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煤礦井筒保溫全風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及熱管阻力的優(yōu)化研究

2021-10-22 06:56白金發(fā)鮑玲玲
關(guān)鍵詞:進(jìn)風(fēng)口熱管風(fēng)量

白金發(fā),鮑玲玲

(河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)規(guī)定:進(jìn)風(fēng)井口混合送風(fēng)溫度必須在2 ℃以上[1],傳統(tǒng)采用混合送風(fēng)方式,即:通過(guò)室外冷風(fēng)和井口加熱器處理后的熱風(fēng)混合后送入井筒,井筒進(jìn)風(fēng)量具備風(fēng)量大、負(fù)荷大的特點(diǎn),目前熱源主要為:燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t和余熱利用熱泵等方式,其通過(guò)加熱熱水或制取蒸汽,井口加熱器供水溫度高于50 ℃,通過(guò)風(fēng)量配比實(shí)現(xiàn)井口混合送風(fēng)溫度≥2 ℃。采用混合送風(fēng)技術(shù),當(dāng)室外溫度高于2 ℃時(shí)系統(tǒng)仍在運(yùn)行,因此造成了大量能源浪費(fèi)。目前低溫送風(fēng)技術(shù)發(fā)展尤為迅速,如:風(fēng)風(fēng)換熱的低溫?zé)峁芩惋L(fēng)方式以及大風(fēng)量低溫送風(fēng)方式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者,針對(duì)翅片型熱管換熱器進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究[2-5],對(duì)翅片型換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、管排間距、管排數(shù)量以及外部流場(chǎng)做了優(yōu)化研究。但礦井回風(fēng)用熱管換熱器整體設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用仍存在很多問(wèn)題,如:截面面積過(guò)長(zhǎng)造成風(fēng)室風(fēng)量分配不均、熱管換熱器外部流場(chǎng)壓降不平衡等。本文,對(duì)羊場(chǎng)灣煤礦15、16立井井筒保溫工程進(jìn)風(fēng)情況進(jìn)行了測(cè)試,為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

1 物理模型

圖1為單臺(tái)熱管換熱器側(cè)視圖,管排數(shù)10排,布置方式叉排排列,其外形尺寸及翅片參數(shù)詳見(jiàn)圖1。

圖1 熱管換熱器側(cè)視圖(單位:mm)Fig.1 The side view of heat exchanger

關(guān)于翅片型換熱器的阻力,通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究得到了適應(yīng)范圍比較廣的經(jīng)驗(yàn)公式[6]

(1)

式中:Δp—阻力損失,Pa;f—摩擦阻力系數(shù);Gmax—最窄截面處氣體質(zhì)量流量,kg/(m2·s);ρ—?dú)怏w密度,kg/m3;g—9.8 m/s2;N—管排數(shù)。

最窄截面處氣體質(zhì)量流量Gmax計(jì)算公式為[6]

(2)

式中:A1—斷面面積,m2;A2—最窄截面處斷面面積,m2,叉排翅片管束一般是斷面面積的一半;Q—?dú)怏w的質(zhì)量流量,kg/s。

摩擦阻力系數(shù)f計(jì)算公式為[6]

(3)

式中:d0—基管直徑,m;μ1—?dú)怏w的動(dòng)力粘度,Pa·s;S1—翅片管橫向間距,m;S2—翅片管縱向間距,m;實(shí)際阻力Δp實(shí)際=ε×Δp理論;ε—修正系數(shù),ε=0.54。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工藝路線

礦井乏風(fēng)自擴(kuò)散塔由乏風(fēng)風(fēng)道引入乏風(fēng)等靜壓配風(fēng)室內(nèi),伴隨乏風(fēng)的低焓熱量經(jīng)熱管蒸發(fā)段吸收后,匯入乏風(fēng)等靜壓合風(fēng)室,再集中擴(kuò)散排放。

室外新風(fēng)負(fù)壓狀態(tài)進(jìn)入新風(fēng)等靜壓配風(fēng)室內(nèi),與熱管冷凝段進(jìn)行熱量交換,實(shí)現(xiàn)對(duì)室外新風(fēng)的加熱。被加熱到符合溫度要求的新風(fēng)在新風(fēng)等靜壓合風(fēng)室內(nèi)匯流,由新風(fēng)風(fēng)道引入井口房?jī)?nèi),經(jīng)負(fù)壓作用,通過(guò)井筒送入井下,滿足礦井通風(fēng)量和溫度要求。

為克服熱管換熱器的傳熱流通阻力,在新風(fēng)等靜壓配風(fēng)室熱管換熱分流通道內(nèi)設(shè)置誘導(dǎo)平衡風(fēng)機(jī);通風(fēng)量維持井口房微正壓狀態(tài),不但保證礦井通風(fēng)需求,而且可以避免室外空氣的漏入,降低熱損失。

