礦井余熱回收裝置氣流特性與優(yōu)化研究

邵燕飛

(山西潞安能化生產(chǎn)服務(wù)公司，山西 長治 046204)

冬季，我國北方地區(qū)的礦井在進(jìn)行井工開采過程中，由于室外氣溫低于《煤礦安全規(guī)程》的要求:進(jìn)風(fēng)井口以下空氣溫度(干球溫度)必須在2 ℃以上[1]，因此需要對進(jìn)入井下的新鮮空氣進(jìn)行預(yù)加熱處理。這樣不僅提高了生產(chǎn)成本，又對環(huán)境造成了極大的危害，所以需要一種清潔環(huán)保的能源為空氣加熱供能。

井工煤礦生產(chǎn)時，由于井下各類機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)放熱、煤巖石氧化散熱、人體散熱等原因，大量的低溫余熱從回風(fēng)排出[2]，這種低品位二次能源若加以回收利用，不僅能夠節(jié)省煤炭資源，而且具有節(jié)能減排的重要意義。近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對礦井余熱進(jìn)行了深入的研究。曹龍[3]以卡諾循環(huán)原理為基礎(chǔ)，論述了熱泵技術(shù)的節(jié)能原理，得出了無論在何種工況下運(yùn)行，機(jī)組的性能系數(shù)(COP)都是高效節(jié)能的結(jié)論；王小龍[4]為滿足寒冷地區(qū)礦井進(jìn)風(fēng)空氣加熱的要求，介紹了一種用于礦井回風(fēng)余熱利用的熱管系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)取代現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐在滿足礦井進(jìn)風(fēng)溫度要求的同時，節(jié)約了運(yùn)行成本，還可滿足環(huán)保排放要求；唐曉梅等[5]自行設(shè)計(jì)礦井乏風(fēng)余熱回收凈化系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究得到了溫度和風(fēng)速與換熱效率和除塵效率的關(guān)系。上述研究都是針對礦井噴淋換熱裝置進(jìn)行的理論和實(shí)驗(yàn)研究，由于井下乏風(fēng)中含有大量的粉塵，因此在裝置進(jìn)行噴淋的過程中，會造成井筒有淤泥堆積，對通風(fēng)造成阻礙。

本文以潞安集團(tuán)王莊煤礦管式余熱回收裝置為研究背景，利用Fluent軟件中的對流換熱模型，模擬分析了現(xiàn)有余熱回收裝置的空氣齡和溫度場，并通過理論計(jì)算得到模擬后裝置的換熱效率，依據(jù)該模擬結(jié)果，對余熱回收裝置進(jìn)行優(yōu)化改造，為余熱回收裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)理模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

1)對流換熱率。

(1)

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

2)空氣齡。

空氣齡為空氣質(zhì)點(diǎn)到達(dá)流場某處所需時間，在數(shù)值計(jì)算過程中，采用示蹤氣體法對空氣齡建立數(shù)學(xué)模型。

?(uτp)/?x+?(vτp)/?y+?(wτp)/?z=

(2)

式中，u，v，w分別為x，y，z三個坐標(biāo)軸方向的速度；Γ為擴(kuò)散系數(shù)。

3)能量方程。

(3)

式中，E為流體微團(tuán)的總內(nèi)能，J；hj′為組分j′的焓；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)；Jj′為組分j′的擴(kuò)散通量；Sh為體積熱源項(xiàng)。

1.2 物理模型

1)模型簡化及網(wǎng)格劃分。

王莊煤礦余熱回收裝置簡化后的模型見圖1.其工作原理為：回風(fēng)井風(fēng)流風(fēng)速高達(dá)幾十米每秒，這么高的風(fēng)速很難換熱完全，所以礦井回風(fēng)先通過擴(kuò)散塔，將過流斷面風(fēng)速降至2～3 m/s的均勻低速氣流，再進(jìn)入余熱回收裝置，流經(jīng)“L”型風(fēng)峒，與換熱器進(jìn)行短暫的熱量交換，進(jìn)入大氣。

圖1 余熱回收裝置簡化后的模型圖

對簡化模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，并對換熱器內(nèi)部進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為556 786.

