矿井回风换热器换热性能影响因素的仿真及实验研究

杜春涛,张进治,王若宾

(1.北方工业大学计算机及网络管理中心,北京 100144;2.北方工业大学 理学院,北京 100144;3.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京 100083)

矿井回风换热器换热性能影响因素的仿真及实验研究

杜春涛1,3,张进治2,王若宾1

(1.北方工业大学计算机及网络管理中心,北京 100144;2.北方工业大学 理学院,北京 100144;3.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京 100083)

为研究制热/制冷、逆喷/顺喷、液滴平均直径3个因素对矿井回风换热器换热性能的影响规律,利用CFD仿真软件FLUENT对矿井回风/液滴两相流进行了3D仿真。根据边界条件不同,共仿真了制热和制冷、逆喷和顺喷、液滴平均直径分别为0.10,0.15和0.20 cm等12种工况,得出了各种工况下液滴温度变化情况,并利用工程实践运行结果和实验对部分仿真结果进行了验证。结果表明:制冷、顺喷、小液滴工况下获得的液滴温度变化大于制热、逆喷、大液滴工况下获得的液滴温差,从而说明制冷、顺喷、小液滴3种工况下回风换热器的换热性能更好。

矿井回风换热器;换热性能;制热/制冷;逆喷/顺喷;液滴平均直径

建设低碳生态矿山[1]是近几年提出的一个新概念。低碳是指低碳排放、低碳运行及节能;生态矿山建设是指煤矿“三废”减排,追求零排放目标,并把“三废”当作资源加以开发利用,建立一种“高碳产品生产,低碳排放、生产与运行,绿色及生态开采”煤矿建设模式[2]。矿井回风温度常年保持在 20～30℃[3],而且风量巨大,冬季可以提取其中的热能用于制热,夏季可以提取其中的冷能用于制冷。矿井回风换热系统是矿井回风能量提取利用装置,它能够把矿井回风中低品位的热能或冷能转变为高品位的热能或冷能。矿井回风换热器是矿井回风换热系统中的一个重要组成部分,其主要功能是通过喷淋的方式将矿井回风中的热能或冷能转移到循环水中,供热泵机组制热或制冷,从而节省大量能源。

矿井回风换热器是最近几年刚刚出现的一种换热装置,国内已有20多家矿山企业采用,并取得了良好的经济效益和社会效益。针对这种装置的研究,国内目前已经申请了多项专利[4-5],发表了多篇论文[6],但这些研究主要针对技术开发和应用介绍,基于理论层面的研究很少。国际上关于气、水之间换热的研究有很多[7-9],但对回风换热器的研究也基本是来自国内的作者[10]。

制冷与制热模式的选择往往根据季节变化及实际需求进行调整,而逆喷(与回风方向相反)[11]/顺喷(与回风方向相同)[12]和液滴平均直径的选择是在设计回风换热器时首先要面对的问题。本文通过仿真研究了制热/制冷、逆喷/顺喷、液滴平均直径3种因素对矿井回风换热器换热性能(液滴温度变化大小)影响,并利用冀中能源东庞煤矿北风井安装的回风换热器运行结果验证了制热、逆喷、液滴平均直径为0.10～0.15 cm时的仿真结果,利用实验验证了制冷、逆喷和顺喷、液滴平均直径为0.15 cm时的仿真结果。研究结果为矿井回风换热器的设计及运行提供了理论依据。

1 矿井回风换热系统工作原理

矿井回风换热系统冬季制热和夏季制冷时的工作原理如图1所示[13]。

1.1 冬季制热时的工作原理

冬季制热时,回风首先由下而上进入扩散塔,换热器内的喷淋管向下喷淋(逆喷)水雾,水雾与回风在扩散塔中换热。由于冬季回风温度高于水雾温度,水雾从回风中获取热量,水雾温度升高,回风温度降低。降温后的回风直接从出风口排出,升温后的水雾则落入扩散塔底部的汇水池,然后流入集水池,集水池中的热水经在线水处理设备过滤后进入热泵机组内的壳管式蒸发器的管内,蒸发器管外壳体内的制冷工质被水加热后汽化成蒸汽,被压缩机抽出并被压缩,变成高温高压蒸汽,然后被送入冷凝器的管外壳体中。此时,高温高压蒸汽通过管壁向冷凝器中管内循环的水传递热量,蒸汽被冷凝成高压液体,在经膨胀阀降压后进入蒸发器的壳体中,吸收蒸发器管内循环水的热量,再次被汽化,如此周而复始地循环。冷凝器中管内的循环水升温后可用于井口防冻、生活热水、洗浴热水以及取暖空调等。

