王亞棟

(呂臨能化公司 龐龐塔煤礦, 山西 臨縣 033299)

礦井通風(fēng)系統(tǒng)的作用是為工作面輸送新鮮空氣,將一氧化碳、甲烷等易燃易爆氣體排出,并通過一定的風(fēng)速為井下設(shè)備降溫,以確保煤礦的安全生產(chǎn)。隨著礦井工作面的不斷延伸,需要的風(fēng)量不斷增加,風(fēng)機(jī)數(shù)量相應(yīng)增加。一般情況下需要兩臺(tái)主通風(fēng)機(jī)交替使用,在切換時(shí),通風(fēng)系統(tǒng)需要調(diào)整主通風(fēng)風(fēng)門,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主通風(fēng)系統(tǒng)的切換。因此,一個(gè)穩(wěn)定可靠的主通風(fēng)風(fēng)門是保證系統(tǒng)順利切換的關(guān)鍵。

龐龐塔煤礦地處北方,冬季氣溫較低,風(fēng)門結(jié)冰的現(xiàn)象較為常見,此時(shí)自動(dòng)開合裝置失靈,需要人工輔助,因此通風(fēng)系統(tǒng)切換的時(shí)間較長,在處理結(jié)冰過程中,風(fēng)門開口不足,將會(huì)影響井下的正常通風(fēng),帶來井下瓦斯升高的隱患。為此,設(shè)計(jì)防凍風(fēng)門結(jié)構(gòu),通過Fluent軟件與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式,對(duì)防凍風(fēng)門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 防凍風(fēng)門總體設(shè)計(jì)

為防止風(fēng)門在冬季因?yàn)榻Y(jié)冰問題導(dǎo)致系統(tǒng)切換時(shí)間加長,影響井下生產(chǎn),需要保證風(fēng)門門板的各部位在極端天氣下仍能保持15 ℃,受熱氣流在風(fēng)門內(nèi)部傳導(dǎo)方式的影響,門板受熱不均勻,存在溫度較低的部位,影響風(fēng)門的整體抗凍性。山西呂梁地區(qū)冬季的最低溫度能達(dá)到-20 ℃,在進(jìn)行加熱裝置的選型設(shè)計(jì)時(shí)將目標(biāo)溫度定為20 ℃,其選型計(jì)算見下:

(1)

式中:m為質(zhì)量,kg;c為比熱容,J·kg-1·K-1;ΔT為溫度差,K;1.2為安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,為保證風(fēng)門門板的溫度,需要加熱裝置的功率在36 kW.

通風(fēng)機(jī)以及加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖1. 通風(fēng)機(jī)通過管徑的變化形成氣流,提供風(fēng)量,選用1.5 kW的通風(fēng)機(jī),其中電動(dòng)機(jī)的型號(hào)采用Y90 s-2 (B35),能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速,可以調(diào)節(jié)的風(fēng)量是100～2 350 m3/h,可提供的風(fēng)壓為600～1 000 Pa. 為了減少氣流的損耗,在通風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口安裝集流器,提升通風(fēng)機(jī)效率。該裝置主要是對(duì)通風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)流加熱。為了確保氣流能夠充分加熱,在加熱裝置內(nèi)分別設(shè)有一級(jí)導(dǎo)流板、二級(jí)導(dǎo)流板,將氣流進(jìn)行分流后帶入內(nèi)腔完成加熱,通過出風(fēng)口將熱流送至門板,進(jìn)行門板的加熱。為了更好地監(jiān)控調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部的溫度,在裝置的進(jìn)出口以及內(nèi)腔中分別布置測(cè)溫點(diǎn),同時(shí)采用PID控制器進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程控制。

1—離心式通風(fēng)機(jī); 2—變徑管道; 3—接口法蘭; 4—進(jìn)口測(cè)溫點(diǎn);5—防爆盒; 6—接線孔; 7—內(nèi)腔測(cè)溫點(diǎn); 8—出口測(cè)溫點(diǎn); 9—出風(fēng)口; 10—加熱裝置內(nèi)腔; 11—W型翅片加熱管; 12—保溫層; 13—第一級(jí)導(dǎo)流板; 14—第二級(jí)導(dǎo)流板; 15—進(jìn)風(fēng)口; 16—支架

在確定好風(fēng)機(jī)以及加熱裝置后,在現(xiàn)有側(cè)開門的基礎(chǔ)上,對(duì)風(fēng)門內(nèi)部的傳熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),經(jīng)過對(duì)比,最終確定了兩個(gè)設(shè)計(jì)方案,兩方案的外形尺寸、加熱方案等一致,僅是在熱流進(jìn)出風(fēng)門的方式上不同。通過流場(chǎng)以及傳熱等的對(duì)比最終確定龐龐塔煤礦防凍風(fēng)門的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1.1 單出口防凍風(fēng)門設(shè)計(jì)

