移动热湿源廊道热环境的改善及送风参数优化

2023-01-14张蕾任晓芬郭军霞杨雨莹王旭徐文君秦显强丛晓春

科学技术与工程 2022年34期

张蕾，任晓芬，郭军霞，杨雨莹，王旭，徐文君，秦显强，丛晓春

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸 056038； 2.石家庄铁道大学机械工程学院，石家庄 050043； 3.山东省土木工程防灾减灾重点实验室，青岛 266590)

近几年来，人们对采矿、冶金等作业安全愈加关注，高温高湿的湿热环境更加引起了人们的广泛重视[1]。长期长时处于高温高湿环境中作业，极大危害作业人员的身心健康及作业安全，降低工人的工作效率从而影响企业的经济效益。因此，精准预测高温高湿环境中温湿度的变化规律、正确评价高温高湿环境的热害程度及开展降温措施的研究对改善作业环境、保障作业人员工作安全具有重要的意义[2]。

文献[2- 4]分别对巷道、地下硐室及隧道温湿度进行测试，研究了温湿度的变化规律及其影响因素。文献[5- 6]建立围护结构热湿耦合传递模型，通过理论分析及实验台搭建的方法，分析影响围岩与风流间对流换热系数的因素，并拟合了相关的对流换热实验关联式。文献[7-9]为改善掘进巷道、隧道、地下硐室湿热环境，先后提出分段降温、冰块降温、除湿器及引入室外新风的机械通风方法，对比分析了不同降温技术下的降温效果。文献[10]研究发现在热湿环境中身穿化学防护服出现的热应激与服装、人体的生理反应和环境状况有关。文献[11-13]为研究不同温度和相对湿度环境下人体的热反应，对受试者的口腔温度、心率、体表温度、生理、心理、行为及热感觉等进行测试分析。

综上可知，对高温高湿环境研究多集中掘进巷道、地下硐室、隧道风流温湿度变化规律、各种降温技术的降温效果及对人体生理、心理、行为、工作效率的影响研究，且热湿源多为围岩及采煤巷道壁面等固定结构，针对冶金过程中传输物料及转运废料的通廊，即移动热湿源条件下廊道热环境分布规律及热环境的改善方面相关研究较为匮乏。因此，现以邯郸市某钢铁企业热湿铁渣转运廊道为依托，明确移动热湿源条件下廊道热环境的分布规律，并探究送风温度、送风风速、铁渣温度及皮带运行速度对廊道热环境的改善效果。

1 廊道空气与皮带表面热湿耦合传热物理模型

在廊道通风降温过程中，风流与皮带发生显热和潜热交换。送风温度与皮带热源表面存在温差而引起显热交换，由于热的影响，皮带表面水分的蒸发会释放大量热量形成潜热交换，反之，由于湿的存在，进一步加强了潜热交换，即传热与传湿相互耦合，存在交叉耦合扩散效应[2,14]。热质交换过程受多个参数影响，如皮带表面温度、皮带表面相对湿度、送风温度、送风相对湿度、送风风速、皮带运行速度。为简化计算，现做如下假设：①皮带表面完全湿润，且相对湿度为100%；②将皮带视为移动热源，不考虑其他设备及人员的散热；③只考虑廊道内部皮带面与空气的对流换热，忽略导热及辐射换热[15]。其热湿交换示意图如图1所示。

T0、d0分别为廊道入口处送风温度、送风相对湿度；Tp、dp分别为皮带表面温度、皮带表面相对湿度；T1、d1分别为廊道出口处空气温度、空气相对湿度图1 热湿交换示意图Fig.1 Schematic diagram of heat and humidity exchange

如图1所示廊道风流与皮带表面热湿交换的总换热量[16]可以用Q表示为

(1)

Q=Qc+Qr

(2)

式中：Q为总换热量，w；K为廊道风流与皮带表面的对流换热系数，W/(m2·℃)；tp为皮带表面的温度，℃；t0为廊道送风温度，℃；t1为廊道出风温度，℃；A为皮带表面的换热面积，m2；Qc为显热换热量，W；Qr为潜热换热量，W。

1.1 廊道风流与皮带表面的显热交换

廊道风流与皮带表面的显热交换量由风流与皮带表面的温差引起，显热交换量[16]为

(3)

