矿井排风余热喷淋换热效率分析与计算

田峰,王海桥*,方璐绮,樊思雨,蒋加川,刘锐鸿

(1. 湖南科技大学 资源环境与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201;2. 湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭 411201;3. 深圳市中金岭南有色金属股份有限公司 凡口铅锌矿, 广东 韶关 512300)

矿井排风中蕴含着大量低品位能量,直接排放不仅造成环境污染,更造成了能源浪费,因此,余热提取技术必不可少[1-4].目前,在矿井排风余热回收过程中,喷淋换热方式在国内外得到广泛使用[5].喷淋过程不仅能降低排风温度[6],而且具有除尘能力[7-8].矿井排风与喷淋水的热交换过程类似于湿空气与水的热交换,既有由于温度差造成的显热交换,又有由于焓差引起的潜热交换[9].喷淋室内湿空气-水的热湿交换受湿空气参数、水参数、喷淋水滞留时间、喷淋室结构、喷淋方向等多种因素的影响[10-12].

为了分析和优化不涉及热功转换的传热过程,过增元等[13-14]提出了“火积”耗散原理,证明当“火积”耗散达到极值时,传热性能最优;陈群[15]建立了“火积”理论—用于分析传热传质过程和优化蒸发冷却过程,建立了“火积”耗散方程—用于空气与水直接接触式换热,也适用于喷淋换热.针对空气-水热湿传递过程中,存在显热传递温差和传质含湿量差,江亿等[16]提出显热“火积”损失或湿“火积”损失,并认为“火积”损失永远为正,总“火积”损失是过程微元传递“火积”损失的总和.

1 喷淋热湿传递过程“火积”分析

对喷淋室内空气-水传热传质现象中空气侧吸热能力进行分析研究,提出湿空气“火积”,用于表征湿空气传递热量的能力.在数值上,湿空气“火积”等于湿空气热量“火积”与湿度“火积”之和[17].当以环境温度t0(单位:℃)下的饱和空气为状态参考点(p0,t0,d0)时(p0为大气压,d0为含湿量),湿空气“火积”表示为

(1)

式中:Ja为湿空气的“火积”;Jh为湿空气的热量“火积”;Jw为湿空气的温度“火积”;G为空气流量,kg/s;cp为空气的定压比热,取1.004 kJ/(kg·K);Ta为空气的干球温度,K;γ为汽化潜热,取2 257.2 kJ/kg;Tb为空气的露点温度,K;d为空气含湿量,g/kg.

空气流量的计算式为

(2)

式中:u为空气流速,m3/s;B为当地大气压,Pa;φ为相对湿度;Ps为饱和蒸气压,Pa.

饱和蒸气压的计算式[18]为

(3)

式中:e1为15.233 116 19;e2为-2 806.323 803 14;e3为-0.009 878 99;e4为7.035 1×10-6.

露点温度的计算式[19]为

(4)

含湿量的计算式为

(5)

在喷淋过程发生前,湿空气干球温度为Ta1,相对湿度为φ1,则根据式(1)～式(5),可得喷淋前湿空气“火积”为

(6)

在喷淋过程发生后,湿空气干球温度为Ta2,相对湿度为φ2,则根据式(1)～式(5)可得喷淋后湿空气“火积”为

(7)

喷淋换热效率为喷淋换热前湿空气“火积”与喷淋换热后湿空气“火积”的差值与喷淋换热前湿空气“火积”的比值,即

(8)

2 喷淋换热效率算例确定

在矿井实际工作工程中,矿井排风温度、相对湿度基本趋于稳定.因此,在矿井喷淋余热回收过程中,影响矿井排风中湿空气“火积”的主要因素为外部环境条件.为了分析外部环境条件对喷淋换热效率的影响,本文通过实验数据及中国建筑热环境分析专用气象数据[20],对长沙市喷淋换热前、后湿空气“火积”进行逐时计算,从而得出逐时换热效率.

2.1 空气侧始末状态确定

熊慧玲实验地点为湘潭市湖南科技大学,实验装置为热能回收模拟实验台,其中,模拟喷水装置总喷水量为16 819.2 kg/h,即16.819 m3/h;风机送风量为14 016 m3/h,即3.89 m3/s.

表1 热能回收实验数据[21]

2.2 外部环境条件

实验地点为湘潭市,但中国建筑热环境分析专用气象数据库无湘潭市数据,因此,导出相邻于湘潭市的长沙市典型气象年逐时参数,提取出“火积”计算时所需因素:大气压、大气干球温度、大气含湿量.

2.3 喷淋换热效率

将2.1节、2.2节数据分别代入式(6)、式(7)中,计算得出热能回收模拟实验台喷淋换热前湿空气“火积”、喷淋换热后湿空气“火积”;再将其代入式(8),得出该实验台的逐时喷淋换热效率,共5 040组数据.

3 计算结果与讨论

由中国建筑热环境分析专用气象数据可知,大气干球温度与含湿量两者都随着气候的变化而改变,且两者相互独立.而“火积”在计算过程中同时受到两种因素的相互影响,因此,喷淋换热效率的主要因素为大气干球温度和大气含湿量.

3.1 大气干球温度对换热效率的影响

根据筛选所得5 040组数据绘制图1,由图1可知,大气干球温度在-5～16 ℃时,随着大气干球温度的增加,喷淋换热效率逐渐增加;在16～25 ℃时,随着大气干球温度的增加,喷淋换热效率逐渐减小.当温度大于20 ℃时,喷淋换热效率逐渐小于60%.

图1 大气干球温度与效率关系

3.2 含湿量对换热效率的影响

根据筛选所得5 040组数据绘制图2,由图2可知,大气含湿量在2.0～10.5 g/kg时,随着大气含湿量的增加,喷淋换热效率逐渐增加;大气含湿量在10.5～16.0 g/kg时,随着大气干球温度的增加,喷淋换热效率逐渐减小；大气含湿量在8～12 g/kg时,有少部分数据组换热效率小于60%;大气含湿量大于12 g/kg时,逐渐有越来越多数据组换热效率小于60%.

图2 大气含湿量与喷淋换热效率关系

3.3 喷淋换热效率的确定

根据筛选所得5 040组数据绘制图3,由图3可知,随着大气干球温度和大气含湿量的增加,喷淋换热效率先逐渐增加至最高点,此时,大气干球温度为15 ℃,大气含湿量为10.59 g/kg，随后,喷淋换热效率逐渐降低.

图3 大气干球温度、含湿量与效率的关系

由计算结果可知,所筛选出的5 040组数据中,喷淋换热效率小于60%的仅有351组数据.因此,在矿井喷淋换热工程经济预评估中,喷淋换热效率可采用定值60%.

4 结论

1)利用“火积”理论,得到了换热效率计算公式.

2)大气干球温度小于20 ℃且大气含湿量小于12 g/kg时,喷淋换热效率相对稳定,基本高于60%.

3)所得结论,可为直接喷淋式矿井排风热湿能量提取及其工程经济技术预评估提供量化依据.