楊 攀，代華明，朱惠薇，張冰倩

(武漢理工大學 安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

煤炭開采時釋放的礦井瓦斯，容易引發(fā)煤礦安全事故，我國煤礦瓦斯事故時有發(fā)生，嚴重影響煤礦安全生產[1-2]。因此，礦井瓦斯排放對維護煤礦安全意義重大。但抽采瓦斯和通風瓦斯中瓦斯?jié)舛容^低，特別是乏風瓦斯在我國煤礦瓦斯總量中占比約81%，其瓦斯?jié)舛鹊陀?.75%，瓦斯氣體難以得到高效利用[3]。當?shù)蜐舛韧咚贡恢苯优欧诺酱髿鈺r會造成清潔能源浪費，同時導致嚴重溫室效應。

瓦斯抽采和利用是促進煤礦安全的重要技術手段。低濃度瓦斯利用成本高且效率低，大量煤礦減少瓦斯抽采設施布置，導致煤礦瓦斯事故頻發(fā)。瓦斯高效利用技術可有效提高瓦斯利用效率，為煤礦創(chuàng)造安全效益。低濃度瓦斯利用過程中，高效換熱器能顯著提高瓦斯初始溫度，使瓦斯氣體更容易達到反應所需活化能，提高燃燒反應強度，拓寬燃燒極限，進而提高低濃度瓦斯利用效率，達到節(jié)能減排和提升安全效益的目的[4]。換熱器又稱熱交換器，是1種將溫度較高流體的熱量轉移至溫度較低流體的通用設備，在能源、醫(yī)藥、動力、食品、機械等行業(yè)得到廣泛應用。換熱器內部強化傳熱主要包括增大傳熱面積，但考慮投資成本，不能無限增加換熱器傳熱面積，同時要求設備制造精密化；提高傳熱系數(shù)，主要考慮提高管內外兩側傳熱系數(shù)[5-7]。針對乏風瓦斯利用技術，換熱器安裝在乏風瓦斯利用裝置進氣端，且位于礦井通風機排氣管之后。通過在管路通道中安裝阻火器、單向通風裝置等安全設施，可有效確保換熱裝置安全高效運行。換熱器通過充分利用瓦斯氧化燃燒反應排放的高溫余熱煙氣，實現(xiàn)對新鮮氣流預熱[8-9]。

國內外學者主要針對單一典型的換熱器傳熱機理開展研究：衛(wèi)利峰等[10]設計螺旋式換熱器，通過對橢圓管與圓管的換熱性能進行比較，分析橢圓管入口角和橢圓截面比對換熱器傳熱性能的影響；向鵬飛[11]通過逆流分段設計法研究螺旋繞管式換熱器的換熱性能，從而對換熱器設計進行優(yōu)化；王永紅[12]指出列管式換熱器現(xiàn)階段研究不足，指明列管式換熱器發(fā)展方向，為列管式換熱器研究提供理論依據(jù)；郭強等[13]利用Fluent對換熱器進行流動和傳熱模擬，分析換熱器有無插件對換熱性能的影響；司子輝等[14]研究2種翅片式換熱器的流動和傳熱特性，分析其壓力場、速度場和溫度場分布情況，為換熱器研究和工程應用提供參考；趙壯等[15]利用Fluent對光滑蛇管換熱器進行數(shù)值模擬，研究波紋管對換熱效率的影響；易杰等[16]研究分離式小螺旋管的流動和換熱特性，分析表面作用對管內流動和換熱特性的影響。但目前關于相同工況下不同換熱裝置預熱效果對比的研究較少。

本文基于相同預熱室尺寸設計螺旋式、翅片式和列管式三維立體模型，對3種預熱方式在相同流速和預熱溫度等參數(shù)下進行數(shù)值模擬分析，通過溫度和流場分布并結合換熱效率，對比分析3種預熱方式預熱效果，進而對換熱器形狀進行優(yōu)化設計。研究結果可為基于預熱式乏風瓦斯的高效利用提供理論依據(jù)。

1 物理和數(shù)學模型

1.1 物理模型

3種換熱方式三維模型如圖1所示。模型均包括換熱管和恒溫室2部分。換熱管入口直徑18 mm，從左至右通入常溫氣體；恒溫室尺寸為200 mm×200 mm×150 mm，從下至上通入高溫氣體，保持恒溫室內溫度穩(wěn)定。

圖1 3種換熱方式的幾何模型Fig.1 Geometric models of three heat exchange methods

1.2 控制方程

各控制方程見式(1)～(5)[17]。

1)質量守恒方程如式(1)所示：

(1)

2)動量守恒方程如式(2)所示：

(2)

