水池進(jìn)行水加熱處理。礦井乏風(fēng)熱回收系統(tǒng)，能夠充分回收乏風(fēng)的熱量進(jìn)行再利用。具體乏風(fēng)余熱回收裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 乏風(fēng)余熱回收裝置工藝流程示意圖

2 數(shù)理模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

（1）對(duì)流換熱速率方程

式中：Φ 為對(duì)流換熱速率；A為傳熱面積，m2；ΔT為對(duì)流換熱溫度差，℃/K；Tv為與流體接觸的壁面溫度，℃；T為流體的平均溫度，℃；α為對(duì)流換熱系數(shù)；R為對(duì)流換熱熱阻，℃/W。

（2）連續(xù)性方程

（3）動(dòng)量方程

式中：ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；p為靜壓力值，Pa；τ為應(yīng)力張量；Fi為外部體力，N；ui，uj分別是速度u在i，j方向上的分量，m/s。

（4）能量方程

式中：E流體微團(tuán)的總內(nèi)能，J；hj為組分j的焓，J；keff有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj為組分j的擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)；Sh為體積熱源，J/m3。

2.2 物理模型建立及數(shù)值設(shè)定

2.2.1 模型網(wǎng)格劃分

本文根據(jù)該煤礦回風(fēng)井余熱回收裝置的外形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用Space Claim軟件，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了余熱回收裝置的物理模型。利用ICEM CFD軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用六面體結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方式，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，在計(jì)算資源允許的情況下最終確立網(wǎng)格的數(shù)量為556 786個(gè)。

2.2.2 邊界條件設(shè)置及數(shù)值設(shè)定

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，忽略一些次要因素，現(xiàn)提出如下假設(shè)：

（1）礦井余熱回收裝置壁面為光滑壁面，除換熱管外，壁面為絕熱壁面；

（2）流經(jīng)余熱回收裝置的空氣為不可壓縮理想氣體；

（3）不考慮空氣的粘滯性；

（4）余熱回收過(guò)程視為換熱管與空氣的對(duì)流換熱過(guò)程；

（5）整個(gè)模擬過(guò)程中考慮空氣浮力的作用。

該余熱回收裝置在收集回風(fēng)井回風(fēng)后，通過(guò)1 號(hào)入風(fēng)口或2號(hào)入風(fēng)口壓入余熱回收裝置。余熱回收裝置風(fēng)流入口的空氣溫度為290.15 K（17 ℃），入口壓力值根據(jù)回風(fēng)井出風(fēng)量（235 m3/s）進(jìn)行調(diào)整；除換熱管外，壁面為光滑絕熱壁面，換熱管材料為銅，壁面換熱采用Convection 的換熱方式，即對(duì)流換熱；根據(jù)該煤礦冬季平均溫度為-6 ℃，將出口溫度設(shè)置為267.15 K，且出口壓力值為0 Pa；采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型（Realisable k-ε 模型）和 Simplic 算法，壁面函數(shù)選擇 Enhanced Wall Treatment，所有離散格式均采用二階迎風(fēng)格式。

3 礦井余熱回收裝置模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)置，對(duì)礦井余熱回收裝置在不同入口通風(fēng)時(shí)的壓力分布、速度分布、溫度分布及換熱效率進(jìn)行研究。

3.1 流場(chǎng)壓力變化

從圖2和圖3中可以看出，在兩個(gè)入風(fēng)口交替使用的過(guò)程中，余熱回收裝置內(nèi)部的換熱器附近都會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)域，使用1號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)時(shí)的負(fù)壓區(qū)域要大于2號(hào)入風(fēng)口，而2 號(hào)入風(fēng)口的負(fù)壓區(qū)域多分布在換熱器附近，1 號(hào)入風(fēng)口的負(fù)壓區(qū)域多集中在兩側(cè)換熱器的中心區(qū)域，兩種通風(fēng)路線(xiàn)下，裝置內(nèi)部?jī)蓚?cè)換熱器出口處均產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象，使外部冷空氣進(jìn)入裝置內(nèi)部，影響裝置的正常換熱。

圖2 1號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置壓力分布

圖3 2號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置壓力分布

3.2 流場(chǎng)速度變化

通過(guò)對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部軸向方向3 個(gè)速度分量進(jìn)行整合，運(yùn)用均方根平均值的方法，計(jì)算3 個(gè)分量的合速度，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖4 1號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置合速度分布

從圖4和圖5中可以看出，當(dāng)余熱回收裝置采用1號(hào)入風(fēng)口壓風(fēng)時(shí)，換熱器附近的風(fēng)流速度明顯大于2號(hào)入風(fēng)口壓風(fēng)時(shí)的風(fēng)流速度，近壁區(qū)域速度高于裝置中心區(qū)域的速度，在余熱回收裝置拐角處會(huì)形成一個(gè)速度梯度式下降的區(qū)域，該區(qū)域的梯度會(huì)隨著進(jìn)口與出口的距離減小而減小，但不會(huì)消失。

