脉动送风增强高温矿井空调散热散湿效果的理论分析.pdf

收稿日期2010- 01- 10 作者简介 张修峰 1976- , 男, 江苏徐州人, 讲师,2001年硕士研究生毕业于中国矿业大学, 现在徐州建筑职业技 术学院主要从事矿井安全技术、通风空调等方面教学与科研等工作。 脉动送风增强高温矿井空调 散热散湿效果的理论分析 张修峰, 涂 强 徐州建筑职业技术学院, 江苏 徐州 221008 摘 要 在高温矿井空调系统中, 不同的送风方式对工作面环境的舒适度和节能具有重要影 响。当采用脉动送风方式时, 由于脉动送风的风流速度的随机性,其加速度也不断地发生变化, 因此,具有不同密度的微团所获得的加速度也不同。温度高、湿度大的微团,密度小, 所获得的 加速度大;温度低、湿度小的微团,密度大,所获得的加速度小; 因此,脉动送风方式可使不同 温度和湿度的微团之间强烈的混合,提高风流的热扩散系数和湿扩散系数, 增强风流的散热散湿 能力,改善热舒适度。 关键词 脉动送风;舒适度; 扩散系数;散热散湿 中图分类号TD727 文献标识码B 文章编号1671- 0959 2010 10 009003 Theoretical analysis on pulsating ventilation to enhance heat andmoisture releasing capacity of air condition in high temperaturem ine ZHANG X iu- feng ,TU Q iang Xuzhou Institute of Architectural Techno logy ,Xuzhou 221008,China Abstract In the air condition syste m of the high temperature m ine ,the different ventilation modes would have an i mportant influence to the co m fortability and energy saving of the coal mining face environment .W hen the pulsating ventilation applied,due to the randomness of the air flow velocity in the pulsating ventilation,the accelerated velocity would be continually varied and thus the m icelle w ith different density would have the different accelerated velocity .The high te mperature and highmoisturem icelleswith a low densitywould have a high accelerated velocity .The low temperature and lo w moisture m icellesw ith a high density would have a low accelerated velocity .Therefore the pulsating ventilation mode could have a seriousmix ing bet ween the different te mperature andmoisturem icelles ,could i mprove the heat diffusion coefficient and the moisture diffusion coefficient of the air flow,could enhance the heat andmoisture releasing capacity of the air flow and i mprove the comfortability . K eywords pulsating ventilation;comfortability ,diffusion coefficient ;heat and moisture releasing 1 问题的提出 随着矿井的深部开采, 高温带来的问题越发突出。良 好舒适的工作面气候环境使人感到精神愉快、工作效率高, 降低人的不安全行为。研究表明, 舒适的环境可提高工作 效率 18 。通过改变送风方式, 从而降低空调能耗、提高 空调效果的研究也越来越受到空调领域研究人员的重视。 大量研究表明, 人体的舒适感觉除了与空调工作面的温度 及平均风速有关外, 而且与工作面气流的紊流度有关。 