基于Ansys對礦井余熱回收裝置的模擬研究

劉洪鵬 ，陳永濤

（1.晉能控股煤業集團有限公司 山西 大同 037003；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧 撫順 113122）

0 引言

冬季時地處我國北方地區的礦井，新鮮空氣進入進風井口之前，必須通過空氣加熱裝置對其進行加熱處理，以保證井下工作人員作業和設備的運行。傳統的空氣加熱系統是通過燃燒化石能源的方式對空氣進行加熱，這種方法成本高，優化難度大，污染嚴重，所以逐漸被淘汰。而礦井回風中含有大量的低溫熱能，利用礦井余熱回收裝置將該能源收集，能夠完全滿足冬季礦井空氣加熱系統的供能要求，又起到了環保的作用，因此礦井余熱回收系統的研究正逐步發展并推廣。

目前，國內學者對礦井余熱回收裝置已經有了一些研究。盛振興[1]等人以熱管技術理論為基礎，提出了礦井余熱熱管回收系統的構想，并從經濟和技術兩方面進行了論證；趙忠齡[2]等人通過綜合分析礦區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]通過實地調研，分析煤礦的熱源特點，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]等人運用Fluent軟件對余熱回收系統換熱效果進行了模擬研究，研究結果表明，當礦井進風量為8 000 m3/min時，風流溫度高于29 ℃時，熱管換熱器可對回風余熱進行回收利用；湯玲玲[5]等人用過對某礦低溫熱源的調查研究，應用熱管理論，對該礦井開展余熱回收裝置的設計；張強[6]設計了一套礦井回風低溫余熱的回收裝置，并應用于陽泉礦區，達到了節能減排的效果；辛嵩和張兆鵬[7]提出了一種分離式熱管技術，并應用于礦井回風余熱回收的系統中。實踐表明，此技術既節約了經濟成本又實現了安全環保。

盡管目前有大量關于礦井余熱回收裝置設計及可靠性的相關研究，但尚無對礦井余熱回收裝置在運行的過程中裝置的流場進行整體分析研究的技術參考資料。本文運用CFD技術，對礦井回風井余熱回收裝置的流場進行模擬研究，通過模擬得到裝置內部氣流的壓力、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計提供理論上參考依據。

1 礦井通風概況及余熱回收裝置介紹

1.1 礦井通風概況

某煤礦井田范圍共有七個進風井，即主斜井、副斜井、主立井、副立井、西進風井、+540提升副立井、北翼進風井。四個回風井，即西回風井、南翼回風井、+540回風井和北翼回風井，屬多風井多主扇聯合運轉礦井。北翼回風井風機型號為NMAF3750 型，負壓2 250 Pa，主扇排風量為235 m3/s；在該回風井主扇出口處安裝由乏風余熱回收利用裝置。

1.2 回風井乏風余熱利用裝置簡介

回風井乏風余熱利用裝置其原理是利用回風井乏風氧化裝置進行氧化反應，并利用乏風氧化產生的熱量可供礦區各進風井口供暖和井工澡堂洗澡熱水。其結構包括熱交換室、氧化熱泵機組、翅片換熱器、噴淋換熱器等裝置及構件，翅片換熱器和噴淋換熱器分別通過熱泵機組，熱交換室底部設置有匯水池，通過管路連接集水池進行水加熱處理。礦井乏風熱回收系統，能夠充分回收乏風的熱量進行再利用。具體乏風余熱回收裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 乏風余熱回收裝置工藝流程示意圖

2 數理模型建立

2.1 數學模型

（1）對流換熱速率方程

式中：Φ 為對流換熱速率；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；R為對流換熱熱阻，℃/W。

（2）連續性方程

（3）動量方程

式中：ρ為介質密度，kg/m3；p為靜壓力值，Pa；τ為應力張量；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流體微團的總內能，J；hj為組分j的焓，J；keff有效熱傳導系數；Jj為組分j的擴散通量，kg/(m2·s)；Sh為體積熱源，J/m3。

2.2 物理模型建立及數值設定

2.2.1 模型網格劃分

本文根據該煤礦回風井余熱回收裝置的外形實測數據，利用Space Claim軟件，對模型進行簡化，建立了余熱回收裝置的物理模型。利用ICEM CFD軟件對模型進行網格劃分。采用六面體結構化的網格劃分方式，通過網格無關性檢驗，在計算資源允許的情況下最終確立網格的數量為556 786個。