式(3)中:h为廊道风流与皮带表面的显热对流换热系数，W/(m2·℃)。

1.2 廊道风流与皮带表面的潜热交换

廊道风流与皮带表面的潜热交换量由皮带表面裹挟纯水液滴的饱和湿空气的水分蒸发引起，潜热交换量[17]为

(4)

式(4)中：Qr为潜热换热量，W；γ为水蒸气汽化潜热，J/kg；Pp为湿润皮带表面饱和水蒸气分压力，Pa；Pf为廊道风流的水蒸气分压力；Cp为空气的定压比热容，J/(kg·℃)；Le为刘易斯准则数；B为大气压，Pa；ψ为廊道风流相对湿度。

为简化计算，可近似将饱和水蒸气分压力拟合成温度的线性函数[17]为

Pp=239tp-1 915

(5)

Pfb=239tf-1 915

(6)

将式(5)和式(6)式代入式(4)中，由此可得到潜热交换方程为

Qr=239ar[(tp-tf)+(1-φ)(tp-8.01)]

(7)

2 廊道概况

邯郸市某钢铁企业铁渣转运廊道用于转运经压水冲击过的炼铁废渣，当皮带转运热湿铁渣时，廊道内形成高温、高湿的工作环境。廊道全长170 m、宽4.5 m、高3 m，皮带位于廊道正中间位置，长160 m，宽0.9 m，高1.2 m；皮带两侧均有宽1.8 m的人行过道。其结构示意图如图2所示。

图2 廊道内部结构示意图Fig.2 Schematic diagram of corridorinternal structure

2.1 测点布置

在距离廊道入口5、25、45、65、85、105、125、145、165 m位置处选取9个测试断面，各测试断面分别用符号A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F、G-G、H-H、I-I所表示。每个断面上布置5个测点，选取人行横道两侧均匀布置测点，距廊道底部0.5 m，距皮带右侧0.9 m布置两个测点，距廊道底部2 m，距皮带右侧0.9 m布置两个测点；廊道正中间距皮带上端0.3 m处布置一个测点；如图3所示，每个测点测试3次，取平均值。

图3 廊道测点布置Fig.3 Layout of corridor measuring points

2.2 测试结果分析

廊道各断面测试结果如表1和表2所示，各断面1测点温度和相对湿度均高于其它断面测点温度和相对湿度，由于1测点位于皮带正上方，故温度和相对湿度最高，且各断面各测点温度均高于30 ℃，最高温度达到38.6 ℃。各断面各测点相对湿度均高于49%，最高相对湿度达到95.7%。《安全工程学》规定温度在32 ℃以上和相对湿度在60%以上可视为湿热环境[18]。工人长期处于此高温高湿环境中工作危害其身体健康，参考《矿山安全实施条例》工人工作地点空气温度不应超过28 ℃[19]。为此，参照规范[20]，本文选择适用于廊道的矩形短风管压入式通风方式(2 m×1.6 m×1.6 m)改善廊道内部热环境。

表1 温度测试结果分析Table 1 Analysis of temperature test results

表2 相对湿度测试果分析Table 2 Analysis of relative humidity test results

3 数值模拟

3.1 数学模型建立

图4 几何模型图Fig.4 Geometric model diagram

建立廊道尺寸为 170 m×4.5 m×3 m，皮带尺寸为160 m×0.9 m×1.2 m的几何模型，风管位于廊道正中间位置，距廊道底部1.5 m位置处，如图4所示。采用SIMPLE算法，选择标准k-ε湍流模型[21]及组分输运模型。为确保模拟的可靠性需正确设置边界条件，由于皮带输送铁渣仅由压水冲击，故相对湿度100%，温度为55 ℃，运行速度为1.5 m/s；风管出风口设置为速度入口，送风相对湿度为50%[22]；廊道出口设置为自由出流；其余设置为固定壁面；沿廊道长度方向截取9个监测断面，待计算收敛后，读取各断面平均温度。