早在 20世纪 70年代人们就认识到, 只用气流的时间 平均速度作为评价舒适标准是不能正确反映其对热舒适及 工作效率的影响。 2 在稳态风流中, 热湿源在空调送风风流中的散 热、散湿过程 热、湿源表面与周围空气的热、湿交换有两种一种 是因为热湿源表面与周围空气之间存在温差和含湿量差引 起密度差异所产生的流动, 属于自由流动换热换湿; 另一 种是在风机的作用下将携带冷量的空气送入空调工作面, 形成冷风流对热湿源表面的受迫流动换热换湿。这两种方 式均使主风流与热湿源表面之间的热、湿交换划分为四个 区域 近壁底层区 1、近壁层流区 2、过渡流动区 3和主流 90 研究探讨 煤 炭 工 程 2010年第 10期 区 4, 如图 1所示。根据流体力学的理论和实验研究 [ 1], 风 流速度在近壁底层区域 1速度为零, 空气不流动, 热湿气 流在这个区域一般只能以分子扩散和温差热传导方式运移; 近壁层流区 2速度极小, 热湿气流在这个区域的运移方式 既有分子扩散和热传导, 又有对流扩散;过渡流动区 3速 度仍相对小, 在这个区域分子扩散和热传导仍不可忽略, 此外, 在这个区域还有对流扩散和无规则的紊流脉动扩散; 在主流区 4, 时均风速和无规则的脉动速度都有相对的较大 值, 该区域瓦斯对流运移和紊流脉动扩散运移占绝对优势, 而分子扩散和空气热传导作用可忽略, 沿速度方向有对流 作用, 垂直速度方向有紊流脉动扩散作用。因此, 从送风 口出来的热湿气流, 首先是以分子扩散和温差热传导方式 JM 1在近壁底层扩散; 如图 1所示, 然后在近壁层流区以分 子扩散和温差热传导了 JM2和对流扩散 JK2的方式进行扩散; 进入过渡流动区的热湿空气既以分子扩散和温差热传导 JM 3、又以对流扩散 JK3和紊流脉动扩散方式 JF3运移扩散; 最后进入主流区, 分子扩散和空气温差热传导可以忽略, 在对流扩散 JK4和紊流脉动扩散 JF4的作用下运移。如果风 流速度较大, 各个热湿气流扩散运移环节不出现阻碍, 热 湿气流就能迅速地在空调房间内扩散均匀化。如果某地点 某环节热湿气流扩散不畅, 则在某地点将出现热湿状况恶 化, 达不到空调的目的。 图 1 热湿气体扩散过程分析 当冷风流以定常流态进入空调工作面时, 主要以对流 运移方式驱散热湿空气, 实现降温降湿的目的, 但速度分 布较为均匀的定常风流, 其横向紊流脉动扩散作用较弱。 当横断面上温、湿度分布不均匀时, 即 局部区域热湿源 较为集中, 温、湿度较高, 而其它区域温、湿度较低 , 在 这种情况下, 流速较为均匀的定常风流难以实现空调房间 横断面上的温、湿度分布均匀化, 从而造成局部区域热湿 状况恶化 或者热、湿源所散发的热量和湿量没有被带走, 使该区域温、湿度超过空调标准; 或者冷风流所经过的空 间没有热湿源, 使该区域温、湿度低于空调标准。因此达 不到降温效果。 另外, 以分子扩散和空气热传导为主的在热、湿源表 面近壁低层区域, 由于分子扩散和空气热传导的能力最弱, 热湿空气不能与定常冷风流发生充分的混合,使热湿空气 在该区域该运移扩散环节形成积聚, 该区域的热量、湿量 散发不出去, 成为热湿源所产生的热量和湿量在定常冷风 流中进行扩散运移的 瓶颈 。从理论上讲, 解决这个问题 的有效途径是采取提高近壁底层区的热湿扩散系数或强度。 若采用脉动送风方式, 则风流的紊流度增大, 横向扩 散能力增强, 热湿气流扩散速度提高, 冷风与热风之间的 交换更加迅速, 不仅可消除空调工作面横断面上温、湿度 分布不均匀的现象, 而且可大大地提高近壁层流区的热湿 扩散系数或强度,解决偏离主风流流线的热湿源的热湿积 聚问题, 从而充分地发挥空调降温效果。 3 脉动风流增强散热散湿的分析 如上所述, 定常风流速度分布较为均匀, 紊流度较小, 横向扩散能力弱,不能使空调送风的冷风流与空调工作面 的热湿气流进行充分的热、湿交换, 也不能解决偏离主风 流流线的热湿源的热湿积聚问题, 而脉动送风方式可大大 地改善上述热湿交换状况。 31 脉动送风主风流中热湿空气与冷空气之间传 热传质机理分析 热湿源表面所散发的大量的热湿气流, 在分子扩散和 温差热传导作用下, 向主流区与热湿源表面的边界面上运 移扩散; 同时, 在脉动风流的横向脉动速度作用下,大量 地热湿气流进入到主风流中,在主风流中形成温差和含湿 量差, 如果主风流中风流速度脉动较大,则在脉动风流的 横向紊流脉动扩散作用下, 温差和含湿量差会很快消失, 温度、湿度在脉动风流中被迅速混合均匀化。 以脉动风流中体积为 V、温度为 t1、湿度为 d1的微团 1 和相邻的具有相同体积 V、温度为 t2、湿度为 d2的微团 2 作为研究对象, 如图 2所示。 图 2 脉动风流中不同温度、湿度微团受力分析 假设 微团 1和微团 2分别受到同一总风压 Fy和微 团之间的粘性阻力 FC作用;∀ 由于不同温度和湿度的微 团, 其密度不同,则加速度也不同。