回风换热器回风阻力数值仿真及实验研究∗

杜春涛朱元忠孟国营甘延标

(1.北方工业大学计算机学院,北京市石景山区,100144; 2.北京工业职业技术学院电气与信息工程学院,北京市石景山区,100042; 3.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083; 4.北华航天工业学院基础科学部,河北省廊坊市,065000)

★节能与环保★

回风换热器回风阻力数值仿真及实验研究∗

杜春涛1朱元忠2孟国营3甘延标4

(1.北方工业大学计算机学院,北京市石景山区,100144; 2.北京工业职业技术学院电气与信息工程学院,北京市石景山区,100042; 3.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083; 4.北华航天工业学院基础科学部,河北省廊坊市,065000)

为减少回风速度、平面挡水板挡水板倾角和间距以及蛇型挡水板挡水板间距和高度对回风换热器中回风阻力的影响,利用计算机流体动力学仿真软件FLUENT对回风换热器进行了3D仿真,得出了不同回风速度、平面挡水板挡水板倾角和间距以及蛇型挡水板挡水板间距和高度时回风换热器中回风阻力和压降的仿真数据,然后利用实验得出了不同回风速度和平面挡水板倾角时回风压降的实验数据,实验与仿真结果之间的误差在7%范围以内。最后通过分析仿真和实验数据,得出了各因素对回风阻力的影响规律,对指导回风换热器的设计和运行具有重要意义。

回风换热器 回风阻力 数值仿真 3D仿真 FLUENT

为提取矿井回风中蕴含的巨大能源、减少粉尘直接排入大气、降低排气主扇产生的巨大噪音,实现“高碳产品生产,低碳排放、生产与运行,绿色及生态开采”的煤矿建设模式,平煤集团三矿通过在扩散塔上安装回风换热器的方法提取回风中的热能和冷能,取得了良好的经济、社会和环境效益。夏季可提取冷量3040 k W,冬季可提取热量1893 k W,可减少燃煤2457.6 t/a,减少了SO2、CO2及烟尘排放量,主要通风机出风口噪音约降低30 dB。冀中能源东庞矿、梧桐庄矿和云驾岭矿采用该方法后,从回风中提取的余热不仅满足了矿井供暖空调、井筒防冻需要,还解决了职工洗澡、宿舍冬季取暖等问题。

1 仿真建模

1.1 结构模型的建设及网格划分

实现仿真的前提是建立流体区域几何模型,确定流体区域和边界。参考冀中能源东庞煤矿采用的回风换热器的结构和尺寸,建立2D回风换热器结构模型,如图1所示。外形尺寸为12000 mm× 6000 mm×9000 mm,喷淋高度为6000 mm,回风从左侧入口进入,经挡水板后从上方出口排出,喷淋水从上向下喷淋。

图1 回风换热器结构模型

计算流体力学的本质是对控制方程在所规定的区域进行点离散或区域离散,从而转变为在各网格点或子区域上定义的代数方程组,最后用线性代数的方法迭代求解。网格生成技术是离散技术中的一个关键步骤,由于平面挡水板尺寸和间距较大,在网格划分时可以把换热器模型作为一个整体,由于蛇型挡水板长厚比很大,不能对模型整体进行网格划分,需要将换热器分为3个部分,第一部分为挡水板部分,第二部分为挡水板下面部分,第三部分为挡水板上面部分。

1.2 数学模型的建立

气相卡迪尔张量形式的控制方程为:

式中:ρ——回风密度,kg/m3;

Φ——通用守恒变量;

t——时间,s;

uj——j方向上的速度分量,m/s;

xj——j方向坐标;

Γφ——扩散系数;

S——源项。

针对3D、稳态和不可压缩湍流3个模型,式(1)转化为:

式中:u、v和w——回风在x、y和z方向的速度分量,m/s;

Sφ——φ的源项;

Sd,φ——液滴引起的源项。

2 仿真结果

利用FLUENT仿真软件,选择3D、稳态和不可压缩湍流的求解模型,采用一阶迎风格式进行离散化,利用SIMPLE算法进行压力—速度耦合,分别仿真不同回风速度、平面挡水板倾角和间距以及蛇型挡水板间距和高度对回风压力和压降的影响。