3)能量守恒方程如式(3)所示：

(3)

4)湍流動能方程如式(4)～式(5)所示：

(4)

(5)

式中：Cp為比熱容，J/(kg·K)；C1ε，C2ε，C3ε均為常數(shù)；Gk為平均速度梯度產生的紊動能，J；Gb為浮力產生的紊動能，J；k為導熱系數(shù)；Sk為k的源項；Sε為ε的源項；T為溫度，K；p表示壓強，Pa；xi，xj，xk表示坐標方向，m；vi為速度，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為動力黏度，N·s/m3；ε為紊流耗散率；Ym表示可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率影響系數(shù)；σk為k的紊流普朗特數(shù)；σε為ε的紊流普朗特數(shù)；μt表示紊流度。

1.3 邊界條件

1)進口邊界條件如式(6)所示：

vc=2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 m/s,Tc=298.15 K

(6)

式中：vc為換熱管通入新鮮氣流的流速，m/s；vh為預熱室通入高溫煙氣的流速，m/s；，Tc為新鮮氣流的溫度,K；Th為高溫煙氣的溫度，K。

2)出口邊界條件為出口表壓0 MPa，出口環(huán)境溫度To=298.15 K。

3)壁面邊界條件為壁面溫度Tb=298.15 K，壁面可導熱，導熱系數(shù)(鐵)為80 W/(m·K)。

2 結果與討論

2.1 不同換熱方式對換熱效果的影響

首先對3種換熱方式進行數(shù)值模擬，通過對比管內溫度場、速度場的變化狀況選取最佳換熱方式。采用螺旋式、列管式和翅片式模型進行恒溫加熱模擬實驗。

設定換熱管入口流速為2 m/s，溫度為298 K，高溫區(qū)域入口流速為0.5 m/s，溫度為1 273.15 K。換熱管位于長寬高為200 mm×200 mm×150 mm的恒溫氣體區(qū)域中，該區(qū)域從下至上通入高溫氣體，并通過換熱管導熱作用對管內氣體進行預熱，得到3種換熱方式的管內溫度場的變化，如圖2所示。

圖2 3種換熱方式管內溫度云圖及立體圖Fig.2 Cloud diagram and stereographic diagram of temperature in tube with three heat exchange methods

由圖2可知，主要溫度梯度集中在靠近管道內壁相對狹窄的氣體區(qū)域，靠近管道內壁且溫度較高的薄層稱為熱邊界層；在管壁附近的熱邊界層溫差梯度較大。模擬結果顯示，在氣體流速、預熱溫度相同條件下，螺旋式換熱效果相對最好，列管式換熱效果次之，翅片式換熱效果相對最差。3種換熱方式的出、入口溫度對比如圖3所示。由圖3可知，在1 273.15 K的恒溫區(qū)域內，翅片式出、入口溫度差相對最小，螺旋式出、入口溫差相對最大。綜上，3種方式換熱效果依次為螺旋式>列管式>翅片式。

圖3 出、入口溫度對比Fig.3 Comparison of outlet and inlet temperatures

氣體以一定速度在管內流動，由于黏性作用，在換熱管壁面附近形成速度邊界層。3種換熱方式在恒溫室內氣體入口流速為0.5 m/s時，恒溫室內氣體速度矢量圖如圖4所示。

圖4 3種預熱方式流速矢量圖Fig.4 Vector diagram of flow velocity with three preheating methods

在恒溫室截面上，氣體從下至上流動同時，運動方向和速度均發(fā)生變化。但區(qū)域內氣體是在穩(wěn)定狀態(tài)下流動的，對于整個截面來說，氣體平均速度保持不變。翅片式區(qū)域內氣體整體流速差異較小，通過翅片式后存在渦流和回流現(xiàn)象，但氣體速度變化不明顯，對傳熱系數(shù)影響較小，故對傳熱效果影響也較??；列管式恒溫區(qū)域內氣體流動過程中，中間氣體沒有產生明顯渦流和回流現(xiàn)象，氣體流動比較連續(xù)、穩(wěn)定，兩側氣體出現(xiàn)較明顯的渦流和回流現(xiàn)象，氣體通過列管后中間流速明顯增大，導致管外傳熱系數(shù)增大，傳熱效果得到有效提升；螺旋管區(qū)域內氣體流動狀況復雜，氣體流經螺旋管后出現(xiàn)回流現(xiàn)象且流速增大，整體流向未發(fā)生明顯改變，但在靠近螺旋管區(qū)域內氣體流向不穩(wěn)定，回流和渦流現(xiàn)象較明顯，因此傳熱效果相對最佳。氣體在恒溫室內流動狀況充分說明3種換熱方式的傳熱效果依次為螺旋式>列管式>翅片式。