單出口加熱方案,即在風(fēng)門一側(cè)使用上述風(fēng)機(jī)以及加熱裝置為風(fēng)門輸入熱流,熱流通過管道進(jìn)入風(fēng)門內(nèi)部,經(jīng)過內(nèi)部的循環(huán)管道,最終通過出風(fēng)管道將氣流排除,在風(fēng)門內(nèi)部始終有熱流流動(dòng),同時(shí)在管道接口位置安裝有閘閥,能夠調(diào)整熱流的流向,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見圖2. 此設(shè)計(jì)的風(fēng)門使用頂部懸掛的方式,兩側(cè)通過鋼絲繩進(jìn)行傳動(dòng),在風(fēng)門的頂?shù)撞堪惭b有限位輪以及行走輪,在前后兩側(cè)粘貼密封膠條,保證風(fēng)門的保溫性,還能減小碰撞,保證平穩(wěn)運(yùn)行。在風(fēng)門下部鋪設(shè)排水管,在管外有帶保溫層的加熱裝置,保證積水可以及時(shí)排除。

1—左箱體; 2—回風(fēng)管道; 3—鋼絲繩; 4—定滑輪; 5—限位輪; 6—主通風(fēng)機(jī)風(fēng)筒; 7—右箱體; 8—風(fēng)門門板;9—行走輪; 10—行程指示器; 11—變徑風(fēng)筒; 12—法蘭; 13—水泥風(fēng)道; 14—電動(dòng)執(zhí)行器; 15—閘閥; 16—加熱裝置; 17—離心式通風(fēng)機(jī); 18—排水閥門; 19—進(jìn)風(fēng)管道; 20—穿線管

1.2 多出口防凍風(fēng)門設(shè)計(jì)

多出口加熱方案,在風(fēng)門的箱體下部布置固定的進(jìn)口流道,熱流通過門板上7個(gè)喇叭口狀的進(jìn)風(fēng)口,對(duì)應(yīng)在門板的頂部布置7個(gè)出風(fēng)口。在工作過程中氣流經(jīng)過加熱后通過進(jìn)風(fēng)流道進(jìn)入門板中,在門板內(nèi)部導(dǎo)流板的作用下,熱流對(duì)門板進(jìn)行加熱,最后7個(gè)通道的熱風(fēng)分別沿著7個(gè)出風(fēng)口排出。多出口防凍風(fēng)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3.

1—閘閥; 2—加熱裝置; 3—固定流道; 4—左箱體; 5—定滑輪; 6—鋼絲繩; 7—進(jìn)風(fēng)口; 8—風(fēng)門門板; 9—右箱體; 10—行程指示器; 11—電動(dòng)執(zhí)行器; 12—水泥風(fēng)道; 13—變徑風(fēng)筒; 14—左風(fēng)筒; 15—右風(fēng)筒

2 基于Fluent對(duì)比兩種防凍風(fēng)門傳熱性能

鑒于目前數(shù)值模擬分析準(zhǔn)確度較高,通過數(shù)值模擬的方式選擇一種效果最佳的防凍風(fēng)門結(jié)構(gòu)。通過在Creo軟件中簡(jiǎn)化兩種結(jié)構(gòu)模型,在ICEM-CFD軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,使用Fluent流體仿真軟件進(jìn)行模擬。為了排除網(wǎng)格劃分對(duì)仿真結(jié)果的影響,進(jìn)行不同網(wǎng)格數(shù)量以及尺寸下模擬結(jié)果的對(duì)比,最終確定單出口網(wǎng)格數(shù)量380.23萬,多出口網(wǎng)格數(shù)量為428.21萬。兩種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型見圖4.

圖4 單/雙出口結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型

完成網(wǎng)格劃分后,需要在Fluent軟件中完成邊界條件設(shè)置,兩種結(jié)構(gòu)的模擬均使用模擬湍流效果好、各向異性高的RNG k-ε湍流模型進(jìn)行模擬。環(huán)境溫度設(shè)置為252 K,兩個(gè)方案的邊界條件設(shè)置見表1.

表1 兩種方案的邊界條件設(shè)置

2.1 兩種方案流場(chǎng)速度對(duì)比

不同方案下風(fēng)門的速度分布云圖見圖5. 在單出口方案下,氣流的入口速度達(dá)到20 m/s以上,但在熱流內(nèi)部由于空間的變化導(dǎo)致速度降低,其中在夾角區(qū)域位置僅為2 m/s,氣流完成循環(huán)后在出口時(shí),流速重新回到20 m/s. 在多出口結(jié)構(gòu)下,入口處氣流速度達(dá)到20 m/s,隨著氣流進(jìn)入流道速度降低,在氣流進(jìn)入風(fēng)門內(nèi)部時(shí),空間再次變大,此時(shí)速度降至2 m/s,氣流到達(dá)出口的速度回升至6 m/s.

