劉顯晨

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

1 電解車間自然通風現(xiàn)狀

在實際工程設(shè)計過程中,鋁電解車間自然通風形式為下部進風上部排風,進風口以3.500米操作平臺為分界分為上下兩部分,3.500米以上進風窗外部設(shè)置通風墻,而下部進風窗無通風墻(具體形式見圖1)。下部進風窗進入室內(nèi)的自然風通過操作平臺上設(shè)置的格柵板進入上部區(qū)域,進而降低室內(nèi)溫度。3.500米操作面以上進風窗進入的自然風直接進入車間,與室內(nèi)熱空氣混合降低室內(nèi)溫度。計算各個進風口的通風量時,僅考慮熱壓作用而未考慮室外風壓作用。當室外風速較高時,如果建筑物主立面朝向與主導風向垂直,則室外風壓將對自然通風效果產(chǎn)生影響。

圖1 電解車間通風結(jié)構(gòu)圖

2 理論基礎(chǔ)

自然通風的動力主要包括熱壓和風壓兩部分,對于電解車間由于電解槽發(fā)熱量大且穩(wěn)定,因此熱壓通風為自然通風的主要動力,而風壓的作用較小,在設(shè)計計算中主要依靠熱壓和風壓共同作用下產(chǎn)生的壓差進行通風[1]。

2.1 室內(nèi)外壓差計算

如圖2所示,房間外圍護結(jié)構(gòu)的不同高度上有兩個窗孔a和b,兩者的高差為h。建筑物受到風壓、熱壓同時作用下,各個窗孔的內(nèi)外壓差就等于風壓、熱壓單獨作用時窗孔內(nèi)外壓差之和。

圖2 自然通風理論計算示意圖

窗孔a的內(nèi)外壓差為:

(1)

窗孔b的內(nèi)外壓差為:

(2)

式中:Pxa——窗孔a的余壓,Pa;

Pxb——窗孔b的余壓,Pa;

Ka、Kb——窗孔a、b的空氣動力系數(shù);

h——窗孔a和窗孔b之間的高差,m;

vw——窗口風速,m/s。

2.2 通風量計算

電解車間自然通風換氣量為:

(3)

式中:Q——車間的總余熱量,kJ/s;

tp——車間上部排風溫度,℃;

tj——車間的金風溫度,℃;

c——空氣比熱容,kJ/(kg·℃)。

2.3 各窗孔的面積計算

進風窗面積計算:

(4)

排風窗面積計算:

(5)

式中:△Pa、△Pb——窗孔a、b的內(nèi)外壓差,Pa;

Ga、Gb——窗孔a、b的流量,kg/s;

μ、μb——窗孔a、b的流量系數(shù);

ρw——室外空氣密度,kg/m3;

ρp——上部排風溫度下的空氣密度,kg/m3;

ρnp——室內(nèi)平均溫度下的空氣密度,kg/m3。

3 計算機模擬模型的建立

3.1 車間模型建立

根據(jù)電解車間施工圖設(shè)計方案,利用Airpak軟件對電解車間進行建模。由于電解車間尺寸較大,并且主要散熱源外部結(jié)構(gòu)較為復雜,為了提高計算速度,在不影響計算精度的前提下在建模過程中對電解車間進行如下簡化[4]。

(1)僅對一臺電解槽以及其對應的廠房區(qū)域進行建模,與其他區(qū)域相鄰的位置通過設(shè)置鏡像墻來實現(xiàn)。

(2)對電解槽上部結(jié)構(gòu)及其打料裝置進行簡化,均簡化為規(guī)則幾何體,其他位置僅保留槽外殼、母線等主要發(fā)熱熱源。

(3)對于室外有風的情況,設(shè)置距離車間進風口為10倍車間長度的區(qū)域為計算域,模擬室外風的情況。

為了便于計算,在計算過程中進行如下假設(shè)。

(1)自然通風狀態(tài)是穩(wěn)定的,氣象條件等因素不隨時間變化。

(2)同一水平面上各點參數(shù)按均值計算。

(3)各個孔口按等值面考慮。

經(jīng)簡化后建立模型如圖3所示。

圖3 通風整體模型

圖4 電解車間放大模型

3.2 邊界條件設(shè)置

車間外部進風口采用速度進口作為邊界,車間內(nèi)部左右兩側(cè)進風口均采用自由壓力入口作為邊界,而車間外部排風口設(shè)置為自由流出口,車間內(nèi)通風天窗采用壓力出口作為邊界。

