基于Fluent的通風系統防凍風門導熱結構優化

王亞棟

(呂臨能化公司 龐龐塔煤礦, 山西 臨縣 033299)

礦井通風系統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,并通過一定的風速為井下設備降溫,以確保煤礦的安全生產。隨著礦井工作面的不斷延伸,需要的風量不斷增加,風機數量相應增加。一般情況下需要兩臺主通風機交替使用,在切換時,通風系統需要調整主通風風門,實現兩個主通風系統的切換。因此,一個穩定可靠的主通風風門是保證系統順利切換的關鍵。

龐龐塔煤礦地處北方,冬季氣溫較低,風門結冰的現象較為常見,此時自動開合裝置失靈,需要人工輔助,因此通風系統切換的時間較長,在處理結冰過程中,風門開口不足,將會影響井下的正常通風,帶來井下瓦斯升高的隱患。為此,設計防凍風門結構,通過Fluent軟件與試驗驗證相結合的方式,對防凍風門結構進行優化。

1 防凍風門總體設計

為防止風門在冬季因為結冰問題導致系統切換時間加長,影響井下生產,需要保證風門門板的各部位在極端天氣下仍能保持15 ℃,受熱氣流在風門內部傳導方式的影響,門板受熱不均勻,存在溫度較低的部位,影響風門的整體抗凍性。山西呂梁地區冬季的最低溫度能達到-20 ℃,在進行加熱裝置的選型設計時將目標溫度定為20 ℃,其選型計算見下:

(1)

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

經計算,為保證風門門板的溫度,需要加熱裝置的功率在36 kW.

通風機以及加熱裝置結構示意圖見圖1. 通風機通過管徑的變化形成氣流,提供風量,選用1.5 kW的通風機,其中電動機的型號采用Y90 s-2 (B35),能夠實現變頻調速,可以調節的風量是100～2 350 m3/h,可提供的風壓為600～1 000 Pa. 為了減少氣流的損耗,在通風機的進風口安裝集流器,提升通風機效率。該裝置主要是對通風機輸出的風流加熱。為了確保氣流能夠充分加熱,在加熱裝置內分別設有一級導流板、二級導流板,將氣流進行分流后帶入內腔完成加熱,通過出風口將熱流送至門板,進行門板的加熱。為了更好地監控調節裝置內部的溫度,在裝置的進出口以及內腔中分別布置測溫點,同時采用PID控制器進行溫度的調節,實現裝置的遠程控制。

1—離心式通風機; 2—變徑管道; 3—接口法蘭; 4—進口測溫點;5—防爆盒; 6—接線孔; 7—內腔測溫點; 8—出口測溫點; 9—出風口; 10—加熱裝置內腔; 11—W型翅片加熱管; 12—保溫層; 13—第一級導流板; 14—第二級導流板; 15—進風口; 16—支架

在確定好風機以及加熱裝置后,在現有側開門的基礎上,對風門內部的傳熱結構進行設計,經過對比,最終確定了兩個設計方案,兩方案的外形尺寸、加熱方案等一致,僅是在熱流進出風門的方式上不同。通過流場以及傳熱等的對比最終確定龐龐塔煤礦防凍風門的設計優化方案。

1.1 單出口防凍風門設計

單出口加熱方案,即在風門一側使用上述風機以及加熱裝置為風門輸入熱流,熱流通過管道進入風門內部,經過內部的循環管道,最終通過出風管道將氣流排除,在風門內部始終有熱流流動,同時在管道接口位置安裝有閘閥,能夠調整熱流的流向,其結構設計圖見圖2. 此設計的風門使用頂部懸掛的方式,兩側通過鋼絲繩進行傳動,在風門的頂底部安裝有限位輪以及行走輪,在前后兩側粘貼密封膠條,保證風門的保溫性,還能減小碰撞,保證平穩運行。在風門下部鋪設排水管,在管外有帶保溫層的加熱裝置,保證積水可以及時排除。

1—左箱體; 2—回風管道; 3—鋼絲繩; 4—定滑輪; 5—限位輪; 6—主通風機風筒; 7—右箱體; 8—風門門板;9—行走輪; 10—行程指示器; 11—變徑風筒; 12—法蘭; 13—水泥風道; 14—電動執行器; 15—閘閥; 16—加熱裝置; 17—離心式通風機; 18—排水閥門; 19—進風管道; 20—穿線管

