龔孔成

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007)

深部開采是礦業(yè)發(fā)展的必然[1-3]。而在金屬礦山深部開采過程中,礦井通風(fēng)系統(tǒng)出入端通風(fēng)阻力增大，占比高達(dá) 60%以上，導(dǎo)致通風(fēng)成本急劇增加，同時(shí)，深井高溫導(dǎo)致工作面環(huán)境的惡化，為改善工作面溫度環(huán)境，需要增加風(fēng)量以排出更多的熱量，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)動(dòng)力提出了更高的要求。深井熱水一直被認(rèn)為是不利因素而加以控制，沒有從通風(fēng)節(jié)能機(jī)理的角度研究溫度勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高溫深井通風(fēng)節(jié)能；我國已有地?zé)豳Y源綜合利用的相關(guān)報(bào)道[4-6]。本研究利用溫差能驅(qū)動(dòng)通風(fēng)的原理，提出利用水力通風(fēng)換熱機(jī)將地下熱水的勢(shì)能和熱能轉(zhuǎn)換為風(fēng)流的動(dòng)能和內(nèi)能，并利用MATLAB進(jìn)行相關(guān)數(shù)值模擬研究，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，從而增強(qiáng)深井通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)溫差能驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，以期達(dá)到深部礦井通風(fēng)系統(tǒng)安全、高效、節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。

1 水力通風(fēng)換熱原理

水力通風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1。

利用礦山內(nèi)部的熱源之一地下熱水通過引流管向下引流至位于回風(fēng)井的水力通風(fēng)換熱機(jī)，使其沖擊水輪機(jī)，引起葉輪高速旋轉(zhuǎn)并聯(lián)動(dòng)上方扇風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，形成沿螺旋通道向上的風(fēng)流。同時(shí)地?zé)崴畯乃啓C(jī)底部向下流動(dòng),在換熱室內(nèi)的螺旋曲面板片處積聚；已積聚的熱水又從螺旋曲面板上的許多小孔向下一塔節(jié)流動(dòng),在螺旋通道中形成熱水雨簾，并與沿螺旋通道向上的風(fēng)流對(duì)流換熱,實(shí)現(xiàn)有效的熱交換過程。換熱后的風(fēng)流經(jīng)風(fēng)筒注入巷道內(nèi)，換熱后的熱水則由井下排水系統(tǒng)處理[7-10]。

圖1 水力通風(fēng)換熱機(jī)構(gòu)造

2 換熱風(fēng)量確定

想要將換熱機(jī)產(chǎn)生的熱風(fēng)來驅(qū)動(dòng)深井通風(fēng)系統(tǒng)，則必須要有一定的風(fēng)量。根據(jù)位能轉(zhuǎn)化，換熱機(jī)的轉(zhuǎn)速n1的計(jì)算公式為[11]

(1)

式中，n1為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ω為水輪機(jī)最優(yōu)速度比，取ω=0.5[12-13]；φ為孔口流速系數(shù)，取0.97[14]；g為重力加速度，9.8 m/s2；H為地下熱水水頭，m；D1為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，0.35 m。

換熱機(jī)理論風(fēng)量的公式為[11]：

(2)

式中，Q為扇風(fēng)機(jī)理論風(fēng)量，m3/s；ε為風(fēng)量系數(shù)，0.7；D2為扇風(fēng)機(jī)葉輪外徑，1 m；n2為扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min。

設(shè)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n1等于扇風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n2，因此聯(lián)立式(1)、式(2)得

(3)

化簡(jiǎn)得

(4)

3 出風(fēng)口溫度數(shù)值研究

將換熱機(jī)產(chǎn)生的熱風(fēng)注入礦內(nèi)回風(fēng)道，提升回風(fēng)道溫度，利用溫差能作為輔助深井通風(fēng)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)深井通風(fēng)系統(tǒng)。熱風(fēng)溫度越高，兩股風(fēng)流間的溫差能越大，通風(fēng)動(dòng)力越強(qiáng)。

