中國核電工程有限公司 劉思涵 魏 剛 閆 征

0 引言

核化工項(xiàng)目廠房中有一類設(shè)備室內(nèi)設(shè)有蒸發(fā)用熱設(shè)備，根據(jù)工藝要求，蒸發(fā)器往往不保溫，導(dǎo)致大量熱量散失在設(shè)備室內(nèi)。一方面蒸發(fā)器等用熱設(shè)備需要一個(gè)高溫環(huán)境減少熱損失，另一方面為使混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)不超過耐溫限值需要排熱。隨著保溫材料和技術(shù)的發(fā)展，新型快速拆裝的保溫材料[1]和保溫結(jié)構(gòu)為解決以上矛盾提供了解決方案。

本文針對(duì)設(shè)備室內(nèi)發(fā)熱設(shè)備的不同保溫形式，對(duì)保溫前后的散熱情況、通風(fēng)形式和效果進(jìn)行模擬分析和方案比較。

1 模型建立

以某核化工項(xiàng)目廠房中的一個(gè)設(shè)備室為研究對(duì)象建立模型，對(duì)實(shí)際設(shè)備進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。模型中設(shè)備室簡(jiǎn)化成一個(gè)長(zhǎng)8.165 m、寬8.650 m、高17.000 m的長(zhǎng)方體(如圖1所示)。設(shè)備室外面是混凝土層，內(nèi)部設(shè)蒸發(fā)器和泡罩塔，空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)管穿過設(shè)備室北側(cè)混凝土墻進(jìn)入設(shè)備室，經(jīng)排風(fēng)管穿過南側(cè)混凝土墻排出房間。房間及設(shè)備具體位置尺寸見圖2、3。

圖1 物理模型

圖2 模型俯視圖

圖3 模型主視圖

空氣(密度1.12 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)2.596 W/(m·K)，比熱容1 013 J/(kg·K)，黏度1.680 8×10-5kg/(m·s))以一定的流量從上側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入房間，經(jīng)下側(cè)排風(fēng)管排出房間。房間內(nèi)高溫設(shè)備與周圍空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，與混凝土墻進(jìn)行輻射換熱，進(jìn)而使得周圍空氣溫度升高。

在實(shí)際工程中，房間內(nèi)蒸發(fā)器、泡罩塔等設(shè)備溫度較高，與周圍空氣及混凝土墻體之間存在熱交換。為了使混凝土墻體溫度不超過最高耐受溫度，需要采取一定的措施使混凝土墻體壁面溫度維持在一定范圍內(nèi)。例如：將房間內(nèi)設(shè)備外表面包裹玻璃棉(具體材料屬性見表1)、調(diào)整進(jìn)排風(fēng)口位置、加大進(jìn)風(fēng)量等。利用Fluent軟件對(duì)4種不同工況(如表2所示)下房間溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到了房間及混凝土墻體的溫度分布，并將不同保溫方案的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討最佳保溫方案，并進(jìn)一步模擬研究進(jìn)排風(fēng)口位置與進(jìn)風(fēng)量對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

為了保證模擬結(jié)果與實(shí)際物理過程相符，本文以某實(shí)際項(xiàng)目為模型設(shè)置邊界條件。模擬的邊界條件如表3所示。

表1 固體材料屬性參數(shù)

表2 4種工況參數(shù)

表3 邊界條件

本文選用穩(wěn)態(tài)模型，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε雙方程模型，輻射選擇DO模型。利用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)約為130萬。模擬采用SIMPLE算法，動(dòng)量和能量方程按二階迎風(fēng)格式離散，湍流動(dòng)能、湍流耗散率按一階迎風(fēng)格式離散。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 設(shè)備保溫對(duì)房間溫度場(chǎng)的影響

圖4給出了工況1(蒸發(fā)器不保溫，泡罩塔不保溫)下的房間溫度分布。如圖4a所示，當(dāng)蒸發(fā)器和泡罩塔都不進(jìn)行保溫時(shí)，房間內(nèi)氣體溫度基本維持在321～342 K之間，平均溫度約為337 K。設(shè)備附近的空氣由于設(shè)備表面溫度較高，氣體溫度偏高。由圖4c可知，混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度可達(dá)336 K，溫度接近混凝土最高耐受溫度(338.15 K)。此時(shí)設(shè)備室的進(jìn)風(fēng)量偏大，造成能源浪費(fèi)。為了保證混凝土溫度低于耐受溫度，需要對(duì)設(shè)備采取一定的保溫措施，并降低設(shè)備室的通風(fēng)量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖4 工況1(蒸發(fā)器不保溫，泡罩塔不保溫)房間溫度分布