2.2.2 邊界條件設置及數值設定

為簡化計算過程，忽略一些次要因素，現提出如下假設：

（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）余熱回收過程視為換熱管與空氣的對流換熱過程；

（5）整個模擬過程中考慮空氣浮力的作用。

該余熱回收裝置在收集回風井回風后，通過1 號入風口或2號入風口壓入余熱回收裝置。余熱回收裝置風流入口的空氣溫度為290.15 K（17 ℃），入口壓力值根據回風井出風量（235 m3/s）進行調整；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，即對流換熱；根據該煤礦冬季平均溫度為-6 ℃，將出口溫度設置為267.15 K，且出口壓力值為0 Pa；采用可實現的k-ε湍流模型（Realisable k-ε 模型）和 Simplic 算法，壁面函數選擇 Enhanced Wall Treatment，所有離散格式均采用二階迎風格式。

3 礦井余熱回收裝置模擬結果及分析

根據上述參數設置，對礦井余熱回收裝置在不同入口通風時的壓力分布、速度分布、溫度分布及換熱效率進行研究。

3.1 流場壓力變化

從圖2和圖3中可以看出，在兩個入風口交替使用的過程中，余熱回收裝置內部的換熱器附近都會產生負壓區域，使用1號入風口通風時的負壓區域要大于2號入風口，而2 號入風口的負壓區域多分布在換熱器附近，1 號入風口的負壓區域多集中在兩側換熱器的中心區域，兩種通風路線下，裝置內部兩側換熱器出口處均產生倒吸現象，使外部冷空氣進入裝置內部，影響裝置的正常換熱。

圖2 1號入風口通風裝置壓力分布

圖3 2號入風口通風裝置壓力分布

3.2 流場速度變化

通過對流場內部軸向方向3 個速度分量進行整合，運用均方根平均值的方法，計算3 個分量的合速度，結果如圖3和圖4所示。

圖4 1號入風口通風裝置合速度分布

從圖4和圖5中可以看出，當余熱回收裝置采用1號入風口壓風時，換熱器附近的風流速度明顯大于2號入風口壓風時的風流速度，近壁區域速度高于裝置中心區域的速度，在余熱回收裝置拐角處會形成一個速度梯度式下降的區域，該區域的梯度會隨著進口與出口的距離減小而減小，但不會消失。

圖5 2號入風口通風裝置合速度分布

3.3 流場溫度變化

將余熱回收裝置內部換熱器處的溫度云圖進行切片，如圖6和圖7所示。

圖6 1號入風口通風裝置溫度分布

圖7 2號入風口通風裝置溫度分布

根據上述裝置內各位置處溫度的分布狀況，結合1號、2號入風井口特性可知，由于2號入風口通風時在裝置內部兩側換熱器附近產生負壓，導致流場外的冷空氣進入流場內部，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，沒有達到余熱回收的效果；而1號入風口通風時，負壓區域集中在裝置的中心位置，不影響裝置的正常通風換熱，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

對不同通風形勢下余熱回收裝置的換熱效率進行研究，分別提取裝置內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，當采用1號進口通風時，上部換熱器的換熱效率低于2號進口，內側換熱器的換熱效率低于外側換熱器；當裝置采用2 號進口通風時，上部換熱器的換熱效率占整體換熱效率的95.9%，內側換熱器失去換熱作用，且外側換熱器的換熱能力是1號進口通風時的1/4。

圖8 1號入風口通風裝置各位置換熱管換熱量

圖9 2號入風口通風裝置各位置換熱管換熱量

4 結論

4.1 余熱回收裝置可行性分析

通過對上述不同通風方式下余熱回收裝置對通風機造成的附加阻力值，以及裝置通過熱交換獲得的能量，從經濟的角度對不同通風方式下余熱回收裝置的可行性進行分析。

風機功率輸出公式：

式中：P0為風機輸出功率，kW；Q為風量，m3/s；p為風壓，Pa。

根據上述公式可以得到，不同通風方式下通風機的輸出功率分別為57.2 kW和48.18 kW。

風機功率的輸入公式：

式中：Pi為風機輸入功率，kW；η為風機效率，按理想情況取70%。

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

結合該煤礦冬季使用燃煤熱風爐對進風進口風流加熱時消耗的煤炭資源，以及產生經濟價值，該礦井余熱回收裝置起到了環保和節能的作用，且其資源的消耗遠低于傳統礦井進風加熱設備。因此，該余熱回收裝置是可行的，通過分析裝置內部的速度、溫度、壓強以及換熱效率，對裝置的可行性進行研究，為今后對研究余熱回收裝置提供參考。

4.2 余熱回收裝置流場的影響因素分析

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

（2）在2號入風口進風時，內側換熱器附近出現風流倒吸的現象，致使換熱器失去換熱的能力，因此在使用2號進風口進風時應關閉內側換熱器。

（3）由于該余熱回收裝置的拐角為90°，在通風時該裝置在拐角處會產生局部阻力，阻礙風流的運動，因此需在拐角處增設導流裝置，減小局部阻力。