图1 矿井回风换热系统制热/制冷原理Fig.1 Schematic diagram of mine return air heat exchange system when heating/cooling

1.2 夏季制冷时的工作原理

夏季制冷时,回风首先进入扩散塔,回风换热器内的喷淋管向下喷淋(逆喷)水雾,水雾与回风在扩散塔中换热,由于夏季回风温度低于水雾温度,水雾向回风中释放热量,水雾温度降低,回风温度升高。升温后的回风直接从出风口排出,降温后的水雾落入扩散塔底部的汇水池,然后流入集水池,集水池中的冷水经在线水处理设备过滤后进入热泵机组内的壳管式冷凝器的管内,冷凝器管外壳体内的制冷工质被水冷却后变为高压液体,通过膨胀阀变成低温低压液体进入蒸发器管外壳体中,在这里和蒸发器管内流动的高温循环水进行热交换,制冷工质吸热后被汽化为蒸汽,被压缩机抽出并被压缩,变成高温高压蒸汽,然后被送入冷凝器的管外壳体中,向冷凝器中管内循环的水传递热量并被冷凝成高压液体,如此周而复始地循环。蒸发器中管内的循环水降温后可为煤矿建筑空调提供冷量。

2 换热器模型的建立

2.1 几何模型

换热器2D模型如图2所示,换热器总体尺寸为1 200 cm×600 cm×1 800 cm,回风入口尺寸为340 cm×340 cm,出口尺寸为600 cm×600 cm;出口下方200 cm处有挡水板,喷嘴高度距换热器底面600 cm,共设置了9个喷嘴,每个喷嘴位置如图3所示[14-15]。

图2 矿井回风换热器2D模型Fig.2 2D model of mine return air heat exchanger

图3 喷嘴布局及编号Fig.3 Nozzles’arrangement and number

2.2 边界条件

换热器入口边界条件:边界类型velocity-inlet,回风速度10 m/s,湍流强度10%,水力直径340 cm,回风温度293.15 K,DPM类型escape;换热器出口边界条件:边界类型 Pressure-outlet,表压 0,湍流强度10%,水力直径600 cm,回风温度293.15 K,DPM类型escape;换热器底面边界条件:边界类型wall,DPM边界类型trap;换热器其他壁面及挡水板边界条件:边界类型wall,DPM类型wall-film;喷嘴属性设置:喷嘴类型cone,粒子流数量200,粒子类型droplet,喷淋液体water-liquid,液滴直径分布 rosin-rammler;喷淋点属性:液滴平均直径分别为0.10,0.15,0.20 cm,液滴温度分别为283.15 K(制热),303.15 K(制冷),喷淋速度 10 m/s,喷淋锥角 30°,喷淋锥顶半径0.5 cm,喷淋旋转角度0.5°,喷淋总流率0.01 kg/s。

3 数学模型

仿真过程利用DPM模型,把回风看作连续相,液滴看作离散相,分别采用欧拉和拉格朗日方法求解,两相之间有质量、动量以及能量传递,湍流采用标准k-ε模型[16],并利用SIMPLE算法以及一阶迎风格式进行离散化。

3.1 动量交换模型

当粒子穿过每个FLUENT模型的控制体时,通过计算粒子的动量变化来求解连续相传递给离散相的动量值。粒子动量变化值[17]为

式中,F为粒子动量变化值;μ为流体黏度;CD为曳力系数;Re为相对雷诺数;ρp为液滴密度;dp为粒子直径;up为粒子速度;u为流体速度;Fother为其他相间作用力;p为粒子质量流率;Δt为时间步长。

3.2 热量交换模型

当粒子穿过每个FLUENT模型的控制体时,通过计算粒子的热量变化来求解连续相传递给离散相的热量值。由于不存在化学反应,热量交换模型为

式中,Q为液滴热量变化值;mpin,mpout分别为进入和离开控制体时液滴的质量;Hlatref为标准条件下的潜热;Hpyrol为挥发分析出时热解所需热量;Tpout为离开控制体时液滴温度;Tref为焓对应的参考温度;cpp为液滴比热容;Tpin为进入控制体时液滴的温度。

3.3 质量交换模型

从液滴到矿井回风的质量转换是通过计算一个液滴通过每个模型控制体时质量的变化来实现的。计算公式为

其中,M为粒子质量变化值;Δmp为控制体中粒子质量变化;mp,0为粒子初始质量;m·p,0为粒子初始质量流率。交换的质量用作矿井回风连续方程的质量源,该质量源在连续相流场随后的计算中用到。

