大学生科技创新作品——高温高湿流体废热回收装置模型与模拟分析

1、参赛团队：建筑工程学院参赛团队：建筑工程学院-换热器实验小组换热器实验小组指导老师：牛永胜指导老师：牛永胜 李琼李琼高温高温高湿流体废热回收装高湿流体废热回收装置模型制作与模拟分析置模型制作与模拟分析2012年国家学生科技创新项目结题报告年国家学生科技创新项目结题报告目目录录项目研究的背景项目研究的背景研究的内容及意义研究的内容及意义研究的思路手段方法研究的思路手段方法项目总结与展望项目总结与展望换热器实验小组换热器实验小组项目研究成果展项目研究成果展示示矿井回风矿井回风废热利用废热利用技术应用技术应用现状现状1直接接触直接接触式热湿交式热湿交换研究现换研究现状状2模型试验模型试验研究现状研究

2、现状3回风换热回风换热器器数值数值模模拟现状拟现状4项目研究的背景项目研究的背景换热器实验小组换热器实验小组项目研究的背景项目研究的背景21 环境污染严重，绿色节能刻不容缓环境污染严重，绿色节能刻不容缓余热回收领域技术框架尚不完整余热回收领域技术框架尚不完整响应国家节能减排规划的政策响应国家节能减排规划的政策煤矿回风存在能源浪费问题煤矿回风存在能源浪费问题换热器实验小组换热器实验小组研究大背景换热器实验小组换热器实验小组矿井回风废热利用技术应用现状矿井回风废热利用技术应用现状矿井回风废热利用技术应用现状矿井回风废热利用技术应用现状热泵 技术建筑建筑采暖采暖职工职工洗浴洗浴井筒井筒防冻防冻技术优

3、势热泵回收系统效热泵回收系统效率高率高系统节能、环保系统节能、环保系统简洁、热泵系统简洁、热泵机组成熟，可靠性机组成熟，可靠性较高较高换热器实验小组换热器实验小组直接接触式热湿交换研究现状直接接触式热湿交换研究现状国外国外国内国内热湿热湿交换交换双膜理论圆管内气液交换湿空气动量守恒方程、焓方程、温度变化方程研究蒸发式冷却器流量，温度效率之间关系湿帘降温系统降温增湿模型喷水室顺逆喷水空气全热交换模型试验研究现状模型试验研究现状研究依据研究依据几何几何相似相似运动运动相似相似动力动力相似相似回风换热器数值模拟现状回风换热器数值模拟现状确定模型比例尺寸确定模型比例尺寸GambitGambit网格划分

4、网格划分FluentFluent模拟计算模拟计算分析得出结论分析得出结论内容一内容一内容二内容二内容三内容三 换热器实验小组换热器实验小组依据现行普通风速依据现行普通风速（迎风面风速（迎风面风速6m/s及以下）矿及以下）矿井回风换热器的热井回风换热器的热工性能、阻力特性、工性能、阻力特性、除尘效率进行模型除尘效率进行模型试验搭建，并提出试验搭建，并提出试验设计方案试验设计方案应用应用fluent软件软件采用采用DPM模型和模型和多相流模型对温多相流模型对温度场、湿度场等度场、湿度场等进行数值分析，进行数值分析，计算出风参数和计算出风参数和换热量换热量矿井回风换热器矿井回风换热器热湿交换理论研热

5、湿交换理论研究及换热器热湿究及换热器热湿交换的影响因素交换的影响因素的分析的分析2研究的内容和意义研究的内容和意义研究的内容研究的内容换热器实验小组换热器实验小组研究的意义研究的意义通过理论分析，模型试验研究及数值模拟得出效率最高的换热器模型通过模型试验和数值模拟的研究来指导实际生活中矿井废热的回收从而达到节能减排的目的3研究的思路手段和方法研究的思路手段和方法换热器实验小组换热器实验小组3理论研究理论研究与分析与分析应用应用fluent软件分析软件分析统计数据，综合分析，得出结论统计数据，综合分析，得出结论模型试验模型试验台制作台制作理论研究与分析理论研究与分析理论理论研究研究热湿热湿交换交

6、换理论理论热湿交换热湿交换数学建模数学建模热湿交热湿交换效率换效率热交换热交换系数系数模型试验台制作模型试验台制作模型模型试验试验台制台制作方作方案图案图示示基本功能基本功能能在全年实现真实模拟矿井回风换热器热湿处理过程可以对现行普通低速（迎风面风速6m/s及以下）矿井回风换热器热工性能、阻力特性、除尘效率进行检测测试换热断面风速在2-12m/s范围内可调，且可实现对矿井回风换热器各项性能进行试验测试123工艺组成工艺组成测量控制系统换热器测试段空气预处理段冷热源系统序号序号材料名称材料名称规规 格格单单位位数数量量备注备注1 1热泵机组热泵机组（冷热）（冷热）制热量制热量25.4KW25.4