2.1 回风速度对回风阻力的影响

分别设置换热器入口回风速度va为5 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s、15 m/s和20 m/s,得到换热器内部最大静压力Pa,max、最小静压力Pa,min和体积加权平均压力Pa,ave,数据见表1。根据最大与最小静压力计算出回风压降ΔPa(ΔPa＝Pa,max－Pa,min)。根据表1中的仿真数据绘制回风速度对回风压降及体积加权平均压力的影响示意图,如图2所示。从图2中可以看出,随着回风速度的增加,回风压力和压降都在加速增大。

根据矿井通风阻力定律:

表1 不同回风速度时产生的仿真数据

式中:h——通风阻力,Pa;

R——总风阻,kg/m7;

Q——通风量,m3/s;

S——巷道断面积,m2;

va——风速,m/s。

由公式(3)可知,回风阻力与回风速度的平方成正比,因此,图2仿真结果与矿井通风阻力定律比较吻合。

图2 回风速度对回风压降及体积加权平均压力的影响

回风速度va为5 m/s和15 m/s时,仿真得到的静压力迹线图如图3所示。从图中可以看出,由于挡水板的阻挡,回风在挡水板下方产生涡旋,从而产生回风负压,负压在换热器回风入口与扩散塔上侧曲面结合处最大。挡水板明显改变了风向,对风压的产生具有重要影响。

图3 不同风速时得到的风压迹线图

2.2 平面挡水板倾角对回风阻力的影响

将平面挡水板数量设置为5,换热器入口回风速度设置为10 m/s,当挡水板与水平面夹角α分别为30°、45°和60°时得到不同挡水板倾角时的仿真数据见表2。

表2 不同挡水板倾角时的回风阻力

根据表2仿真数据绘制出挡水板倾角对回风压力和压降影响的曲线,如图4所示。从图中可以看出,随着挡水板倾角的增大,换热器中回风压降和压力都在减小。

图4 挡水板倾角对回风压力和压降的影响

根据回风方向与挡水板倾角之间的位置,绘制出挡水板倾角与回风压力之间的关系,如图5所示。

从图5可以看出,由于F1,F和α的对边构成了一个直角三角形,因此可以得出挡水板对回风产生的法向压力的公式为:

式中:F1——挡水板对回风产生的法向压力,Pa;

F——回风对挡水板产生的正压力,Pa;

α——挡水板倾角,(°)。

在回风速度不变的情况下,回风对挡水板产生的正压力F保持不变,从公式(4)可以看出,α越小,挡水板对回风产生的法向压力F1就越大,而受到较大法向压力的回风一部分从挡水板流出换热器,而另一部分则又返回换热器,在挡水板下方与回风入口之间形成涡旋,从而产生负压。

图5 挡水板倾角α与回风压力之间关系

挡水板倾角分别为30°和60°时得到的仿真图形如图6所示。从图中可以看出,挡水板倾角不同,回风在挡水板处的流场有明显区别,表明挡水板倾角对回风压力有一定影响。

图6 不同挡水板倾角时得到的风压迹线图

2.3 平面挡水板间距对回风阻力的影响

当换热器入口回风速度设置为10 m/s,平面挡水板间距Dd分别设置为57 cm、76 cm、110 cm和190 cm时,得到不同挡水板间距时的仿真数据,见表3。

表3 不同挡水板间距时的仿真数据

根据表3中的仿真数据绘制挡水板间距与回风压力和压降之间的关系图,如图7所示。从图中可以看出,随着挡水板间距的增大,回风压降和压力呈现出抛物线类型的变化趋势。

图7 挡水板间距对回风压降和压力的影响

挡水板间距对回风阻力的影响主要由2个因素决定,即挡水板的导流性和回风的畅通性。挡水板间距越小,挡水板数量就越多,挡水板对回风的导流性也越好;挡水板间距越大,则回风的畅通性越好。从仿真结果可以看出,开始时挡水板的导流性起主要作用,回风畅通性起次要作用,当挡水板间距超过一定临界值后,回风畅通性起主要作用,而挡水板导流性起次要作用。因此挡水板间距对回风阻力的影响呈抛物线变化趋势。

挡水板间距Dd分别为57 cm和190 cm时仿真得到回风压力迹线图,如图8所示。从图中可以看出,挡水板间距不同,挡水板处的回风流场存在明显区别,表明挡水板间距对回风阻力有一定影响。

图8 不同挡水板间距时得到的风压迹线图

2.4 蛇型挡水板间距和高度对回风阻力的影响

蛇型挡水板是工业中最常用的挡水板,其结构仿真模型如图9所示。

图9 蛇型挡水板结构及仿真模型

当换热器入口回风速度设置为10 m/s,挡水板间距(Dd)×挡水板高度(Hd)分别设置为2.5 cm×24 cm、2.5 cm×48 cm、5 cm×48 cm和10 cm×48 cm时,得到蛇型挡水板仿真数据,见表4。