4 仿真结果及分析

4.1 仿真结果

分别对制热和制冷、逆喷和顺喷、液滴平均直径分别为0.10,0.15,0.20 cm这12种工况进行仿真,得到每种工况下的液滴温度迹线图(图4)及液滴平均终温,根据液滴初温和终温计算出液滴温度变化(液滴温差=液滴终温-液滴初温),见表1。

图4 12种工况下得到的液滴温度迹线Fig.4 Drop traces colored by water droplets temperature derived from 12 conditions

表1 仿真数据Table 1 Simulation data

从图4可以看出:

(1)制热工况下,液滴从喷嘴喷出时的颜色为蓝色,随着液滴在换热器中的运行,液滴颜色逐渐变为红色,说明液滴在运行过程中温度逐步升高;制冷工况下液滴颜色变化正好相反。从仿真图形左侧的色条和对应的数值能大致看出液滴温度变化的范围。

(2)顺喷时,大多数液滴在换热器中上升的高度远远大于逆喷,表明顺喷时液滴运行的路径比逆喷时长得多,因此,液滴与回风之间的换热时间比逆喷时大得多。

(3)随着液滴平均直径的不断增大,大多数液滴在换热器中上升的高度越来越小,表明它在换热器中运行的路径越来越短,与回风之间的换热时间越少。

4.2 结果分析

根据表1中的仿真数据,绘制出了3种因素对液滴温差影响的图形,如图5所示。当空气与水在一微元面积dF(m2)上接触时,如果接触时间足够长,则空气与水之间的显热交换量[18]为

式中,Qx为显热交换量;α为空气与水表面之间显热交换系数;ta为空气温度;tw,b为水表面饱和空气边界层温度(等于水的温度)。

式(4)假定空气与水表面之间的换热时间足够长,但在矿井回风换热器中,回风与液滴之间的换热时间较短,因此,从式(4)及其先决条件中可以看出,在其他条件不变的情况下,影响换热器中回风与水之间显热换热量的因素主要有3个:①液滴与回风之间的换热时间,换热时间越长,热交换量越大;② 液滴与回风之间的总换热面积,总换热面积越大,热交换量越大;③液滴与回风之间的温差,温差越大,热交换量越大。现就液滴平均直径、制热/制冷模式、逆喷/顺喷对液滴温度变化的影响进行分析。

图5 3因素对液滴温度变化的影响Fig.5 Effect of three factors on the change in water droplets temperature

4.2.1 液滴平均直径对液滴温差的影响

从图5可以看出,无论是逆喷还是顺喷、制热还是制冷,随着液滴平均直径的增大,液滴温差都在降低(只有制冷顺喷且dp＞0.15 cm时液滴温差基本保持不变)。

原因分析:当液滴直径较小时,液滴质量也较小,液滴很容易受回风的影响而改变运动路径,这样他们在回风中运行的时间较长,与回风之间的热交换量就多,液滴温差就大;另外,液滴直径越小,同等质量的水雾化成水滴的数量就多,水滴与回风之间的接触面积就大,热交换量就多(式(4)),获得的液滴温差就大。随着液滴直径的增大,液滴质量不断变大,液滴运动路径受回风的影响越来越小,液滴在重力作用下很快落入换热器底部,与回风之间的换热时间变少,热交换量变小;此外,随着液滴直径的增大,液滴与回风之间的总换热面积变小,热交换量变小,获得的液滴温差变小。仿真结果与张寅平等[19]推导的传热量公式也是吻合的。

4.2.2 制热/制冷对液滴温差的影响

从图5可以看出,制冷逆喷曲线总在制热逆喷之上、制冷顺喷曲线也总在制热顺喷之上,这说明制冷时的热交换量要大于制热。

原因分析:①制热时回风与液滴之间的温差为293.15 K(回风初温)-283.15 K(液滴初温)=10 K;制冷时液滴与回风之间的温差为303.15 K(液滴初温)-293.15 K(回风初温)=10 K。因此无论制热还是制冷,液滴与回风之间的温差都相同。②无论制热还是制冷,都是在液滴平均直径、喷淋方向相同的工况下进行比较,因此换热时间与换热面积不会影响液滴与回风之间的换热效率。以上现象只能解释为:相同条件下,液滴释放热量的速度要大于吸收热量的速度。

4.2.3 逆喷/顺喷对液滴温差的影响

从图5可以看出,制热顺喷曲线在制热逆喷曲线之上,制冷顺喷曲线在制冷逆喷曲线之上。这说明无论液滴直径多大、制热还是制冷,顺喷时的热交换量要远远大于逆喷。

原因分析:顺喷时,回风与液滴初始速度的方向相同,液滴在回风推动下向上运行了一段距离后,又在自身重力的作用下落入换热器底部,这样,回风速度和液滴初速度都会增长液滴在换热器中的运行时间,从而增加了液滴与回风之间的热交换量;逆喷时,由于回风与液滴初速度方向相反,虽然回风能够延缓液滴落地,但是液滴初速度缩短了液滴落地时间,因此与回风之间的换热时间缩短,热交换量减少。