2)模擬假設(shè)及參數(shù)設(shè)置。

余熱回收裝置的換熱是一個復(fù)雜的過程，現(xiàn)對模擬過程做出如下假設(shè)：

a)裝置內(nèi)部所有壁面均為光滑壁面，除換熱管外其余壁面均為絕熱壁面。

b)經(jīng)過裝置內(nèi)部的氣體均為理想氣體，且不考慮氣體的黏性。

c)裝置內(nèi)部換熱過程為對流換熱過程，模擬過程中不考慮輻射換熱產(chǎn)生的影響。

d)模擬過程中不考慮換熱管厚度。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 優(yōu)化前模擬結(jié)果與分析

裝置出口處空氣齡云圖見圖2.圖2a)、b)分別表示縱向換熱器出口的水平中心面和裝置內(nèi)部流場與橫向換熱器中換熱管的水平切面。

圖2 優(yōu)化前空氣齡云圖

優(yōu)化前溫度云圖見圖3.由圖3可以看出，裝置內(nèi)部3個換熱器出口前端均出現(xiàn)了溫度在268～274 K的低溫現(xiàn)象，且橫向出口低溫區(qū)域的面積大于縱向出口；橫向出口的低溫區(qū)域位于出口的右下角，并且存在6個換熱器其內(nèi)部溫度低于裝置正常的換熱溫度278 K，因此上述6個換熱器已經(jīng)失去換熱的能力。

圖3 優(yōu)化前溫度云圖

結(jié)果分析：由于該裝置為“L”型通風(fēng)，在裝置的轉(zhuǎn)角處沒有增設(shè)導(dǎo)流設(shè)備，所以當(dāng)分流通過轉(zhuǎn)角處時，橫向通風(fēng)面積增大，改變原有的風(fēng)流流向，因此在圖2標(biāo)注的1所在區(qū)域會產(chǎn)生局部渦旋，當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)此區(qū)域，會在該區(qū)域做離心運(yùn)動，因此該區(qū)域的空氣齡指數(shù)大于周圍空氣齡指數(shù)；該裝置的進(jìn)風(fēng)溫度為290.15 K，周圍壁面絕熱，因此到達(dá)換熱器前的風(fēng)流溫度不會變化，而裝置外空氣溫度為267.15 K，當(dāng)裝置內(nèi)氣流與裝置外空氣發(fā)生碰撞時，由于兩種氣流溫差較大，因此會在碰撞區(qū)域產(chǎn)生對流現(xiàn)象，同時流經(jīng)該處的風(fēng)速較低，因此在氣流碰撞區(qū)域會產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象，如圖2標(biāo)注的3和4兩個區(qū)域。

從上述分析可知,該裝置在圖2的1、3和4區(qū)域都會產(chǎn)生渦旋，這3處渦旋會產(chǎn)生卷吸作用，不斷將周圍空氣卷吸到渦旋的內(nèi)部，因此裝置外空氣被卷吸到裝置的內(nèi)部，所以圖2中裝置的出口處局部的空氣齡指數(shù)與入口空氣齡指數(shù)相同，同時由于外部空氣的溫度遠(yuǎn)低于裝置內(nèi)的氣流溫度，因此出現(xiàn)了圖3中裝置內(nèi)部溫度與裝置外的環(huán)境溫度相同的局部低溫的現(xiàn)象。

2.2 優(yōu)化后模擬結(jié)果與分析

由于王莊煤礦余熱回收裝置已經(jīng)建立完成并投運(yùn)，該次優(yōu)化旨在不改變裝置現(xiàn)有整體框架，對裝置內(nèi)部的換熱設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過改變換熱器中換熱管的水平傾角，增大通風(fēng)面積，提高換熱效果。根據(jù)換熱器寬400 mm，換熱管管徑100 mm，得到換熱管最大傾角為30°，因此取換熱管傾角為15°和30°對余熱回收裝置進(jìn)行模擬，換熱管的具體布置方式見圖4.

圖4 優(yōu)化前后換熱管布置圖

根據(jù)圖4b)、c)優(yōu)化后的換熱管的布置方式，建立新的物理模型，對新的模型在相同邊界參數(shù)下進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬空氣齡云圖和溫度云圖見圖5，圖6.