表4 蛇型挡水板仿真数据

通过对表4中仿真数据的分析可以看出:蛇型挡水板产生的回风压力和压降都比较小,特别是回风压力,其绝对值都在25 Pa以内;挡水板间距和高度对回风阻力存在一定影响,但是影响规律并不明显,当挡水板间距由2.5 cm增大到5 cm时,回风压力和压降分别由24.71 Pa和105.94 Pa减小到－1.79 Pa和59.83 Pa;当挡水板间距由5 cm增大到10 cm时,回风压力和压降分别由－1.79 Pa和59.83 Pa变化到－7.7 Pa和65.17 Pa;当挡水板高度由24 cm增大到48 cm时,回风压力和压降分别由10.37 Pa和93.68 Pa增大到24.71 Pa和105.94 Pa。

Dd×Hd分别为2.5×24 cm和10×48 cm时仿真得到的回风压力迹线图,如图10所示,从图中可以看出,挡水板上方和下方回风流场变化不大,表明蛇型挡水板对回风阻力影响较小。

图10 蛇型挡水板不同Dd×Hd时得到的风压迹线图

3 实验研究

按照图11搭建实验平台,换热器主体部分尺寸为60 cm×60 cm,高度为330 cm。在距离挡水板下方100 cm处和换热器出口位置各安装1个RE－1211型号的全压测试仪用于测量回风压力,通过改变回风速度和挡水板倾角获得2个测试仪的回风压力值,并计算回风压降,最后将实验数据与仿真数据进行比较,获得如图12所示的比较结果。从图12可以看出,虽然仿真结果与实验数据存在一定误差,但是误差都在7%范围以内,因此能够验证仿真结果的正确性。

图11 回风换热器实验示意图

图12 实验数据与仿真结果比较

4 结论

通过对仿真结果和实验结果对比分析,得出以下结论:

(1)回风速度对回风阻力影响较大。随着回风速度的增大,回风阻力加速增大。该结论完全符合通风阻力与风速的平方成正比的矿井通风阻力定律。

(2)平面挡水板的倾角和间距对回风阻力影响较大。随着挡水板倾角的增大,回风阻力逐渐变小;随着挡水板间距的增大,回风阻力开始时由小变大,然后又由大变小,呈抛物线变化趋势。

(3)蛇型挡水板的间距和高度对回风阻力存在一定影响,但是影响规律并不明显。

(4)和平面挡水板相比,蛇型挡水板产生的回风压力和压降都比较小。

根据以上结论,综合分析回风速度与各种类型挡水板对回风阻力的影响,在设计回风换热器时给出以下建议:

(1)回风换热器中回风速度应控制在12 m/s以内,并采用蛇型挡水板,这样可以在保证矿井通风量的前提下有效降低挡水板产生的回风阻力。

(2)如果利用部分矿井回风中的热量或冷量就可以满足煤矿需求,可以通过调整回风换热器与通风井口之间的距离,让部分回风不通过换热器而直接排入大气的方法来减小回风换热器对回风阻力造成的影响。

[1] 杜春涛,张进治,王若宾.矿井回风换热器换热性能影响因素的仿真及实验研究[J].煤炭学报, 2014(5)

[2] 杜春涛,董志峰,孟国营等.矿井回风喷淋换热器节水及换热效率影响因素研究[J].煤炭科学技术,2012(12)

[3] 钱鸣高.煤炭的科学开采[J].煤炭学报,2010 (4)

[4] 徐国领.矿井回风热能利用技术及其应用[J].中州煤炭,2011(7)

[5] 刘建功.冀中能源低碳运行生态矿山建设的创新实践[J].中国煤炭,2010(5)

[6] 董志峰,杜春涛,刘建功等.矿井回风喷淋换热器喷淋高度影响换热效率研究[J].煤炭科学技术, 2013(5)

[7] 杜春涛,董志峰,孟国营等.矿井回风喷淋换热器挡水板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

杜春涛(1967－),男,山东莒南人,北方工业大学计算机学院副教授,博士,主要从事多相流仿真及煤矿余热利用研究。

(责任编辑 孙英浩)

国家自然科学基金(U1361127, 11202003),河北省自然科学基金(A2013409003),北方工业大学科研启动基金项目