車間外部速度入口速度值從0.1 m/s開始進行模擬,風速每增加0.1 m/s作為一個工況,模擬至風速為3 m/s,共對30個工況進行了模擬計算。

4 模擬結(jié)果及分析

通過對電解車間排風量、排風溫度、迎風面進風窗以及背風面進風窗風量進行分析,找出不同室外風速對電解車間自然通風效果的影響。

(1)排風量模擬結(jié)果

在不同室外風速情況下,屋頂天窗自然排風量模擬結(jié)果見圖5。

圖5 電解車間屋頂天窗排風量圖

在不同室外風速情況下,屋頂天窗自然排風溫度模擬結(jié)果見圖6。

圖6 電解車間屋頂天窗排風溫度圖

通過模擬結(jié)果可以看出,隨著室外風速增加,屋頂天窗的排風量有所增大,從最小的45.25 kg/s增加至最大的48.84 kg/s。而與此對應的排風溫度也隨著室外風速的增加而降低,但降低幅度仍然不大,與通風量相對應,溫度從39.5℃降至36.7℃。因此,室外風速的增加(即風壓的增大)對自然通風有促進作用,但總體影響不大,風速從0.1 m/s增至3 m/s,通風量僅增加了約8%,排風溫度降低幅度約為7.1%。

(2)迎風面進風窗進風量模擬結(jié)果

迎風面進風窗進風量如圖7所示。

圖7 電解車間迎風面進風窗進風量圖

通過模擬結(jié)果可以看出,隨著室外風速增加,迎風面進風窗的進風量有所增加。而由于上部進風窗外側(cè)設(shè)置有通風隔墻(如圖4所示)起到了一定的阻擋作用,因此上部進風窗受室外風壓影響較小,下部由于無通風隔墻的阻擋作用,進風量受室外風壓影響較大。

(3)背風面進風窗進風量模擬結(jié)果

背風面進風窗進風量如圖8所示。

圖8 電解車間背風面進風窗進風量圖

通過模擬結(jié)果可以看出,隨著室外風速的增加,背風面進風窗的進風量有所降低。而由于上部進風窗外側(cè)設(shè)置有通風隔墻(如圖4所示)起到了一定的阻擋作用,因此上部進風窗受室外風壓影響較小。而下部進風窗沒有通風隔墻的阻擋,在室外風壓的作用下,當室外風速超過1 m/s時,由于迎風側(cè)進風窗產(chǎn)生的正壓較大,背風側(cè)進風窗室內(nèi)壓力大于室外壓力形成了排風的狀況,進風量為負值,因此在電解車間3.5米操作面以下形成了“穿堂風”,氣流組織不利于電解槽余熱的排出,對自然通風的實際效果產(chǎn)生一定影響。

5 結(jié)論及建議

本文采用計算流體力學的方法對熱壓、風壓聯(lián)合作用下的電解車間自然通風進行了模擬計算,得出以下結(jié)論及建議。

(1)在熱壓、風壓聯(lián)合作用下,由于室內(nèi)熱源產(chǎn)生的穩(wěn)定熱壓較大,風壓作用對整個電解車間自然通風起促進作用,但對通風量以及排風溫度的影響不大,僅為7%～8%。

(2)電解車間室外通風墻的設(shè)置能夠有效防止由風壓作用產(chǎn)生的 “穿堂風”,進而提高下部進風窗進入車間冷風的利用情況。

(3)當室外風速大于1 m/s時,由于風壓作用背風面進風窗進風量為負值,即此時進風窗變?yōu)榕棚L窗,不利于自然通風。因此,在實際工程設(shè)計中,如果室外風速較大,建議總圖布置時考慮電解車間朝向,或采取相應的措施避免風壓作用對自然通風產(chǎn)生不利影響。