田峰,王海橋*,方璐綺,樊思雨,蔣加川,劉銳鴻

(1. 湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;3. 深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司 凡口鉛鋅礦, 廣東 韶關(guān) 512300)

礦井排風(fēng)中蘊(yùn)含著大量低品位能量,直接排放不僅造成環(huán)境污染,更造成了能源浪費(fèi),因此,余熱提取技術(shù)必不可少[1-4].目前,在礦井排風(fēng)余熱回收過程中,噴淋換熱方式在國(guó)內(nèi)外得到廣泛使用[5].噴淋過程不僅能降低排風(fēng)溫度[6],而且具有除塵能力[7-8].礦井排風(fēng)與噴淋水的熱交換過程類似于濕空氣與水的熱交換,既有由于溫度差造成的顯熱交換,又有由于焓差引起的潛熱交換[9].噴淋室內(nèi)濕空氣-水的熱濕交換受濕空氣參數(shù)、水參數(shù)、噴淋水滯留時(shí)間、噴淋室結(jié)構(gòu)、噴淋方向等多種因素的影響[10-12].

為了分析和優(yōu)化不涉及熱功轉(zhuǎn)換的傳熱過程,過增元等[13-14]提出了“火積”耗散原理,證明當(dāng)“火積”耗散達(dá)到極值時(shí),傳熱性能最優(yōu);陳群[15]建立了“火積”理論—用于分析傳熱傳質(zhì)過程和優(yōu)化蒸發(fā)冷卻過程,建立了“火積”耗散方程—用于空氣與水直接接觸式換熱,也適用于噴淋換熱.針對(duì)空氣-水熱濕傳遞過程中,存在顯熱傳遞溫差和傳質(zhì)含濕量差,江億等[16]提出顯熱“火積”損失或濕“火積”損失,并認(rèn)為“火積”損失永遠(yuǎn)為正,總“火積”損失是過程微元傳遞“火積”損失的總和.

1 噴淋熱濕傳遞過程“火積”分析

對(duì)噴淋室內(nèi)空氣-水傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象中空氣側(cè)吸熱能力進(jìn)行分析研究,提出濕空氣“火積”,用于表征濕空氣傳遞熱量的能力.在數(shù)值上,濕空氣“火積”等于濕空氣熱量“火積”與濕度“火積”之和[17].當(dāng)以環(huán)境溫度t0(單位:℃)下的飽和空氣為狀態(tài)參考點(diǎn)(p0,t0,d0)時(shí)(p0為大氣壓,d0為含濕量),濕空氣“火積”表示為

(1)

式中:Ja為濕空氣的“火積”;Jh為濕空氣的熱量“火積”;Jw為濕空氣的溫度“火積”;G為空氣流量,kg/s;cp為空氣的定壓比熱,取1.004 kJ/(kg·K);Ta為空氣的干球溫度,K;γ為汽化潛熱,取2 257.2 kJ/kg;Tb為空氣的露點(diǎn)溫度,K;d為空氣含濕量,g/kg.

空氣流量的計(jì)算式為

(2)

式中:u為空氣流速,m3/s;B為當(dāng)?shù)卮髿鈮?Pa;φ為相對(duì)濕度;Ps為飽和蒸氣壓,Pa.

飽和蒸氣壓的計(jì)算式[18]為

(3)

式中:e1為15.233 116 19;e2為-2 806.323 803 14;e3為-0.009 878 99;e4為7.035 1×10-6.

露點(diǎn)溫度的計(jì)算式[19]為

(4)

含濕量的計(jì)算式為

(5)

在噴淋過程發(fā)生前,濕空氣干球溫度為Ta1,相對(duì)濕度為φ1,則根據(jù)式(1)～式(5),可得噴淋前濕空氣“火積”為

(6)

在噴淋過程發(fā)生后,濕空氣干球溫度為Ta2,相對(duì)濕度為φ2,則根據(jù)式(1)～式(5)可得噴淋后濕空氣“火積”為

(7)

噴淋換熱效率為噴淋換熱前濕空氣“火積”與噴淋換熱后濕空氣“火積”的差值與噴淋換熱前濕空氣“火積”的比值,即

(8)

2 噴淋換熱效率算例確定

在礦井實(shí)際工作工程中,礦井排風(fēng)溫度、相對(duì)濕度基本趨于穩(wěn)定.因此,在礦井噴淋余熱回收過程中,影響礦井排風(fēng)中濕空氣“火積”的主要因素為外部環(huán)境條件.為了分析外部環(huán)境條件對(duì)噴淋換熱效率的影響,本文通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)[20],對(duì)長(zhǎng)沙市噴淋換熱前、后濕空氣“火積”進(jìn)行逐時(shí)計(jì)算,從而得出逐時(shí)換熱效率.

