回風換熱器回風阻力數值仿真及實驗研究?

杜春濤朱元忠孟國營甘延標

(1.北方工業大學計算機學院,北京市石景山區,100144; 2.北京工業職業技術學院電氣與信息工程學院,北京市石景山區,100042; 3.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083; 4.北華航天工業學院基礎科學部,河北省廊坊市,065000)

★節能與環保★

回風換熱器回風阻力數值仿真及實驗研究?

杜春濤1朱元忠2孟國營3甘延標4

(1.北方工業大學計算機學院,北京市石景山區,100144; 2.北京工業職業技術學院電氣與信息工程學院,北京市石景山區,100042; 3.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083; 4.北華航天工業學院基礎科學部,河北省廊坊市,065000)

為減少回風速度、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回風換熱器中回風阻力的影響,利用計算機流體動力學仿真軟件FLUENT對回風換熱器進行了3D仿真,得出了不同回風速度、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回風換熱器中回風阻力和壓降的仿真數據,然后利用實驗得出了不同回風速度和平面擋水板傾角時回風壓降的實驗數據,實驗與仿真結果之間的誤差在7%范圍以內。最后通過分析仿真和實驗數據,得出了各因素對回風阻力的影響規律,對指導回風換熱器的設計和運行具有重要意義。

回風換熱器 回風阻力 數值仿真 3D仿真 FLUENT

為提取礦井回風中蘊含的巨大能源、減少粉塵直接排入大氣、降低排氣主扇產生的巨大噪音,實現“高碳產品生產,低碳排放、生產與運行,綠色及生態開采”的煤礦建設模式,平煤集團三礦通過在擴散塔上安裝回風換熱器的方法提取回風中的熱能和冷能,取得了良好的經濟、社會和環境效益。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,主要通風機出風口噪音約降低30 dB。冀中能源東龐礦、梧桐莊礦和云駕嶺礦采用該方法后,從回風中提取的余熱不僅滿足了礦井供暖空調、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 結構模型的建設及網格劃分

實現仿真的前提是建立流體區域幾何模型,確定流體區域和邊界。參考冀中能源東龐煤礦采用的回風換熱器的結構和尺寸,建立2D回風換熱器結構模型,如圖1所示。外形尺寸為12000 mm× 6000 mm×9000 mm,噴淋高度為6000 mm,回風從左側入口進入,經擋水板后從上方出口排出,噴淋水從上向下噴淋。

圖1 回風換熱器結構模型

計算流體力學的本質是對控制方程在所規定的區域進行點離散或區域離散,從而轉變為在各網格點或子區域上定義的代數方程組,最后用線性代數的方法迭代求解。網格生成技術是離散技術中的一個關鍵步驟,由于平面擋水板尺寸和間距較大,在網格劃分時可以把換熱器模型作為一個整體,由于蛇型擋水板長厚比很大,不能對模型整體進行網格劃分,需要將換熱器分為3個部分,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 數學模型的建立

氣相卡迪爾張量形式的控制方程為:

式中:ρ——回風密度,kg/m3;

Φ——通用守恒變量;

t——時間,s;

uj——j方向上的速度分量,m/s;

xj——j方向坐標;

Γφ——擴散系數;

S——源項。

針對3D、穩態和不可壓縮湍流3個模型,式(1)轉化為:

式中:u、v和w——回風在x、y和z方向的速度分量,m/s;

Sφ——φ的源項;

Sd,φ——液滴引起的源項。

2 仿真結果

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

2.1 回風速度對回風阻力的影響

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

根據礦井通風阻力定律:

表1 不同回風速度時產生的仿真數據

式中:h——通風阻力,Pa;

R——總風阻,kg/m7;

Q——通風量,m3/s;

S——巷道斷面積,m2;

va——風速,m/s。

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

圖2 回風速度對回風壓降及體積加權平均壓力的影響

回風速度va為5 m/s和15 m/s時,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,回風在擋水板下方產生渦旋,從而產生回風負壓,負壓在換熱器回風入口與擴散塔上側曲面結合處最大。擋水板明顯改變了風向,對風壓的產生具有重要影響。

圖3 不同風速時得到的風壓跡線圖

2.2 平面擋水板傾角對回風阻力的影響

將平面擋水板數量設置為5,換熱器入口回風速度設置為10 m/s,當擋水板與水平面夾角α分別為30°、45°和60°時得到不同擋水板傾角時的仿真數據見表2。

表2 不同擋水板傾角時的回風阻力

根據表2仿真數據繪制出擋水板傾角對回風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,換熱器中回風壓降和壓力都在減小。

圖4 擋水板傾角對回風壓力和壓降的影響

根據回風方向與擋水板傾角之間的位置,繪制出擋水板傾角與回風壓力之間的關系,如圖5所示。

從圖5可以看出,由于F1,F和α的對邊構成了一個直角三角形,因此可以得出擋水板對回風產生的法向壓力的公式為:

式中:F1——擋水板對回風產生的法向壓力,Pa;

F——回風對擋水板產生的正壓力,Pa;

α——擋水板傾角,(°)。

在回風速度不變的情況下,回風對擋水板產生的正壓力F保持不變,從公式(4)可以看出,α越小,擋水板對回風產生的法向壓力F1就越大,而受到較大法向壓力的回風一部分從擋水板流出換熱器,而另一部分則又返回換熱器,在擋水板下方與回風入口之間形成渦旋,從而產生負壓。