圖5 優(yōu)化后空氣齡云圖

圖6 優(yōu)化后溫度云圖

在圖5和圖6中，當(dāng)換熱管傾角為15°時，裝置出口處低空氣齡指數(shù)和低溫區(qū)域與優(yōu)化前相比，面積減少；而當(dāng)換熱管傾角為30°時，裝置出口處低空氣齡指數(shù)和低溫的區(qū)域與優(yōu)化前相比，面積增加。

結(jié)果分析：當(dāng)換熱管傾角為15°時，換熱器出口面積增加，結(jié)合圖4a)所示換熱器，換熱管以錯位布置的方式分布在換熱器內(nèi)部，產(chǎn)生了分級換熱的效果，裝置內(nèi)氣流通過一級換熱管，被換熱管吸取了一部分熱量，降低了氣流溫度，并且二級換熱管與一級換熱管之間的距離較短。當(dāng)氣流到達(dá)二級換熱管時，受裝置外氣流的影響較小，且與二級換熱管完成換熱后，減小了與外部氣流的溫差，減少了強(qiáng)對流現(xiàn)象引起的卷吸作用，減緩了外部空氣的倒吸現(xiàn)象。當(dāng)換熱管傾角為30°時，裝置出口的面積最大，結(jié)合圖4b)所示換熱器，一級換熱管與二級換熱管之間出現(xiàn)了體積較大的空腔，當(dāng)裝置內(nèi)氣流與一級換熱管進(jìn)行換熱后，由于該空腔內(nèi)部填充了大量的外部空氣，致使氣流與外部空氣在裝置局部產(chǎn)生了強(qiáng)對流作用，由于換熱管被大量的低溫空氣包裹，內(nèi)部換熱液體冷凍凝固，使換熱器失去了換熱的效果，因此大量低溫空氣沿?fù)Q熱器出口進(jìn)入裝置內(nèi)部，在裝置內(nèi)部與內(nèi)部氣流產(chǎn)生強(qiáng)對流作用，形成渦旋，不斷卷吸外部空氣進(jìn)入裝置，所以出現(xiàn)了換熱器出口處低空氣齡指數(shù)和低溫的現(xiàn)象。

2.3 優(yōu)化前后換熱效果對比

模擬過程中，余熱回收裝置的換熱效率用換熱管的傳熱量表示，優(yōu)化前后3處換熱器中換熱管的傳熱量見圖7.

由圖7可知，對3種不同換熱管傾角的換熱量進(jìn)行比較，當(dāng)換熱管傾角為15°時，換熱管的換熱量最高，當(dāng)換熱管傾角為0°和30°時，由于部分換熱器內(nèi)部溫度與裝置外空氣溫度一致，換熱管長時間置于低溫環(huán)境中，失去了換熱能力，因此部分換熱器失效，同時當(dāng)換熱管傾角為30°時，由于裝置內(nèi)部通過橫向換熱器出口進(jìn)入大量外部低溫空氣，使經(jīng)過有效換熱器的來流溫度降低，減少了換熱管的換熱量，所以裝置的總換熱量比優(yōu)化前降低約25%；當(dāng)換熱管傾角為15°時，由于進(jìn)入裝置內(nèi)部的冷空氣較少，保證了來流溫度，所以提高換熱管的傳熱量。

圖7 優(yōu)化前后換熱管傳熱量圖

3 結(jié) 論

以王莊煤礦余熱回收裝置為研究背景，利用仿真模擬手段對裝置進(jìn)行優(yōu)化研究，得到如下結(jié)論：

1)該裝置為“L”型通風(fēng)，轉(zhuǎn)角為直角，影響了裝置的通風(fēng)效果，同時會在裝置局部區(qū)域產(chǎn)生渦旋，因此應(yīng)在轉(zhuǎn)角處增設(shè)導(dǎo)流設(shè)備，增大裝置的通風(fēng)能力。

2)通過引用空氣齡的概念，從空氣調(diào)節(jié)的角度對余熱回收裝置的通風(fēng)效果進(jìn)行分析，分析出裝置內(nèi)部存在回流的現(xiàn)象，為裝置的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

3)優(yōu)化后的余熱回收裝置回流現(xiàn)象明顯減少，減少了裝置內(nèi)部低溫區(qū)域的面積，當(dāng)換熱管傾角為15°時，裝置內(nèi)的低溫區(qū)域面積最小，同時換熱管的總換熱量最大，與優(yōu)化前相比增加了13%，提高了裝置的換熱能力。