3.2 有效性验证

为确保模型的有效性，将温度、相对湿度模拟值与实测值对比分析。如图5所示，由A截面到I截面温度、相对湿度的模拟与实测值均呈现逐渐增加的变化趋势，其模拟值均大于实测值。由于模拟壁面为绝热壁面，未考虑廊道壁面与廊道内部空气传热的影响，且各截面温度、相对湿度模拟与实测值的误差均小于10%，表明所建立的数值模型有效。

图5 实测与模拟数值对比图Fig.5 Comparison of measured and simulated data

4 单因素试验

单因素试验是指应用控制变量法，保持其他因素不变，改变其中一个因素进行分析的一种方法。本文研究中影响廊道热环境的因素分别为送风温度、送风风速、铁渣温度、皮带运行速度。为研究各因素对廊道热环境的改善效果，保持其他三个因素不变，改变其中一个因素进行热环境分析。为便于观察各因素对廊道热环境的改善效果，截取廊道左侧人行道(X=-3.6)截面处温度云图进行分析。

4.1 送风温度对廊道热环境的改善

为研究不同送风温度对廊道热环境的改善效果，控制送风风速为1 m/s，铁渣温度为55 ℃，皮带运行速度为1.5 m/s，令送风温度分别为20、22、24、26 ℃。如图6所示，可见无论起点送风温度多大，风流温度均随着风流方向逐渐升高，整体变化趋势一致。送风温度越低，与皮带表面的温差越大，显热与潜热交换量越大，在风流的影响下从廊道尾部门排到廊道外空气中的热量越多，从而维持廊道内的低温。送风温度为22 ℃时，沿廊道长度方向105 m位置处温度超过28 ℃，其余不同送风温度条件下，廊道内部温度大于28 ℃位置依次递减，送风温度小于22 ℃时，基本满足工人工作舒适性的要求。采用Origin软件绘制廊道温度随送风温度的变化曲线图，如图7所示。并拟合相关经验公式为

θ=0.822t+9.438

(8)

式(8)中：t为送风温度，℃。

由图7可知，送风温度与廊道温度之间存在线性关系，即随送风温度的增加，廊道温度递增。当温度从20 ℃增加到22 ℃时，廊道温度变化幅度为1.75 ℃；当温度从22 ℃增加到24 ℃时，廊道温度变化幅度为1.61 ℃；当温度从24 ℃增加到26 ℃时，廊道温度变化幅度为1.58 ℃；说明持续增加送风温度，不仅起不到降温作用，还会恶化廊道热环境。为此，综合考虑制取低温空气的成本及廊道热环境的最大改善效果，选择送风温度为22 ℃时，可有效改善廊道热环境。

图6 不同送风温度下人行道截面(X=-3.6 m)温度云图Fig.6 Temperature cloud diagram of sidewalk section (X=-3.6 m) at different air supply temperatures

图7 不同送风温度下廊道温度Fig.7 Corridor temperature at different air supply temperatures

4.2 送风风速对廊道热环境的改善

为研究送风风速对廊道热环境的改善效果，控制送风温度为22 ℃，铁渣温度为55 ℃，皮带运行速度为1.5 m/s，分别令送风风速为1.0、2.0、3.0、4.0 m/s。如图8所示，由于廊道内皮带表面温度高于送风温度，送风空气在热源的影响下逐渐被加热，并随风流方向沿廊道长度方向运移，且由于送风风速与皮带存在相对速度，当送风风速小于皮带运行速度时，廊道中后段位置被高温覆盖；当送风风速大于皮带运行速度时，在相对风速的影响下，热量逐渐从廊道尾部涌出，廊道中后段高温区域明显被改善。送风速度为1 m/s时，廊道后端温度超过28 ℃，其余送风速度下，廊道内部温度均小于28 ℃。采用Origin软件绘制出廊道温度随送风风速的变化曲线图，如图9所示。并拟合出相关经验公式为

(9)

式(9)中:v为送风风速，m/s。

由图9可知，送风风速和廊道温度呈负幂函数关系，即随送风风速的增加，廊道温度逐渐降低，增加送风风速可降低廊道温度，当风速从1.0 m/s增加到2.0 m/s时，廊道温度降低2.79 ℃；当风速从2.0 m/s增加到3.0 m/s时，廊道温度降低0.79 ℃；当风速从3.0 m/s增加到4.0 m/s时，廊道温度降低0.45。说明当风速升高到一定程度时，降温作用不再显著。为此，综合考虑经济成本及廊道热环境最优的改善效果，最佳送风风速为2.0 m/s。