圖5 擋水板傾角α與回風壓力之間關系

擋水板傾角分別為30°和60°時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,回風在擋水板處的流場有明顯區別,表明擋水板傾角對回風壓力有一定影響。

圖6 不同擋水板傾角時得到的風壓跡線圖

2.3 平面擋水板間距對回風阻力的影響

當換熱器入口回風速度設置為10 m/s,平面擋水板間距Dd分別設置為57 cm、76 cm、110 cm和190 cm時,得到不同擋水板間距時的仿真數據,見表3。

表3 不同擋水板間距時的仿真數據

根據表3中的仿真數據繪制擋水板間距與回風壓力和壓降之間的關系圖,如圖7所示。從圖中可以看出,隨著擋水板間距的增大,回風壓降和壓力呈現出拋物線類型的變化趨勢。

圖7 擋水板間距對回風壓降和壓力的影響

擋水板間距對回風阻力的影響主要由2個因素決定,即擋水板的導流性和回風的暢通性。擋水板間距越小,擋水板數量就越多,擋水板對回風的導流性也越好;擋水板間距越大,則回風的暢通性越好。從仿真結果可以看出,開始時擋水板的導流性起主要作用,回風暢通性起次要作用,當擋水板間距超過一定臨界值后,回風暢通性起主要作用,而擋水板導流性起次要作用。因此擋水板間距對回風阻力的影響呈拋物線變化趨勢。

擋水板間距Dd分別為57 cm和190 cm時仿真得到回風壓力跡線圖,如圖8所示。從圖中可以看出,擋水板間距不同,擋水板處的回風流場存在明顯區別,表明擋水板間距對回風阻力有一定影響。

圖8 不同擋水板間距時得到的風壓跡線圖

2.4 蛇型擋水板間距和高度對回風阻力的影響

蛇型擋水板是工業中最常用的擋水板,其結構仿真模型如圖9所示。

圖9 蛇型擋水板結構及仿真模型

當換熱器入口回風速度設置為10 m/s,擋水板間距(Dd)×擋水板高度(Hd)分別設置為2.5 cm×24 cm、2.5 cm×48 cm、5 cm×48 cm和10 cm×48 cm時,得到蛇型擋水板仿真數據,見表4。

表4 蛇型擋水板仿真數據

通過對表4中仿真數據的分析可以看出:蛇型擋水板產生的回風壓力和壓降都比較小,特別是回風壓力,其絕對值都在25 Pa以內;擋水板間距和高度對回風阻力存在一定影響,但是影響規律并不明顯,當擋水板間距由2.5 cm增大到5 cm時,回風壓力和壓降分別由24.71 Pa和105.94 Pa減小到－1.79 Pa和59.83 Pa;當擋水板間距由5 cm增大到10 cm時,回風壓力和壓降分別由－1.79 Pa和59.83 Pa變化到－7.7 Pa和65.17 Pa;當擋水板高度由24 cm增大到48 cm時,回風壓力和壓降分別由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時仿真得到的回風壓力跡線圖,如圖10所示,從圖中可以看出,擋水板上方和下方回風流場變化不大,表明蛇型擋水板對回風阻力影響較小。

圖10 蛇型擋水板不同Dd×Hd時得到的風壓跡線圖

3 實驗研究

按照圖11搭建實驗平臺,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RE－1211型號的全壓測試儀用于測量回風壓力,通過改變回風速度和擋水板傾角獲得2個測試儀的回風壓力值,并計算回風壓降,最后將實驗數據與仿真數據進行比較,獲得如圖12所示的比較結果。從圖12可以看出,雖然仿真結果與實驗數據存在一定誤差,但是誤差都在7%范圍以內,因此能夠驗證仿真結果的正確性。

圖11 回風換熱器實驗示意圖

圖12 實驗數據與仿真結果比較

4 結論

通過對仿真結果和實驗結果對比分析,得出以下結論:

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

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

(3)蛇型擋水板的間距和高度對回風阻力存在一定影響,但是影響規律并不明顯。

(4)和平面擋水板相比,蛇型擋水板產生的回風壓力和壓降都比較小。

根據以上結論,綜合分析回風速度與各種類型擋水板對回風阻力的影響,在設計回風換熱器時給出以下建議:

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

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

[1] 杜春濤,張進治,王若賓.礦井回風換熱器換熱性能影響因素的仿真及實驗研究[J].煤炭學報, 2014(5)

[2] 杜春濤,董志峰,孟國營等.礦井回風噴淋換熱器節水及換熱效率影響因素研究[J].煤炭科學技術,2012(12)

[3] 錢鳴高.煤炭的科學開采[J].煤炭學報,2010 (4)

[4] 徐國領.礦井回風熱能利用技術及其應用[J].中州煤炭,2011(7)

[5] 劉建功.冀中能源低碳運行生態礦山建設的創新實踐[J].中國煤炭,2010(5)

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

[7] 杜春濤,董志峰,孟國營等.礦井回風噴淋換熱器擋水板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,北方工業大學計算機學院副教授,博士,主要從事多相流仿真及煤礦余熱利用研究。

(責任編輯 孫英浩)

國家自然科學基金(U1361127, 11202003),河北省自然科學基金(A2013409003),北方工業大學科研啟動基金項目