1、Impact of storage tank leakage heightand orientation on gas diffusionSHEN Zeya,LANG Jianlei,MAO Shushuai,CAI Bin,ZHENG Haisheng(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:In this paper,the impacts of storage tank leakage
2、heights and orientation on gas diffusion were investigated.Firstly,a tracer-gas(SF6)field experiment was conducted in atypical chemical industrial park.Online and offline methods wereemployed to set up three real-time meteorological sensors and 25gasconcentrationmonitoringsites.Then,theauthenticmeas
3、urements of meteorology and pollutants concentration werecollected,respectively.A full-scale three-dimensional model ofthe chemical industrial park was established by the SpaceClaimcode.The hybrid polyhedral-hexahedral grids were generated bythe Meshing module of the Fluent 20R2 version.The simulati
4、onresults(concentration and wind condition)of turbulence modelswere compared and analyzed based on the experimental data.The results show that the Realizable k model has a goodagreement with measurements.On that basis,13 differentleakage cases were simulated and analyzed by changing leakageheight an
5、d orientation.The gas distribution characteristics ofdifferent cases were analyzed and the relationship betweenemission heights and maximum ground mass concentration wasfitted.It is found that the downstream mass concentration ofupwind leakage is much larger(23 orders of magnitude)thanthat of downwi
6、nd leakage,and the lateral diffusion range is muchlarger.For the case of upwind leakage,logarithmic massconcentration(the value of maximum ground mass concentrationafter logarithmic treatment)generally presents a nonlineardownward trend with the leakage height increasing.When theleakage height is cl
7、ose to the tank top,the maximum groundmass concentration is located on the leeward side of thedownwind tank,and the leakage at other heights is located belowthe leakage source.For the case of downwind leakage,itpresents a linear downward trend,and the maximum ground massconcentration is located belo
8、w the leakage source when it is lessthan half the height of the tank;It is generally a nonlineardownward trend and the maximum ground mass concentration islocated around the downwind storage tank when it is greater thanhalf height of the tank.The results can help to understand thepollutant diffusion
9、 law of multiple leakage accident scenarios in achemical industrial park and provide a reference for accidentdisposal.Key words:safety engineering;tank leakage;gaseous diffusion;field experiment;small scale文章编号:1009-6094(2023)06-2042-09排风流与喷淋液滴的流动及传热特性研究陈世强1,2,李 瑾1,张艺才2,吴志荣1,樊思雨2,吴 涛3,戚子特3(1 湖南科技大学资