圖5 兩種結(jié)構(gòu)下風(fēng)門中間截面的速度分布云圖

2.2 兩種方案?jìng)鳠嵝阅軐?duì)比

兩種方案下風(fēng)門溫度分布云圖見圖6. 可以清楚看出,在單出口方案下,入口管道、下側(cè)流道以及門板右側(cè)溫度高,達(dá)到316 K,其余位置溫度為314 K左右;在多出口方案下入口管道、二三流道溫度高,其余位置溫度低,且溫差較大。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)下風(fēng)門中間截面的溫度分布云圖

為了能夠更直觀地對(duì)比兩種風(fēng)門傳熱性能,通過面積加權(quán)均溫Ta,對(duì)單雙出口風(fēng)門的中間截面、前側(cè)、后側(cè)、頂板、底板以及左側(cè)、右側(cè),所有面進(jìn)行溫度的對(duì)比,均溫的計(jì)算公式見下:

(2)

式中:Ta為面積加權(quán)均溫;A為被測(cè)面的表面積;n為被測(cè)面的單元數(shù)。經(jīng)計(jì)算,單/雙出口結(jié)構(gòu)下7個(gè)截面的加權(quán)平均溫度數(shù)值見表2.

表2 單/多出口結(jié)構(gòu)下風(fēng)門7個(gè)平面Ta對(duì)比

根據(jù)表2的7個(gè)平面Ta對(duì)比值,單出口結(jié)構(gòu)下風(fēng)門的各個(gè)表面的Ta均高于多出口結(jié)構(gòu),證明單出口結(jié)構(gòu)的風(fēng)門傳熱性能更佳,同時(shí)風(fēng)門的各門板Ta實(shí)現(xiàn)從極端溫度到>310 K的提升。

綜上所述,單出口方案下氣流的流速更高,風(fēng)門門板的溫度更高且更均勻。因此,將單出口方案作為風(fēng)門設(shè)計(jì)的最終方案。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

龐龐塔煤礦開采煤層共9層,平均厚度為152 m,煤層總厚度為18.7 m,其通風(fēng)系統(tǒng)采用北區(qū)系統(tǒng)與主區(qū)系統(tǒng)的大聯(lián)合,主區(qū)使用抽出式通風(fēng)方式,包括3個(gè)進(jìn)風(fēng)井,其中將行人斜井的風(fēng)門分別替換為單、多出口結(jié)構(gòu)的風(fēng)門,在-20 ℃的室溫下,放置24 h后,分別對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)有系統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)切換時(shí)間,判斷結(jié)構(gòu)的適用性,數(shù)據(jù)見表3.

表3 切換時(shí)間對(duì)比

通過表3可見,單出口風(fēng)門方案以及多出口方案相較現(xiàn)有風(fēng)門結(jié)構(gòu)時(shí)間均有縮短,但單出口方案下通風(fēng)系統(tǒng)的切換時(shí)間較多出口結(jié)構(gòu)下縮短約25%. 證明單出口結(jié)構(gòu)風(fēng)門系統(tǒng)切換時(shí)間更短,能夠提升通風(fēng)系統(tǒng)切換效率,確保井下通風(fēng)的連續(xù)性以及穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

以龐龐塔煤礦現(xiàn)有的通風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,為解決由于氣溫低導(dǎo)致風(fēng)門結(jié)冰、開閉時(shí)間長等問題,按照現(xiàn)有的風(fēng)門形式設(shè)計(jì)防凍風(fēng)門同時(shí)針對(duì)配套的加熱裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式,對(duì)比單出口結(jié)構(gòu)方案與多出口結(jié)構(gòu)方案,結(jié)論如下:

1) 在單出口方案下,熱流入口速度與出口速度均達(dá)到20 m/s;在多出口結(jié)構(gòu)下,入口熱流速度為20 m/s,出口的流速僅為6 m/s,證明單出口結(jié)構(gòu)下熱流流速快。

2) 對(duì)比單出口結(jié)構(gòu)與多出口結(jié)構(gòu)下風(fēng)門中間截面的Ta值,單出口結(jié)構(gòu)下風(fēng)門各個(gè)表面的Ta均高于多出口結(jié)構(gòu),證明單出口結(jié)構(gòu)下風(fēng)門門板的溫度更高、更均勻。

3) 對(duì)比不同風(fēng)門結(jié)構(gòu)下通風(fēng)系統(tǒng)切換時(shí)間,單出口方案下通風(fēng)系統(tǒng)切換時(shí)間較多出口結(jié)構(gòu)下縮短約25%,較現(xiàn)有結(jié)構(gòu)縮短35%,證明單出口結(jié)構(gòu)風(fēng)門系統(tǒng)切換時(shí)間更短,提升了通風(fēng)系統(tǒng)切換效率。