7、KW制冷量制冷量22.9kW22.9kW功率功率5.2kW5.2kW台台1 1为了体积更小，要求为了体积更小，要求使用板式换热器。使用板式换热器。2 2不锈钢板不锈钢板12201220* *24402440* *1.01.0张张11112012013 3槽钢槽钢10#10#米米1212 4 4角钢角钢5050* *5050* *4 4米米1212 5 5回风换热喷回风换热喷淋循环泵淋循环泵流量流量1.73m3/h,1.73m3/h,扬程扬程23.2mH2O23.2mH2O，功率，功率0.75kW0.75kW台台2 2 6 6热泵机组循热泵机组循环泵环泵流量流量2.3m3/h,2.3m3/h,扬

8、程扬程7mH2O7mH2O，功率功率0.18kW0.18kW台台2 2 7 7末端循环泵末端循环泵流量流量4.2m3/h,4.2m3/h,扬程扬程12mH2O12mH2O，功率功率0.75kW0.75kW台台2 2 8 8末端换热器末端换热器风量风量2000m3/h2000m3/h制热量制热量28.7Kw,28.7Kw,制冷量制冷量30.6kW30.6kW台台1 1 9 9轴流风机轴流风机300400pa300400pa台台2 2 主要设备主要设备1010挡水板挡水板 1111喷头喷头 个个1010 1212加湿器加湿器电极加湿器。加湿量电极加湿器。加湿量10kg/h10kg/h台台1 1 1

9、313加热器加热器电加热器，制热量电加热器，制热量4kW4kW台台2 2 1414流量计流量计毕托管流量计毕托管流量计个个2 2测风流量测风流量1515流量计流量计水表水表DN25DN25个个1 1测喷淋水量测喷淋水量1616温度表温度表温度表温度表DN25DN25个个1 1测喷水温度测喷水温度1717温度计温度计普通玻璃管温度计普通玻璃管温度计个个2 2测风温测风温1818插板阀插板阀250250* *250250个个2 2 1919插板阀插板阀400400* *400400个个1 1 2020截止阀截止阀DN32DN32，DN25DN25，DN20DN20个个若若干干 2121浮球阀浮球阀

10、 个个1 1 2222配电箱配电箱 2323自动补水阀自动补水阀 个个2 2 2424搅拌器搅拌器个个1 1搭建过程展示搭建过程展示实验设计方案实验设计方案矿井回风入口湿空气初始干湿球温度出风口处的干湿球湿度测试和速度分布测试喷淋水的初终温度的测试主要主要测试测试参数参数通过焓差分析和双效率法分析得出实验结论实验测点布置实验测点布置基本参数测试点布置图基本参数测试点布置图出风口回风风速、温度测试点出风口回风风速、温度测试点Fluent数值模拟计算数值模拟计算数值模拟数值模拟Fluent简介模型假设DPM模型湍流模型边界条件FluentFluent简介简介模型假设模型假设回风换热器模型中流动的的

11、流体是具有粘性的非理想流体假设水和空气的各项物性参数为常数，且气流为不可压缩的定常流动流体的流动假设为湍流流动，既符合湍流模型DPMDPM模型介绍模型介绍DPM模型是以欧拉拉格朗日方法为基础建立的。它把流体作为连续介质，在欧拉坐标系内加以描述，对此连续相求解输送方程，而把雾滴颗粒群作为离散体系，通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道，可以计算出这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递湍流模型介绍湍流模型介绍 FLUENT为湍流计算提供了多种模型：Spalart-Allmaras、k-、SST、V2F、RSM、SAS、DES、LES等。矿井回风换热器使用k-模型。该模

12、型的计算方程是在单方程的基础之上，引入了一个关于湍动耗散率的方程。模型为双方程模型，分为三种：Standard 模型、RNG 模型、Realizable 模型。三种模型的方程都有相同的形式，其主要的区别是：1、各自计算湍流黏性系数的方法不同；2、控制湍流扩散的湍流动能和耗散率的湍流Prandtl数不同；3、方程中的产生项和消耗项关系不同。k边界条件边界条件进口湿空气的温度与速度、相对湿度、进口的静压值湿空气的进口边界条件为速度进口，出口边界条件为压力出口。水滴与换热器壁发生弹性或者非弹性碰撞而反射，水滴碰到换热器壁处发生逃逸，水滴被换热器壁捕获，此时水滴将在此边界处完全蒸发模拟研究成果展示模拟研究成果展示无喷水条件无喷水条件下模拟展示下模拟展示残差收敛曲线速度分布云图4喷水后喷水后模拟展示模拟展示残差收敛曲线湿空气速度云图矿井回风换热器的优化矿井回风换热器的优化高度高度h的优化的优化改变高度h后空气残差收敛曲线改变高度h后的空气速度云图改变高度h后湿空气残差收敛曲线改变高度h后的湿空气速度云图外轮廓线半外轮廓线半径的优化径的优化改变轮廓半径后的湿空气残差收敛曲线改变轮廓半径后的湿空气速度云图入口风速入口风速的优化的优化入口风速2.5m/s的湿空气残差收敛曲线入口风速2.5m/s的湿空气速