图8 不同送风风速下人行道截面(X=-3.6 m)温度云图Fig.8 Temperature cloud diagram of sidewalk section (X=-3.6 m) under different environmental wind speeds

图9 不同送风风速下廊道温度Fig.9 Corridor temperature at different environmental wind speeds

4.3 铁渣温度对廊道热环境的改善

为研究皮带表面不同铁渣温度对廊道热环境的改善效果，控制送风温度为22 ℃，送风速度为2.0 m/s，皮带运行速度为1.5 m/s，分别令铁渣温度为50、55、60、65 ℃。如图10所示，由于铁渣温度高于送风空气温度，与送风空气进行热量交换，热源温度越高与送风空气温差越大，两者总换热量越大，在风流及皮带运动的相对影响下逐渐向廊道尾部扩散，形成高温区域，热源温度越高，高温区域覆盖范围越广。采用Origin软件绘制出廊道温度随铁渣温度的变化曲线图，如图11所示。并拟合出相关经验公式为

(10)

式(10)中:T为铁渣温度，℃。

图10 不同铁渣温度下人行道截面(X=-3.6 m)温度云Fig.10 Temperature cloud diagram of sidewalk section (X=-3.6 m)under different iron slag temperatures

图11 不同铁渣温度下廊道温度Fig.11 Corridor temperature at different iron slag temperatures

由图11可知，铁渣温度与廊道温度之间存在正幂函数关系，即随铁渣温度的增加，廊道温度逐渐增加。当铁渣温度由50 ℃增加到55 ℃时，廊道温度升高0.54 ℃；当铁渣温度由55 ℃增加到60 ℃时，廊道温度升高0.79 ℃；当铁渣温度由60 ℃增加到65 ℃时，廊道温度升高0.74 ℃；总体上，热源温度为50～65 ℃时，廊道温度均未超过28 ℃的要求，且将铁渣温度处理到更低的温度时，需要耗费大量的低温水。为此，兼顾经济成本及廊道热环境的最佳改善效果，最佳热源温度为65 ℃。

4.4 皮带运行速度对廊道热环境的改善

为研究皮带运行速度对铁渣转运廊道热环境的改善效果，控制送风风速为2 m/s、送风温度为22 ℃、铁渣温度为65 ℃，分别令皮带运行速度为1.5、2、2.5、3 m/s。如图12所示，由于铁渣温度高于廊道送风空气温度，在温差的作用下传递热量，并随风流向廊道长度方向运移，使得廊道中后段区域温度明显高于廊道前半部分。当皮带运行速度增加时，属于强制对流换热，增强铁渣与廊道空气的热交换，当皮带运行速度大于廊道风速时，其相对速度越大，热交换越明显，高温区域覆盖范围越广。当皮带运行速度为1.5 m/s时，廊道内部125 m位置处温度超过28 ℃，说明持续增加皮带运行速度，会恶化廊道内部环境。采用Origin软件绘制出廊道温度随皮带运行速度的变化曲线图，如图13所示。并拟合出相关经验公式为

(11)

式(11)中:Vp为皮带运行速度，m/s。

由图13可知，皮带运行速度和廊道温度呈正幂函数关系，即随皮带运行速度的增加，廊道温度逐渐增加。但当皮带速度从1.5 m/s增加到2 m/s时，廊道温度升高0.04 ℃；当皮带速度从2 m/s增加到2.5 m/s时，廊道温度升高0.21 ℃；当皮带速度从2.5 m/s增加到3.0 m/s时，廊道温度升高0.27 ℃。且图13曲线斜率(0.016)明显小于图11曲线斜率(1.049)，表明皮带运行速度对廊道温度的影响程度较铁渣温度小。皮带运行速度的增加，虽然会提高铁渣的运输量，增加企业的经济效益，但是会恶化廊道内部环境。为此，在保证正常铁渣供应量的前提下，考虑到皮带运行速度对廊道热环境的影响，控制皮带运行速度为3.0 m/s时，可有效改善廊道热环境。