设微团 1的加速度为 a1, 密度为 1; 微团 2的加速度为 a2, 密度为 2。 根据牛顿第二定律, 可推出 a1 a21 2 / 1/ 2 2 1 式中,为 牵连 质量系数。值取决于气体微团 的形状, 对于球形体 05; 对于主副轴比为 21的椭 球体 02; 对于主副轴比为 61的椭球体 0045。 众所周知, 温度越高、湿度越大,其密度越小。而越 靠近热湿源表面, 温度越高、湿度越大。因此,微团 1的 温度或湿度大于微团 2的温度或湿度,即 1 2。在脉动 风流作用下, 由于脉动风流的脉动作用,使风流发生加速 运动和减速运动, 根据式 1可以看出, 加速运动时, 微 91 2010年第 10期 煤 炭 工 程 研究探讨 团 1密度较小所获得的加速度较大,而微团 2密度较大所 获得的加速度较小, 这样在微团 1和微团 2之间就会出现 一个速度差, 从而在微团 1的前面形成一个正压区,而在 它后面则形成一个负压区;∀ 减速运动时, 正好相反, 微 团 1所获得的减速度较大, 而微团 2所获得的减速度较小, 这样在微团 1和微团 2之间也会出现一个速度差, 从而在 微团 1的前面形成一个负压区, 而在它后面则形成一个正 压区。对于存在温度梯度和湿度梯度的脉动风流所流过的 横断面来说, 由于正压区和负压区的存在, 必然引起温度 和湿度不同的相邻微团在垂直于风流速度方向的空间运动, 而这种空间运动必然导致温度和湿度沿温度和湿度降低的 方向迁移。所以脉动风流可以使温、湿度不同的冷热空气 强烈地混合, 从而消除温度和湿度分布不均匀的状态, 达 到空气调节的目的。 32 在脉动风流作用下偏离风流流线的热、湿源 传热传质机理分析 [ 2] 在脉动风流作用下,偏离风流流线的热湿源热湿空气 向流动区的扩散通常有两种方式, 即 分子扩散和热传 导;∀ 脉动对流扩散。 由于脉动风流作用,偏离风流流线的热湿源所散发的 热湿空气在垂直于风流方向的位移随时间 t呈周期性变化。 这种位移的变化过程也就是热湿空气的扩散过程, 当垂直 于主风流方向的位移变化 dy /dt u∃ 0时, 偏离风流流线的 热湿源所散发的热湿气体向外扩张, 热湿气体进入主流区 被风流带走; 在 dy /dt u 0时, 偏离风流流线的热湿源所 散发的热湿气体向内收缩, 主流区的风流被带入偏离风流 流线的热湿源附近, 使热湿源附近积聚的高温高湿气体与 带入的冷风流发生热湿交换,从而降低偏离风流流线的热 湿源附近空气的温度、湿度。这种热湿源传热传质方式大 大强于分子扩散和温差传热。 脉动风流对于偏离风流流线的热湿源区域的向外扩张 和向内收缩, 使得热湿源附近积聚的高温高湿气体不断的 涌入主流区被主风流所带走,也不断的与从主流区所带入 的冷风流发生热湿交换, 如此循环往复,从而使偏离风流 流线的热湿源附近达到降温降湿的目的。 4 实验分析 为了验证脉动送风方式可提高散热散湿效果、消除局 部热湿气体积聚以及考查对人体舒适度的影响, 安排了三 组实验 稳态风流, 风速为 04m /s , 送风温度 27 ;∀ 脉动风流, 平均风速 04m /s , 风速变化范围为 03 05m / s , 送风温度 27 ; 而平 均口腔温度则稍微增大后渐渐减少, 这四种方式之间不存 在明显差别。但他们对不同送风方式的冷热感觉有明显的 差别。脉动送风方式的风流给人的感觉较冷, 当脉动送风 的风流速度振幅较大时, 则给人的感觉会更冷。这充分说 明了脉动送风方式使人体在风流中的散热散湿速度明显增 大。从被试人员的舒适感觉来说, 从高温高湿环境进入空 调房间后, 很快就感觉舒适的风流状态是脉动送风, 但随 时间的延长, 被试者希望脉动风流的幅值和频率应有所降 低, 这充分说明人体所散发的热湿量大小及穿着状况, 与 脉动风流的幅值和频率相对应,否则, 人体会感觉风流较 冷而不舒适。通过测定稳态送风和脉动送风条件下电热器 附近的温度分布, 发现脉动送风条件下,温度分布较为均 匀, 而稳态送风时电热器附近空气温度较高。 5 结 论 1 通过理论分析, 定常送风系统横向扩散能力较弱, 不易消除风流横断面上所存在的温、湿度分布不均匀现象 和驱散偏离主风流流线的局部积聚的热湿空气。 2 通过理论分析, 脉动送风系统具有很强的横向扩散 能力, 易于消除风流横断面上所存在的温、湿度分布不均 匀现象和驱散偏离主风流流线的局部积聚的热湿空气。 3 通过实验分析, 进一步验证了以上的理论分析结 论, 因此, 可以得出最后结论 针对不同的散热散湿状况, 采取不同频率和振幅的脉动送风方式, 可提高热湿源的散 热散湿速度, 降低空调的能耗, 同时提高空调环境中人的 舒适度。 参考文献 [ 1] 吴望一.工程流体力学[ M ].北京 北京大学出版社, 2004 . 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