2.1 空氣側(cè)始末狀態(tài)確定

熊慧玲實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為湘潭市湖南科技大學(xué),實(shí)驗(yàn)裝置為熱能回收模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái),其中,模擬噴水裝置總噴水量為16 819.2 kg/h,即16.819 m3/h;風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為14 016 m3/h,即3.89 m3/s.

表1 熱能回收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[21]

2.2 外部環(huán)境條件

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為湘潭市,但中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)湘潭市數(shù)據(jù),因此,導(dǎo)出相鄰于湘潭市的長(zhǎng)沙市典型氣象年逐時(shí)參數(shù),提取出“火積”計(jì)算時(shí)所需因素:大氣壓、大氣干球溫度、大氣含濕量.

2.3 噴淋換熱效率

將2.1節(jié)、2.2節(jié)數(shù)據(jù)分別代入式(6)、式(7)中,計(jì)算得出熱能回收模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)噴淋換熱前濕空氣“火積”、噴淋換熱后濕空氣“火積”;再將其代入式(8),得出該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的逐時(shí)噴淋換熱效率,共5 040組數(shù)據(jù).

3 計(jì)算結(jié)果與討論

由中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)可知,大氣干球溫度與含濕量?jī)烧叨茧S著氣候的變化而改變,且兩者相互獨(dú)立.而“火積”在計(jì)算過程中同時(shí)受到兩種因素的相互影響,因此,噴淋換熱效率的主要因素為大氣干球溫度和大氣含濕量.

3.1 大氣干球溫度對(duì)換熱效率的影響

根據(jù)篩選所得5 040組數(shù)據(jù)繪制圖1,由圖1可知,大氣干球溫度在-5～16 ℃時(shí),隨著大氣干球溫度的增加,噴淋換熱效率逐漸增加;在16～25 ℃時(shí),隨著大氣干球溫度的增加,噴淋換熱效率逐漸減小.當(dāng)溫度大于20 ℃時(shí),噴淋換熱效率逐漸小于60%.

圖1 大氣干球溫度與效率關(guān)系

3.2 含濕量對(duì)換熱效率的影響

根據(jù)篩選所得5 040組數(shù)據(jù)繪制圖2,由圖2可知,大氣含濕量在2.0～10.5 g/kg時(shí),隨著大氣含濕量的增加,噴淋換熱效率逐漸增加;大氣含濕量在10.5～16.0 g/kg時(shí),隨著大氣干球溫度的增加,噴淋換熱效率逐漸減小；大氣含濕量在8～12 g/kg時(shí),有少部分?jǐn)?shù)據(jù)組換熱效率小于60%;大氣含濕量大于12 g/kg時(shí),逐漸有越來(lái)越多數(shù)據(jù)組換熱效率小于60%.

圖2 大氣含濕量與噴淋換熱效率關(guān)系

3.3 噴淋換熱效率的確定

根據(jù)篩選所得5 040組數(shù)據(jù)繪制圖3,由圖3可知,隨著大氣干球溫度和大氣含濕量的增加,噴淋換熱效率先逐漸增加至最高點(diǎn),此時(shí),大氣干球溫度為15 ℃,大氣含濕量為10.59 g/kg，隨后,噴淋換熱效率逐漸降低.

圖3 大氣干球溫度、含濕量與效率的關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可知,所篩選出的5 040組數(shù)據(jù)中,噴淋換熱效率小于60%的僅有351組數(shù)據(jù).因此,在礦井噴淋換熱工程經(jīng)濟(jì)預(yù)評(píng)估中,噴淋換熱效率可采用定值60%.

4 結(jié)論

1)利用“火積”理論,得到了換熱效率計(jì)算公式.

2)大氣干球溫度小于20 ℃且大氣含濕量小于12 g/kg時(shí),噴淋換熱效率相對(duì)穩(wěn)定,基本高于60%.

3)所得結(jié)論,可為直接噴淋式礦井排風(fēng)熱濕能量提取及其工程經(jīng)濟(jì)技術(shù)預(yù)評(píng)估提供量化依據(jù).