在原有回風(fēng)擴(kuò)散口建設(shè)風(fēng)室用于收集回風(fēng),并建設(shè)風(fēng)道將礦井回風(fēng)通過(guò)回風(fēng)(加壓)風(fēng)機(jī)引入熱管換熱器蒸發(fā)側(cè)換熱后放散,新風(fēng)側(cè)通過(guò)新風(fēng)(加壓)風(fēng)機(jī)送入熱管換熱器冷凝側(cè)加熱后送入進(jìn)風(fēng)井。低溫?zé)峁苡酂峄厥展に図?xiàng)目原理見(jiàn)圖2。

2.2 工程設(shè)計(jì)

羊場(chǎng)灣煤礦15、16采區(qū)基本參數(shù)(2021年10月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)):回風(fēng)風(fēng)量:14 400 m3/min;回風(fēng)溫度20 ℃;進(jìn)風(fēng)量:9 800 m3/min;按文獻(xiàn)[3]計(jì)算公式可得到,熱管系統(tǒng)供熱能力為12 333 kW,考慮1.2倍富裕系數(shù),井口防凍熱負(fù)荷為7 060 kW,設(shè)計(jì)滿足室外極端環(huán)境溫度-27.2 ℃,進(jìn)風(fēng)溫度≥2 ℃。

該系統(tǒng)核心設(shè)備為阻力平衡風(fēng)機(jī)和熱管換熱器。目前工程選用36臺(tái)防爆軸流風(fēng)機(jī),風(fēng)壓400 Pa,風(fēng)量1 000 m3/min。選用熱管換熱器18臺(tái),單臺(tái)名義制熱量500 kW,單臺(tái)熱管外形尺寸:1 750 mm×4 070 mm×2 500 mm,其詳細(xì)基本參數(shù)如表1所示。工程測(cè)試儀器如表2所示:

表1 熱管換熱器基本參數(shù)

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試主要儀器匯總表

3 流動(dòng)阻力分析

對(duì)低溫?zé)峁芩惋L(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行阻力分析,研究模塊斷面風(fēng)速和壓降的變化關(guān)系,優(yōu)化熱管模塊結(jié)構(gòu),提高換熱效果。由于風(fēng)室結(jié)構(gòu)特性,雖然各模塊結(jié)構(gòu)相同,但模塊風(fēng)量不同,斷面風(fēng)速也不同。低溫?zé)峁芩惋L(fēng)系統(tǒng)在換熱平臺(tái)均勻布置18臺(tái)熱管換熱器,熱管蒸發(fā)段位于回風(fēng)風(fēng)室內(nèi),冷凝段位于新風(fēng)風(fēng)室內(nèi)。新風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)各18個(gè)模塊,單個(gè)模塊管排數(shù)為10排。對(duì)新風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)各模塊斷面風(fēng)速和壓降進(jìn)行測(cè)試,繪制不同模塊斷面風(fēng)速與壓降關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖3(a)和圖3(b)為2021年10月,采用表2中的儀器對(duì)低溫?zé)峁芩惋L(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè),得到回風(fēng)側(cè)和新風(fēng)側(cè)1—18不同模塊斷面風(fēng)速與壓降關(guān)系曲線。從圖3(a)可以看出,不同模塊下,回風(fēng)側(cè)斷面風(fēng)速與壓降之間的變化趨勢(shì)趨于一致。隨著回風(fēng)側(cè)斷面風(fēng)速的不斷增加,熱管換熱器內(nèi)部產(chǎn)生的壓降也隨之增大。當(dāng)斷面風(fēng)速為2.55 m/s時(shí),熱管換熱器所產(chǎn)生的壓降為145.81 Pa;斷面風(fēng)速提升到4.72 m/s,壓降達(dá)到411.18 Pa。圖3(b)為不同模塊新風(fēng)側(cè)斷面風(fēng)速與壓降關(guān)系曲線。不同模塊下,新風(fēng)側(cè)斷面風(fēng)速與壓降的變化趨勢(shì)也趨于一致。隨著斷面風(fēng)速的增加,壓降隨之增大;斷面風(fēng)速減小時(shí),壓降也隨之減小。

由圖3可以看出,回風(fēng)模塊和新風(fēng)模塊1—8的斷面速度均較小,即回風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)量均較小。風(fēng)量分配很不均勻,最大風(fēng)速差可達(dá)到2.3 m/s,系統(tǒng)風(fēng)速不平衡率超過(guò)80%。