圖5給出了工況2(蒸發(fā)器保溫，泡罩塔不保溫)房間溫度分布。由于對(duì)蒸發(fā)器表面采用包裹玻璃棉的保溫措施，使得蒸發(fā)器表面溫度維持在333.15 K，房間的進(jìn)風(fēng)量比工況1有所降低，根據(jù)規(guī)范[2]中要求的換氣次數(shù)計(jì)算進(jìn)風(fēng)量為2 300 m3/h。如圖5a所示，房間內(nèi)空氣溫度在316～335 K之間，平均溫度為324 K左右，與工況1相比房間內(nèi)溫度整體下降13 K。對(duì)比圖4c與圖5c可知，當(dāng)蒸發(fā)器保溫后，混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度約為334 K，基本滿足混凝土最高耐受溫度。

圖5 工況2(蒸發(fā)器保溫，泡罩塔不保溫)房間溫度分布

工況2～4模擬結(jié)果如表4所示。

表4 工況2～4模擬結(jié)果 K

從模擬結(jié)果可以看出：泡罩塔左側(cè)保溫和不保溫對(duì)于房間內(nèi)平均溫度影響不大，而工況3混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度比工況2下降了6 K左右；工況4房間內(nèi)空氣平均溫度321.85 K，與工況2相比下降了約2 K，與工況3相比下降了約3 K，混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度為323.98 K，與工況2泡罩塔不保溫相比下降了10 K左右。

圖6給出了不同保溫情況下設(shè)備散熱量、房間排熱量和墻體吸熱量對(duì)比。由圖6可知，在進(jìn)風(fēng)量相同(工況2～4)的情況下，設(shè)備包裹保溫層面積越大，設(shè)備散熱量越少、室內(nèi)排熱量越少、混凝土墻體的吸熱量越少，混凝土墻體壁面整體溫度越低。綜合對(duì)比混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度與整個(gè)混凝土墻體最高溫度可以看出，工況2(即蒸發(fā)器保溫，泡罩塔不保溫)基本可以滿足混凝土墻體的耐受溫度。因此，本文后續(xù)討論以工況2為基本工況。

圖6 工況1～4下熱量對(duì)比

2.2 進(jìn)排風(fēng)口位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響

為了研究進(jìn)排風(fēng)口位置對(duì)房間內(nèi)溫度分布的影響，在工況2的基礎(chǔ)上，將進(jìn)排風(fēng)口位置互換(工況5)，形成一個(gè)下進(jìn)上排的流動(dòng)模式。2種氣流組織的模擬結(jié)果如表5所示，混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面溫度分布如圖7所示。

由表5可知，工況5房間空氣平均溫度為324.88 K，與工況2相比升高了0.76 K，而混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度為337.39 K，比工況2升高了3 K。且當(dāng)進(jìn)排風(fēng)口位置互換后，出口平均溫度有所下降。主要是因?yàn)橄逻M(jìn)上排的風(fēng)口設(shè)置使設(shè)備室內(nèi)氣流在泡罩塔附近擾動(dòng)較小，相較于上進(jìn)下排不利于設(shè)備散熱量的排出。而下進(jìn)上排，排風(fēng)口在高處，距離設(shè)備較遠(yuǎn)，熱量未完全擴(kuò)散至排風(fēng)口，導(dǎo)致出口溫度降低。從圖7中可以看出，工況2混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面高溫區(qū)集中在左下，而工況5混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面高溫區(qū)集中在中間，該區(qū)域與未保溫的泡罩塔位置基本吻合，與熱氣流向上流動(dòng)的實(shí)際情況相符。

表5 工況2與工況5模擬結(jié)果對(duì)比 K

圖8顯示了2種氣流組織下設(shè)備散熱量、房間排熱量和墻體吸熱量對(duì)比。由圖8可知，工況5出口溫度降低，房間排熱量減少，混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面溫度升高。為了防止混凝土結(jié)構(gòu)溫度過高，選用上進(jìn)下排氣流組織更有利于設(shè)備室的散熱。