1.2 多出口防凍風門設計

多出口加熱方案,在風門的箱體下部布置固定的進口流道,熱流通過門板上7個喇叭口狀的進風口,對應在門板的頂部布置7個出風口。在工作過程中氣流經過加熱后通過進風流道進入門板中,在門板內部導流板的作用下,熱流對門板進行加熱,最后7個通道的熱風分別沿著7個出風口排出。多出口防凍風門結構設計見圖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—進風口; 8—風門門板; 9—右箱體; 10—行程指示器; 11—電動執行器; 12—水泥風道; 13—變徑風筒; 14—左風筒; 15—右風筒

2 基于Fluent對比兩種防凍風門傳熱性能

鑒于目前數值模擬分析準確度較高,通過數值模擬的方式選擇一種效果最佳的防凍風門結構。通過在Creo軟件中簡化兩種結構模型,在ICEM-CFD軟件中進行網格劃分,使用Fluent流體仿真軟件進行模擬。為了排除網格劃分對仿真結果的影響,進行不同網格數量以及尺寸下模擬結果的對比,最終確定單出口網格數量380.23萬,多出口網格數量為428.21萬。兩種結構的網格劃分模型見圖4.

圖4 單/雙出口結構的網格劃分模型

完成網格劃分后,需要在Fluent軟件中完成邊界條件設置,兩種結構的模擬均使用模擬湍流效果好、各向異性高的RNG k-ε湍流模型進行模擬。環境溫度設置為252 K,兩個方案的邊界條件設置見表1.

表1 兩種方案的邊界條件設置

2.1 兩種方案流場速度對比

不同方案下風門的速度分布云圖見圖5. 在單出口方案下,氣流的入口速度達到20 m/s以上,但在熱流內部由于空間的變化導致速度降低,其中在夾角區域位置僅為2 m/s,氣流完成循環后在出口時,流速重新回到20 m/s. 在多出口結構下,入口處氣流速度達到20 m/s,隨著氣流進入流道速度降低,在氣流進入風門內部時,空間再次變大,此時速度降至2 m/s,氣流到達出口的速度回升至6 m/s.

圖5 兩種結構下風門中間截面的速度分布云圖

2.2 兩種方案傳熱性能對比

兩種方案下風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、下側流道以及門板右側溫度高,達到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 兩種結構下風門中間截面的溫度分布云圖

為了能夠更直觀地對比兩種風門傳熱性能,通過面積加權均溫Ta,對單雙出口風門的中間截面、前側、后側、頂板、底板以及左側、右側,所有面進行溫度的對比,均溫的計算公式見下:

(2)

式中:Ta為面積加權均溫;A為被測面的表面積;n為被測面的單元數。經計算,單/雙出口結構下7個截面的加權平均溫度數值見表2.

表2 單/多出口結構下風門7個平面Ta對比

根據表2的7個平面Ta對比值,單出口結構下風門的各個表面的Ta均高于多出口結構,證明單出口結構的風門傳熱性能更佳,同時風門的各門板Ta實現從極端溫度到>310 K的提升。

綜上所述,單出口方案下氣流的流速更高,風門門板的溫度更高且更均勻。因此,將單出口方案作為風門設計的最終方案。

3 試驗驗證

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,其通風系統采用北區系統與主區系統的大聯合,主區使用抽出式通風方式,包括3個進風井,其中將行人斜井的風門分別替換為單、多出口結構的風門,在-20 ℃的室溫下,放置24 h后,分別對比兩種結構以及現有系統通風系統切換時間,判斷結構的適用性,數據見表3.

表3 切換時間對比

通過表3可見,單出口風門方案以及多出口方案相較現有風門結構時間均有縮短,但單出口方案下通風系統的切換時間較多出口結構下縮短約25%. 證明單出口結構風門系統切換時間更短,能夠提升通風系統切換效率,確保井下通風的連續性以及穩定性。

4 結 語

以龐龐塔煤礦現有的通風系統為研究對象,為解決由于氣溫低導致風門結冰、開閉時間長等問題,按照現有的風門形式設計防凍風門同時針對配套的加熱裝置進行設計。通過數值模擬與試驗驗證相結合的方式,對比單出口結構方案與多出口結構方案,結論如下:

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

2) 對比單出口結構與多出口結構下風門中間截面的Ta值,單出口結構下風門各個表面的Ta均高于多出口結構,證明單出口結構下風門門板的溫度更高、更均勻。

3) 對比不同風門結構下通風系統切換時間,單出口方案下通風系統切換時間較多出口結構下縮短約25%,較現有結構縮短35%,證明單出口結構風門系統切換時間更短,提升了通風系統切換效率。