3.1 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)流與熱水在換熱室的換熱過程包含了許多影響因素,但一些因素對(duì)模擬換熱影響很小,因此，為了方便，可進(jìn)行一些簡(jiǎn)化假設(shè)：①忽略風(fēng)流中雜質(zhì)及風(fēng)流濕度的影響；②以湍流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱形式換熱；③換熱過程無相變；④由于風(fēng)流加熱前后密度變化微小，故可認(rèn)為換熱器進(jìn)出風(fēng)口風(fēng)量相等。

由牛頓冷卻公式：

φ=ah·S·Δt，

(5)

(6)

其中，

；

和熱平衡公式：

Qh=φT=mgcpgΔtg=mwcwgΔtw,

(7)

經(jīng)過迭代運(yùn)算可得：

；

(8)

上述式中，φ為對(duì)流換熱熱流量，kW；ah為對(duì)流換熱系數(shù)，kW/ (m2·℃)；S為對(duì)流換熱表面面積，m2；Δt為熱水與井下風(fēng)流平均溫度之差，℃；tk、tkh分別為每次換熱前后風(fēng)流的溫度，℃；ts、tsh分別為每次換熱前后熱水的溫度，℃；Qh為總對(duì)流換熱量，kJ；T為每次換熱氣液接觸時(shí)間，s；mg、mw為在時(shí)間T內(nèi)參與換熱的風(fēng)流、熱水的質(zhì)量，kg；cp為空氣的定壓比熱容， 1 005 kJ/(kg·℃)；cw為水的定壓比熱容，4 200 kJ/(kg·℃)；Δtg換熱前后風(fēng)流的溫差，℃；Δtw為換熱前后水的溫差，℃。

3.2 換熱過程參數(shù)確定

3.2.1 螺旋曲面板流過熱水的小孔的個(gè)數(shù)確定

換熱機(jī)每塊螺旋曲面板上含有60個(gè)半徑5 mm的圓形小孔，但實(shí)際流過熱水的小孔還需由熱水流量與水的流速等因素確定。假設(shè)水流從水輪機(jī)底部流向曲面板時(shí)，水流分布均勻，即塔節(jié)上每塊螺旋曲面板的水流量相等，則單個(gè)螺旋曲面板流過熱水的小孔個(gè)數(shù)可由下式確定：

(9)

式中，Qs為通過水輪機(jī)的總水流量，m3/s，其大小可由噴嘴處射流速度與噴嘴半徑確定；nl為1個(gè)塔節(jié)的塔板個(gè)數(shù)，18；rk為塔板孔半徑，0.005 m；vsl為水流從水輪機(jī)底部流向曲面板后的垂直向下速度， m/s。

忽略換熱機(jī)與熱水的摩擦阻力，并認(rèn)為水流剛通過水輪機(jī)后，不具備向下的初速度，水流做自由落體運(yùn)動(dòng)由水輪機(jī)底部流向螺旋曲面板，則：

(10)

式中，tsl為水從水輪機(jī)底部到曲面板表面所用時(shí)間，s；hsl為水輪機(jī)底部到曲面板孔的垂直距離，0.2 m。

3.2.2 換熱總面積確定

熱水從螺旋曲面板小孔流出,形成液柱，進(jìn)而流到下一塔節(jié)，液柱與風(fēng)流接觸，完成一次換熱過程。液柱總的側(cè)面積就是換熱面積。設(shè)小孔直徑d，單個(gè)塔節(jié)高度為h，則換熱總面積S與小孔半徑rk、流過熱水的小孔個(gè)數(shù)nk、單個(gè)塔節(jié)高度h的關(guān)系為

S=nk·2πrkh.