5 实践及实验验证

5.1 实践验证

冀中能源东庞煤矿北风井自2009年3月开始利用矿井回风换热系统为煤矿建筑物供热和制冷。液滴平均直径约为0.12 cm,换热器入口回风速度约为10 m/s,喷淋高度为6 m,逆喷,回风初始温度基本保持在 293.15 K左右,制热时液滴初始温度为283.15 K左右,最后获得液滴平均温度为287.15 K左右,液滴温差4 K左右。本文仿真采用的换热器模型结构、尺寸及边界条件与东庞煤矿北风井回风换热器结构、尺寸及运行参数基本一致。从表1的仿真数据可以看出,制热工况下液滴直径为0.10 cm和0.15 cm时获得的液滴温差分别为 5.690 K和2.715 K,将液滴直径和获得的温差分别取平均可得:液滴平均直径(0.10+0.15)/2=0.125 cm,液滴平均温差为(5.690+2.715)/2=4.2 K,即当液滴直径为0.125 cm时仿真获得的温差为4.2 K,与东庞煤矿回风换热器运行的结果基本吻合,从而验证了制热工况和液滴平均直径对换热器换热性能的影响。

5.2 实验验证

为了验证喷淋方向对换热器换热性能的影响,本文设计了实验,实验中采用的换热器结构、尺寸和运行参数与仿真时基本一致,最后得到了制冷工况、液滴平均直径为0.15 cm条件下的逆喷和顺喷时的实验数据,见表2。

表2 仿真与实验得到的液滴温差对比Table2 Comparison of difference in water droplets temperature derived from simulation and experiment

由表2可知,实验结果与仿真结果基本吻合,从而验证了喷淋方向影响换热器换热性能的仿真结果。

6 结 论

(1)无论液滴大小、逆喷还是顺喷,回风换热器制冷时的换热性能都比制热时高,因此,回风换热器不仅适合制热,也适合制冷。

(2)无论液滴大小、制热还是制冷,顺喷比逆喷时的换热性能要好得多,因此,在设计立式回风换热器时应采用顺喷。

(3)无论制热还是制冷、逆喷还是顺喷,小液滴的换热效率都大于大液滴,因此,在保证用水量的前提下应尽量选择较小的液滴直径。从仿真结果及实际用水量来考虑,制热时液滴直径选择0.10 cm左右、制冷时选择0.15 cm左右较为合理。

除了本文研究的3个因素外,还有其他一些因素可能会影响矿井回风换热器的换热性能,如回风速度、喷水系数、回风湿度、喷淋高度、液滴初速度、挡水板结构及间距等,需要做进一步研究。

对于相同条件下,液滴释放热量的速度大于吸收热量速度的仿真结果,目前尚未有理论支持和实验验证,需要以后做进一步探讨。

[1] 钱鸣高.煤炭的科学开采[J].煤炭学报,2010,35(4):529-534.

Qian Minggao.On sustainable coal mining in China[J].Journal of China Coal Society,2010,35(4):529-534.

[2] 刘建功.冀中能源低碳生态矿山建设的研究与实践[J].煤炭学报,2011,36(2):317-321.

Liu Jiangong.Innovative practice of Jizhong Energy Group in constructing low-carbon running ecological mine[J].Journal of China Coal Society,2011,36(2):317-321.

[3] 孙中文,陈夫科,颜景玉,等.矿井回风热源回收技术及应用[J].山东煤炭科技,2010(5):30-31.

Sun Zhongwen,Chen Fuke,Yan Jingyu,et al.Extraction technology and application from heat source of mine return air[J].Shandong Coal Science and Technology,2010(5):30-31.

[4] 王建学,裴 伟,牛永胜,等.一种矿井回风部分废能回收利用系统[P].中国专利:201220045271.5,2012-09-19.

[5] 辛 嵩,王 伟,盛振兴.一种矿井回风余热回收装置[P].中国专利:200820174785.4,2009-10-14.

[6] 魏京胜,张党育,岳丰田,等.梧桐庄矿热泵系统可用热源分析及利用[J].煤炭科学技术,2012,40(5):120-124.

Wei Jingsheng,Zhang Dangyu,Yue Fengtian,et al.Analysis and utilization on available heat sources of heat pump system in Wutongzhuang Mine[J].Coal Science and Technology,2012,40(5):120-124.