圖5 2號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置合速度分布

3.3 流場(chǎng)溫度變化

將余熱回收裝置內(nèi)部換熱器處的溫度云圖進(jìn)行切片，如圖6和圖7所示。

圖6 1號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置溫度分布

圖7 2號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置溫度分布

根據(jù)上述裝置內(nèi)各位置處溫度的分布狀況，結(jié)合1號(hào)、2號(hào)入風(fēng)井口特性可知，由于2號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)時(shí)在裝置內(nèi)部?jī)蓚?cè)換熱器附近產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致流場(chǎng)外的冷空氣進(jìn)入流場(chǎng)內(nèi)部，使換熱器局部溫度與室外空氣溫度相同，因此部分換熱器失去換熱能力，沒(méi)有達(dá)到余熱回收的效果；而1號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)時(shí)，負(fù)壓區(qū)域集中在裝置的中心位置，不影響裝置的正常通風(fēng)換熱，因此裝置下部換熱器附近的溫度變化不大。

3.4 裝置換熱效率分析

對(duì)不同通風(fēng)形勢(shì)下余熱回收裝置的換熱效率進(jìn)行研究，分別提取裝置內(nèi)部不同位置處換熱管的總傳熱量（total transfer heat rate），如下圖所示。

從圖8和圖9各換熱器的換熱效率可以看出，當(dāng)采用1號(hào)進(jìn)口通風(fēng)時(shí)，上部換熱器的換熱效率低于2號(hào)進(jìn)口，內(nèi)側(cè)換熱器的換熱效率低于外側(cè)換熱器；當(dāng)裝置采用2 號(hào)進(jìn)口通風(fēng)時(shí)，上部換熱器的換熱效率占整體換熱效率的95.9%，內(nèi)側(cè)換熱器失去換熱作用，且外側(cè)換熱器的換熱能力是1號(hào)進(jìn)口通風(fēng)時(shí)的1/4。

圖8 1號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置各位置換熱管換熱量

圖9 2號(hào)入風(fēng)口通風(fēng)裝置各位置換熱管換熱量

4 結(jié)論

4.1 余熱回收裝置可行性分析

通過(guò)對(duì)上述不同通風(fēng)方式下余熱回收裝置對(duì)通風(fēng)機(jī)造成的附加阻力值，以及裝置通過(guò)熱交換獲得的能量，從經(jīng)濟(jì)的角度對(duì)不同通風(fēng)方式下余熱回收裝置的可行性進(jìn)行分析。

風(fēng)機(jī)功率輸出公式：

式中：P0為風(fēng)機(jī)輸出功率，kW；Q為風(fēng)量，m3/s；p為風(fēng)壓，Pa。

根據(jù)上述公式可以得到，不同通風(fēng)方式下通風(fēng)機(jī)的輸出功率分別為57.2 kW和48.18 kW。

風(fēng)機(jī)功率的輸入公式：

式中：Pi為風(fēng)機(jī)輸入功率，kW；η為風(fēng)機(jī)效率，按理想情況取70%。

由公式（6）可知，兩種通風(fēng)方式下風(fēng)機(jī)的輸入功率分別為81.7 kW和68.83 kW。

結(jié)合該煤礦冬季使用燃煤熱風(fēng)爐對(duì)進(jìn)風(fēng)進(jìn)口風(fēng)流加熱時(shí)消耗的煤炭資源，以及產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該礦井余熱回收裝置起到了環(huán)保和節(jié)能的作用，且其資源的消耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)礦井進(jìn)風(fēng)加熱設(shè)備。因此，該余熱回收裝置是可行的，通過(guò)分析裝置內(nèi)部的速度、溫度、壓強(qiáng)以及換熱效率，對(duì)裝置的可行性進(jìn)行研究，為今后對(duì)研究余熱回收裝置提供參考。

4.2 余熱回收裝置流場(chǎng)的影響因素分析

（1）余熱回收裝置的換熱效率與進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)流速度有關(guān)，風(fēng)流速度越大，裝置的換熱效果越差。

（2）在2號(hào)入風(fēng)口進(jìn)風(fēng)時(shí)，內(nèi)側(cè)換熱器附近出現(xiàn)風(fēng)流倒吸的現(xiàn)象，致使換熱器失去換熱的能力，因此在使用2號(hào)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)時(shí)應(yīng)關(guān)閉內(nèi)側(cè)換熱器。

（3）由于該余熱回收裝置的拐角為90°，在通風(fēng)時(shí)該裝置在拐角處會(huì)產(chǎn)生局部阻力，阻礙風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)，因此需在拐角處增設(shè)導(dǎo)流裝置，減小局部阻力。