通過(guò)改變不同模塊管排數(shù)量,對(duì)熱管換熱器進(jìn)行重新設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方案:模塊1—8管排數(shù)量降低至8排管,模塊9—18增加至14排管。改變管排數(shù)后,按照式(1)、(2)、(3)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)和(b)可知,熱管換熱器改變管排數(shù)后,回風(fēng)模塊和新風(fēng)模塊風(fēng)速分布更加均勻,阻力分布較原設(shè)計(jì)有所減少,綜合阻力降低。從圖4可發(fā)現(xiàn)每個(gè)模塊新風(fēng)和回風(fēng)斷面風(fēng)速分布較圖3 均有所改善,最大風(fēng)速差降低至1 m/s內(nèi),系統(tǒng)風(fēng)速不平衡率降低至20%以下。

圖3 不同模塊斷面風(fēng)速與壓降關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curves of wind speed and pressure drop at different module sections

圖4 不同模塊斷面風(fēng)速與壓降關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curves of wind speed and pressure drop at different module sections

4 全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量分析

分析進(jìn)風(fēng)口開(kāi)合以及風(fēng)機(jī)啟停對(duì)全新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)量的影響,進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),保證井筒送風(fēng)風(fēng)量及溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

羊場(chǎng)灣15、16立井進(jìn)風(fēng)口的基本特征如表3所示:

表3 進(jìn)風(fēng)口基本參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

工況1:G1—G5通風(fēng)道全部打開(kāi)(即:所有進(jìn)風(fēng)口均可進(jìn)風(fēng));工況2:G1—G3關(guān)閉,風(fēng)機(jī)全部開(kāi)啟(即:僅熱管系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)道進(jìn)風(fēng))。圖5為工況1和工況2進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比分析圖,圖5(a)、(b)分別為兩種工況下,進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)量占比分析圖。由圖可知,工況1情況下,進(jìn)風(fēng)立井依靠負(fù)壓主要通過(guò)五處進(jìn)風(fēng),在G1—G3進(jìn)風(fēng)口開(kāi)啟的狀態(tài)下,G5進(jìn)風(fēng)量很小,占比不到20%;工況2立井進(jìn)風(fēng)依靠熱管系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)道進(jìn)風(fēng),系統(tǒng)投入運(yùn)行后進(jìn)風(fēng)量9 200 m3/min,占系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量的95%,但仍存在5%漏風(fēng)。通過(guò)工況1和工況2對(duì)比分析可知,在G1—G3都關(guān)閉時(shí),新風(fēng)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量提高了幾乎一倍。系統(tǒng)主要依靠進(jìn)風(fēng)立井負(fù)壓進(jìn)風(fēng)。

圖5 工況1和工況2進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比分析Fig.5 The comparative analysis of air inlet conditions in condition 1 and condition 2

工況3:G1—G3關(guān)閉,風(fēng)機(jī)未啟動(dòng);工況4:G1—G3關(guān)閉,風(fēng)機(jī)開(kāi)啟18臺(tái)。圖6為工況2、3、4進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比分析圖,工況2和工況3對(duì)比發(fā)現(xiàn),G5通道內(nèi)風(fēng)量增加了950 m3/min。工況3和工況4進(jìn)行對(duì)比:G5通道內(nèi)的進(jìn)風(fēng)量減少了700 m3/min。

圖6 工況2—4進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比分析Fig.6 The comparative analysis of air inlet conditions under different conditions

工況5:G1開(kāi)啟,G2、G3關(guān)閉。圖7為工況2和工況5進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比分析圖,G1開(kāi)啟后

圖7 工況2和工況5進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比分析Fig.7 The comparative analysis of air inlet conditions in condition 2 and condition 5

較全部關(guān)閉時(shí),G1通道進(jìn)風(fēng)量急劇上升,占總送風(fēng)量的26.8%,同時(shí)熱管送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量明顯下降,降低了2 500 m3/min,此時(shí)G5送風(fēng)量占比69.08%。G1通道不經(jīng)加熱直接進(jìn)入進(jìn)風(fēng)立井,增加了結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1)通過(guò)改變管排數(shù)量,風(fēng)速分布較原設(shè)計(jì)更加均勻,阻力減少。最大風(fēng)速差由2.1 m/s降低至1 m/s內(nèi),系統(tǒng)風(fēng)速不平衡率由80%降低至20%以下,使系統(tǒng)送風(fēng)效果加強(qiáng)。

2)影響全風(fēng)量送風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量的決定性因素是系統(tǒng)的密閉性。

3)輔助風(fēng)道開(kāi)啟,此處進(jìn)風(fēng)風(fēng)量較大,可達(dá)2 600 m3/min,占總進(jìn)風(fēng)量比例26.8%,由于輔助風(fēng)道送風(fēng)未經(jīng)熱管換熱器進(jìn)行加熱,溫度低,不利于系統(tǒng)送風(fēng)效果,因此應(yīng)避免開(kāi)啟輔助風(fēng)道。

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