(11)

3.2.3 氣液接觸時(shí)間T與風(fēng)流的螺旋流速u確定

單個(gè)螺旋塔節(jié)展開圖為矩形，矩形對(duì)角線即為單個(gè)塔節(jié)所在的螺旋線[16]，矩形長為換熱機(jī)圓形機(jī)身周長，換熱機(jī)機(jī)身直徑為b,則每次換熱時(shí)風(fēng)流流經(jīng)的距離L為

(12)

換熱器通道流動(dòng)截面積為一個(gè)圓環(huán)，其面積

rz為換熱機(jī)機(jī)柱半徑。則換熱室風(fēng)流在豎直方向上的流動(dòng)速度vs=Q/S,Q為換熱機(jī)風(fēng)量大小；每個(gè)塔節(jié)內(nèi)氣液接觸時(shí)間

；

風(fēng)流的螺旋流速

3.2.4 T時(shí)間內(nèi)換熱的風(fēng)流和水的質(zhì)量

風(fēng)流量可以用在T時(shí)間內(nèi)扇風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)流質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算：mg=QggT，其中p為空氣密度；水的質(zhì)量以T時(shí)間內(nèi)噴嘴流過的水的質(zhì)量計(jì)算：mw=QwgT。

3.3 換熱效果模擬計(jì)算

利用計(jì)算機(jī)軟件MATLAB7.0編寫了一個(gè)計(jì)算程序，用以實(shí)現(xiàn)換熱過程的迭代運(yùn)算?；緟?shù)：水頭H為260 m、地?zé)崴疁囟葹?5 ℃、空氣初始溫度為24 ℃，結(jié)果如表2所示。

表2 各層塔節(jié)風(fēng)流溫度模擬計(jì)算結(jié)果

扇風(fēng)機(jī)風(fēng)量為54 m3/s；同時(shí)風(fēng)流經(jīng)過對(duì)流換熱，溫度最終上升到34 ℃左右。換熱室風(fēng)流與風(fēng)流換熱高度擬合曲線及擬合公式見圖2。觀察圖2可知，風(fēng)溫隨換熱高度的增加而升高，且曲線的擬合程度接近于1，可認(rèn)為換熱室風(fēng)流溫度與換熱高度的變化為線性增加關(guān)系。

圖2 風(fēng)流溫度隨換熱高度增加的變化曲線

4 不同因素對(duì)換熱機(jī)空氣升溫效果影響研究

為了確定各因素對(duì)換熱機(jī)內(nèi)風(fēng)流升溫效果的影響程度，進(jìn)行了正交試驗(yàn)[17]。選取了熱水水頭H、熱水溫度T1、換熱室進(jìn)風(fēng)溫度T23個(gè)因素，各個(gè)因素取3個(gè)水平，表3為各因素及其水平值。

表3 因素水平

研究采用L9(34)正交表，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為換熱室出風(fēng)溫度，共進(jìn)行了9次模擬試驗(yàn)，表4為模擬結(jié)果。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案直觀分析

由表4可知：若A、B、C分別代表熱水水頭、熱水溫度、進(jìn)風(fēng)溫度，取每個(gè)因素出風(fēng)溫度最高的為優(yōu)水平，則A3B1C1為最優(yōu)水平組合，即換熱機(jī)最優(yōu)外部環(huán)境條件為熱水水頭390 m，熱水溫度55 ℃，進(jìn)風(fēng)溫度為26 ℃。

觀察3個(gè)因素的極差值R可知，R(A)>R(C)>R(B)，因此換熱室出風(fēng)溫度影響因素排序?yàn)锳>C>B，其中影響最大的因素是熱水水頭。由表可看出，A、B、C3因素在表中呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系；也就是說，通常情況下，其他條件不變，熱水水頭越大，換熱室出風(fēng)溫度越高。熱水溫度、進(jìn)風(fēng)溫度這2因素也是如此。

5 結(jié) 論

(1)水力通風(fēng)換熱機(jī)輸出風(fēng)量與通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和水頭有關(guān)。因此對(duì)同一換熱機(jī)而言，輸出風(fēng)量與熱水水頭成正比，換熱機(jī)輸出風(fēng)量可達(dá)50 m3/s，可以明顯提升礦井通風(fēng)系統(tǒng)中的溫差能。

(2)運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)特定參數(shù)下的換熱機(jī)風(fēng)流升溫效果進(jìn)行數(shù)值研究，空氣溫度升高了10 ℃，升溫效果良好。

(3)換熱機(jī)內(nèi)風(fēng)流升溫重要度排序?yàn)榈叵聼崴^>進(jìn)風(fēng)溫度>地下熱水溫度>換熱高度。

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