[7] Abou Al-Sood M M,Birouk M.Droplet heat and mass transfer in a turbulent hot airstream[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51(5):1313-1324.

[8] Sureshkumar R,Kale S R,Dhar P L.Heat and mass transfer processes between a water spray and ambient air-I.Experimental data[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(5):349-360.

[9] Sureshkumar R,Kale S R,Dhar P L.Heat and mass transfer processes between a water spray and ambient air-II.Simulations[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(5):361-371.

[10] Wan L,Li J,Wang L,et al.Research and application of the heat energy recycling technology in mine return air[A].Proceedings of the 2012 International Conference on Communication,Electronics and Automation Engineering[C].Springer,2013.

[11] 宋垚臻.空气与水逆流直接接触热质交换过程模型计算及分析[J].化工学报,2005,56(4):614-619.

Song Yaozhen.Model calculation and analysis of heat and mass transfer of air and water in direct contact counter flow[J].Journal of Chemical Industry and Engineering(China),2005,56(4):614-619.

[12] 宋垚臻.空气与水顺流直接接触热质交换过程模型计算及分析[J].农业工程学报,2006(1):6-10.

Song Yaozhen.Model calculation and analysis of heat and mass transfer of air and water in direct contact forward flow[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2006(1): 6-10.

[13] 王建学,裴 伟,牛永胜,等.一种矿井回风源热泵系统[P].中国专利:201020601988.4,2011-06-01.

[14] 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,2013,41(5):97-100.

Dong Zhifeng,Du Chuntao,Liu Jiangong,et al.Study on spraying height of spraying heat exchanger affected to heat exchange efficiency in mine air returning roadway[J].Coal Science and Technology,2013,41(5):97-100.

[15] 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,2012,40(12):80-83.

Du Chuntao,Dong Zhifeng,Meng Guoying,et al.Influence factor research on water saving and heat exchange efficiency of spraying heat exchanger in mine air return roadway[J].Coal Science and Technology,2012,40(12):80-83.

[16] Lu Y,Liu Y,Li X,et al.Numerical simulation on turbulent flow field in convergent-divergent nozzle[J].Journal of Coal Science and Engineering(China),2009,15(4):434-439.

[17] Fluent I.FLUENT 6.3 User’s guide[EB/OL].http://ishare.Iask.Sina.com.cn/f/13905788.html?from=like,2012-04-25.

[18] 赵荣义,范存养,薛殿华.空气调节[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[19] 张寅平,朱颖心,江 亿.水-空气处理系统全热交换模型和性能分析[J].清华大学学报(自然科学版),1999,39(10):35-38.

Zhang Yinping,Zhu Yingxin,Jiang Yi.Theoreticalanalysis and modeling of overall heat transfer of air handling unit by using spraying water[J].Journal of Tsingua University(Science and Technology),1999,39(10):35-38.

Simulative and experimental study on impact factors on heat transfer performance of mine return air heat exchanger

DU Chun-tao1,3,ZHANG Jin-zhi2,WANG Ruo-bin1

(1.Computer Network and Management Center,North China University of Technology,Beijing 100144,China;2.College of Science,North China University of Technology,Beijing 100144,China;3.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to find the impact of three factors:heating/cooling,counter flow/parallel flow,and water droplets mean diameter on the heat transfer performance of mine return air heat exchanger,CFD simulation software package FLUENT was employed to simulate two-phase flow of mine return air and water droplets in 3D space.Due to different boundary conditions,a total of 12 conditions were simulated:heating and cooling modes,counter and parallel flow configurations and three different water droplets mean diameters including 0.10,0.15 and 0.20 cm.The changes in water droplets temperature in all conditions were worked out,and some simulation results were verified by engineering practices and experiments.The results show that the changes in drop’s temperature in the conditions of cooling,parallel flow,and smaller drops are bigger than the ones of heating,counter flow,and bigger drops.Therefore,mine return air heat exchanger has higher heat exchanging performance in the cases of cooling,parallel flow,and smaller drops.

mine return air heat exchanger;heat transfer performance;heating/cooling;counter flow/parallel flow;water droplets mean diameter

TD727

A

0253-9993(2014)05-0897-06

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,2014,39(5):897-902.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0658

Du Chuntao,Zhang Jinzhi,Wang Ruobin.Simulative and experimental study on impact factors on heat transfer performance of mine return air heat exchanger[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):897-902.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0658

2013-05-16 责任编辑:毕永华

杜春涛(1967—),男,山东莒南人,副教授,博士。E-mail:duct@ncut.edu.cn