圖8 2種氣流組織下熱量對(duì)比

2.3 進(jìn)風(fēng)量對(duì)溫度場(chǎng)的影響

為探究滿足熱環(huán)境時(shí)的進(jìn)風(fēng)量，本文以工況2為基準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)風(fēng)量2 000、1 700、1 400 m3/h 3種工況(工況6～8)進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與進(jìn)風(fēng)量2 300 m3/h(按規(guī)范換氣次數(shù)計(jì)算的進(jìn)風(fēng)量)進(jìn)行對(duì)比，見表6。

表6 工況2及工況6～8的模擬結(jié)果對(duì)比 K

由表6可以看出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)量逐漸減小時(shí)，房間內(nèi)平均溫度上升，混凝土墻體整體溫度逐漸上升，最高溫度達(dá)到338.13 K。這是由于進(jìn)風(fēng)量減小，發(fā)熱設(shè)備與空氣的輻射對(duì)流換熱量減少，空氣所帶走的熱量減少。

圖9顯示了不同進(jìn)風(fēng)量下設(shè)備散熱量、房間排風(fēng)量與墻體吸熱量的對(duì)比。由于進(jìn)風(fēng)量減小，使得排風(fēng)口溫度降低，帶走熱量減少，墻體吸熱增多。當(dāng)進(jìn)風(fēng)量降低至1 400 m3/h時(shí)，混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面溫度達(dá)到338.13 K，若進(jìn)風(fēng)量繼續(xù)減小，則會(huì)超過338.13 K，對(duì)整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)有較大的影響。從以上模擬結(jié)果可以推斷出，當(dāng)蒸發(fā)器保溫、泡罩塔不保溫且設(shè)備室處于上進(jìn)下排流動(dòng)模式時(shí)，可以將1 400 m3/h作為滿足熱環(huán)境需求的最小進(jìn)風(fēng)量，保證混凝土溫度不超過338.13 K。這個(gè)最小進(jìn)風(fēng)量表明規(guī)范[2]中按換氣次數(shù)計(jì)算的進(jìn)風(fēng)量較保守，當(dāng)蒸發(fā)器保溫、泡罩塔不保溫且設(shè)備室處于上進(jìn)下排的流動(dòng)模式時(shí)，可以適當(dāng)減小進(jìn)風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

圖9 不同進(jìn)風(fēng)量熱量對(duì)比

根據(jù)2.2節(jié)分析可知，當(dāng)設(shè)備室采用下進(jìn)上排的氣流組織、進(jìn)風(fēng)量2 300 m3/h時(shí)混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度已經(jīng)達(dá)到337.39 K。因此，針對(duì)下進(jìn)上排的氣流組織，2 300 m3/h可能是滿足熱環(huán)境的最小進(jìn)風(fēng)量。同時(shí)也側(cè)面說明了上進(jìn)下排的氣流組織滿足熱環(huán)境所需的最小進(jìn)風(fēng)量遠(yuǎn)小于下進(jìn)上排的氣流組織。因此，在工程設(shè)計(jì)中采用上進(jìn)下排可有效地為設(shè)備室散熱，保護(hù)混凝土墻體。

3 結(jié)論

1) 設(shè)備外表面包裹保溫材料可以減少設(shè)備室內(nèi)散熱所需的通風(fēng)量，包裹保溫材料面積越大，設(shè)備散熱量越少，混凝土墻體的吸熱越少，混凝土墻體壁面整體溫度越低。綜合考慮混凝土左墻體內(nèi)側(cè)壁面最高溫度與整個(gè)混凝土墻體最高溫度可以看出，蒸發(fā)器保溫、泡罩塔不保溫的情況下基本可以滿足混凝土結(jié)構(gòu)的耐受溫度。

2) 進(jìn)排風(fēng)口位置不同，設(shè)備室內(nèi)溫度分布也不同，在其他條件相同的情況下，上進(jìn)下排氣流組織更有利于設(shè)備室的散熱。

3) 規(guī)范中按換氣次數(shù)計(jì)算的進(jìn)風(fēng)量相對(duì)保守，當(dāng)設(shè)備室進(jìn)風(fēng)量逐漸減小時(shí)，房間內(nèi)平均溫度上升，混凝土整體溫度逐漸上升。在蒸發(fā)器保溫、泡罩塔不保溫且設(shè)備室采用上進(jìn)下排氣流組織時(shí)，1 400 m3/h可以作為滿足熱環(huán)境的最小進(jìn)風(fēng)量。