2.2 不同冷、熱空氣流速對換熱效果影響

不同流速下軸向溫度分布如圖5所示。管道入口流速由2.0 m/s增至4.0 m/s，間隔為0.5 m/s。同一常溫氣體流速下，高溫氣體流速增加對溫度的影響逐漸變小，但總體呈上升趨勢，由于高溫氣體流速增加，管外對流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)增大，且相同時間內通過螺旋管的高溫氣體增多，總熱量增大，導致管內氣體溫度增加。由圖5可知，隨常溫氣體流速增大，氣體升溫速率逐漸降低。因為在同一高溫氣體流速下，常溫氣體流速越大，相同時間內進入管道中的新鮮常溫氣體越多，恒溫室對常溫氣體預熱不夠充分，導致升溫速率降低。

圖5 不同流速下軸向溫度分布Fig.5 Axial temperature distribution under different flow velocities

出口處氣體最高溫度如圖6所示。出口溫度隨常溫氣體流速升高而降低，隨高溫氣體流速升高而升高；當高溫氣體流速從0.10 m/s增至0.30 m/s時，出口溫度明顯升高，當流速繼續(xù)增加，溫度變化相對較小。當常溫氣體流速從2.0 m/s增至4.0 m/s時，出口溫度逐漸下降，且下降速率大致相同，但下降幅度較小。流速主要從2個方面影響換熱效率：一方面通過流速的增加，提高螺旋管內外對流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)，且流速越快，高溫氣體換熱后熱量補充速度越快，促進換熱管內外熱量交換，提高總換熱量，使溫度升高；另一方面，流速增加會導致?lián)Q熱量增加，但換熱量增加導致螺旋管內外:平均溫差減小，換熱器換熱量增加幅度逐漸減小，流速增大后不足以使常溫氣體溫度升高，導致出口溫度降低。

圖6 不同流速的出口處最高溫度Fig.6 Maximum temperature at outlet under different flow velocities

2.3 不同熱空氣溫度對換熱效果的影響

不同高溫氣體溫度下的溫度云圖如圖7所示。隨高溫氣體溫度增加，溫度呈上升趨勢，但出口溫度與高溫氣體溫差逐漸增大。這是因為盡管高溫氣體溫度增加，但氣體流速不變。由上文可知，氣體流速影響換熱效率，因此當流速不變時，換熱效率不變，所以溫度越高，出口溫度與高溫氣體溫差越大。由圖7可知，高溫氣體溫度增加，常溫氣體溫度增長速率逐漸增大，2種氣體間溫差越大，換熱速率越快。

圖7 不同預熱溫度下溫度云圖Fig.7 Cloud diagram of temperature under different preheating temperatures

不同高溫氣體溫度軸向溫度分布如圖8所示。由圖8可知，高溫氣體溫度增加，常溫氣體每個位置對應溫度逐漸增大，T1到T2溫度增量小于T2到T3的溫度增量，T2到T3溫度增量大于T3到T4溫度增量。常溫氣體溫度增長速率先增加后減小，由T2到T3溫度增長速率相對最高。原因是氣體在預熱室內停留時間越短，通過熱傳導和熱輻射交換的熱量越少，氣體從T1到T2時交換的熱量小于T2到T3交換的熱量，所以初始溫度增長率增加；另一方面，隨溫度增加，常溫氣體與預熱室內溫差逐漸減小，換熱速率變慢，即溫度上升速率變慢，所以T3后溫度增長率逐漸降低。

3 結論

1)常溫氣體在螺旋管內預熱后出口溫度相對最高，列管式次之，翅片式相對最低；由高溫氣體在恒溫室內流動狀況可知，螺旋式對氣流影響相對最大，列管式次之，翅片式最??；所以3種換熱方式傳熱效果依次為螺旋式>列管式>翅片式。

圖8 不同預熱溫度軸向溫度分布Fig.8 Diagram of axial temperature distribution under different preheating temperatures

2)流速主要從2個方面影響換熱效率：流速增加提高螺旋管外的對流換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)，流速增大促進換熱管內外熱量交換，提高總換熱量，使溫度升高；流速增加導致?lián)Q熱量增加，但隨換熱量增加，螺旋管內外平均溫差減小，則總換熱量增加逐漸減小，流速增大后不足以提高常溫氣體的溫度，導致出口溫度降低。

3)隨預熱溫度增加，出口溫度逐漸增大，溫度增加速率呈先增大后減小趨勢，且隨預熱溫度增加，出口溫度與預熱溫度差值逐漸變大。