10、源环境与安全工程学院,湖南湘潭 411201;2 湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 411201;3 冀中能源股份有限公司东庞矿,河北邢台 054000)摘 要:为研究矿井排风与喷淋液滴的对流传热过程,构建了喷淋扩散塔模型,通过 CFD 对喷淋液滴流动及传热过程进行仿真。首先,分析了扩散塔中连续相、离散相速度场;随后,以单液滴运移过程为基础,结合理论公式,得到了液滴所受单位质量曳力、Nu 模拟值及理论值;最后,针对液滴群传热过程,分析了液滴运移轨迹、温度变化规律及传热热流量。结果表明:排风在出口内轮廓线边角处达到最大速度时,风吹损失的液滴从出口内轮廓线边角处逃逸;上喷液滴的 Nu模拟值及理论
11、值变化规律相似,两者相互验证,表现为在上升阶段随高度增加而减小,下降阶段出现振荡趋势;当液滴粒径小于 0.8 mm 时,传热主要受粒径影响,当液滴粒径超过0.8 mm 时,传热受粒径和喷淋速度两者共同影响;考虑风吹水损率、捕集液滴温度标准偏差及传热热流量,液 气速度比0.5,液滴粒径 1.2 mm,热回收效果最好。关键词:环境工程学;喷淋液滴;网格无关性检验;风吹水损率;液 气速度比;传热热流量中图分类号:X752 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2022.0398收稿日期:20220314作者简介:陈世强,教授,从事地下空间通风安全、空气净化与装备节
12、能的研究,shiqiangchen 。基金项目:国家自然科学基金项目(51774134);交通运输部交通运输行业重点科技项目(2021MS5126);广西交通运输行业重点科技项目(桂交便函2021148 号 18)0 引 言随着能源供应紧张和环境污染问题日趋严重,煤矿行业作为我国能源支柱产业,在进行井下通风时,因地热能影响,全年排风温、湿度基本保持恒定(温度 20 左右,湿度90%左右),为促进“双碳”战略与煤矿行业转型升级发展有机融合,提高矿井排风热能回收技术,对于我国“双碳”战略的推进,具2402第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Sa
13、fety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023有重要的现实意义1 2。喷淋式矿井排风热回收装置采用气 液直接接触的方式,增大换热面积,提高热湿交换效率,且运行时能去除排风中的大部分粉尘,降低排风时主通风机产生的噪声,实现节能、减排、降噪3 6。目前,国内外学者针对气 液间的流动及传热传质开展了大量研究。2001 年,Cheng 等7和杜春涛等8提出,在热量提取过程中,液滴参数是影响喷淋系统换热的决定性因素,再通过数值计算,讨论了液滴温度,对装置热回收效率的影响。针对矿井排风喷淋热回收装置,2012 年,杜春涛等8、Tian 等9、杜昕松等10、张同望等11建
14、立传热传质模型,采用仿真及数值求解方法,得到液滴温度变化,分析换热性能影响因素。2015 年,陈世强等12对比上、下喷式对液滴运动距离的影响,利用 MATLAB 软件数值积分,建立上喷式液滴最大上升高度计算模型,得出上喷式具有节水、液滴粒径选择范围宽和低耗高效的优势,再进一步地,针对矿井排风能量品位提升,以综合性能系数为依据,确定了优化循环水质量流率范围13,提高了液滴与排风之间的传热传质效率。在上述研究基础上,2016 年,Cui 等14建立上喷式可逆冷却塔的数学模型,通过数值计算,得到不同初始液 气速度比对大、小液滴运移上升速度的影响。液滴与热空气的热湿传递过程,通过液滴表面的传热与传质相
15、互关联。对于液滴单相或两相的传热过程研究,2017 年,刘鑫鹏等15针对快速相变过程,建立多相流与传热模型相互耦合的数值模型,探讨了快速相变 4 个阶段的换热系数。针对喷雾冷却过程,吴正人等16、宋立业等17基于模拟方法,得到雾化形成液膜的传热系数与厚度是决定喷雾冷却效果的重要因素。2020 年,闫超星等18采用导热微分方程,分析了液滴初始动力学参数、环境蒸汽参数对液滴与蒸汽间传热特性的影响。王翔等19分析了喷淋塔内单液滴传热传质过程,得到喷淋塔内液滴浓度直接影响液滴与湿烟气之间的传热传质过程。目前,在上喷式扩散塔喷淋装置热提取的传热研究中,对于上喷液滴运行过程中的努塞尔数 Nu、单位质量曳力
16、的变化规律研究较少,且不同液滴粒径下的液 气速度比对热回收效果的影响尚不明确。本文针对矿井排风热回收,首先,将建立数学及物理模型,分析排风及液滴速度场变化规律、风吹水损率;随后,改变液滴初始参数(粒径及液气速度比),分析排风与喷淋液滴的流动及传热特性规律,得出优化组合,为工程设计提供参考。1 喷淋换热余热回收工作原理上喷式扩散塔喷淋装置(图 1)内,排风通过压入式矿用轴流通风机进入扩散塔内,使得高速的排风转为低速、均匀的稳定气流,进入换热区域的排风与喷淋液滴充分接触,完成气 液之间的热量交换,排风温度及含尘量减少,同时,提取热量后的液滴升温,进入扩散塔底部汇水池中,随后到达集水池,经过滤净化处理后进入热泵机组,热泵机组提取水中的热量,将其供入用户端,用于矿区井筒防冻及建筑供暖等。在不显著影响主通风机有效静压的前提下,确定合理的参数,对提高换热效率至关重要。2 模型的建立仿真采用离散相颗粒模型(Discrete ParticleModel,DPM 模型),矿井排风为连续相,水滴为分散在连续相中的离散相,用欧拉 拉格朗日法求解。先用欧拉法求解连续相流场,再用拉格朗日法求解离散相,两者进行耦
