風(fēng)壓作用對鋁電解車間自然通風(fēng)效果影響分析

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(fēng)現(xiàn)狀

在實際工程設(shè)計過程中,鋁電解車間自然通風(fēng)形式為下部進(jìn)風(fēng)上部排風(fēng),進(jìn)風(fēng)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(jìn)風(fēng)窗外部設(shè)置通風(fēng)墻,而下部進(jìn)風(fēng)窗無通風(fēng)墻(具體形式見圖1)。下部進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入室內(nèi)的自然風(fēng)通過操作平臺上設(shè)置的格柵板進(jìn)入上部區(qū)域,進(jìn)而降低室內(nèi)溫度。3.500米操作面以上進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入的自然風(fēng)直接進(jìn)入車間,與室內(nèi)熱空氣混合降低室內(nèi)溫度。計算各個進(jìn)風(fēng)口的通風(fēng)量時,僅考慮熱壓作用而未考慮室外風(fēng)壓作用。當(dāng)室外風(fēng)速較高時,如果建筑物主立面朝向與主導(dǎo)風(fēng)向垂直,則室外風(fēng)壓將對自然通風(fēng)效果產(chǎn)生影響。

圖1 電解車間通風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

2 理論基礎(chǔ)

自然通風(fēng)的動力主要包括熱壓和風(fēng)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(fēng)為自然通風(fēng)的主要動力,而風(fēng)壓的作用較小,在設(shè)計計算中主要依靠熱壓和風(fēng)壓共同作用下產(chǎn)生的壓差進(jìn)行通風(fēng)[1]。

2.1 室內(nèi)外壓差計算

如圖2所示,房間外圍護(hù)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(fēng)壓、熱壓同時作用下,各個窗孔的內(nèi)外壓差就等于風(fēng)壓、熱壓單獨作用時窗孔內(nèi)外壓差之和。

圖2 自然通風(fēng)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(fēng)速,m/s。

2.2 通風(fēng)量計算

電解車間自然通風(fēng)換氣量為:

(3)

式中:Q——車間的總余熱量,kJ/s;

tp——車間上部排風(fēng)溫度,℃;

tj——車間的金風(fēng)溫度,℃;

c——空氣比熱容,kJ/(kg·℃)。

2.3 各窗孔的面積計算

進(jìn)風(fēng)窗面積計算:

(4)

排風(fēng)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(fēng)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(jī)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(jìn)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(fù)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(jìn)行如下簡化[4]。

(1)僅對一臺電解槽以及其對應(yīng)的廠房區(qū)域進(jìn)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(jìn)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(fēng)的情況,設(shè)置距離車間進(jìn)風(fēng)口為10倍車間長度的區(qū)域為計算域,模擬室外風(fēng)的情況。

為了便于計算,在計算過程中進(jìn)行如下假設(shè)。

(1)自然通風(fēng)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(fēng)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(jìn)風(fēng)口采用速度進(jìn)口作為邊界,車間內(nèi)部左右兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口均采用自由壓力入口作為邊界,而車間外部排風(fēng)口設(shè)置為自由流出口,車間內(nèi)通風(fēng)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(jìn)行模擬,風(fēng)速每增加0.1 m/s作為一個工況,模擬至風(fēng)速為3 m/s,共對30個工況進(jìn)行了模擬計算。

4 模擬結(jié)果及分析

通過對電解車間排風(fēng)量、排風(fēng)溫度、迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗以及背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗風(fēng)量進(jìn)行分析,找出不同室外風(fēng)速對電解車間自然通風(fēng)效果的影響。

(1)排風(fēng)量模擬結(jié)果

在不同室外風(fēng)速情況下,屋頂天窗自然排風(fēng)量模擬結(jié)果見圖5。

圖5 電解車間屋頂天窗排風(fēng)量圖

在不同室外風(fēng)速情況下,屋頂天窗自然排風(fēng)溫度模擬結(jié)果見圖6。

圖6 電解車間屋頂天窗排風(fēng)溫度圖

通過模擬結(jié)果可以看出,隨著室外風(fēng)速增加,屋頂天窗的排風(fēng)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(yīng)的排風(fēng)溫度也隨著室外風(fēng)速的增加而降低,但降低幅度仍然不大,與通風(fēng)量相對應(yīng),溫度從39.5℃降至36.7℃。因此,室外風(fēng)速的增加(即風(fēng)壓的增大)對自然通風(fēng)有促進(jìn)作用,但總體影響不大,風(fēng)速從0.1 m/s增至3 m/s,通風(fēng)量僅增加了約8%,排風(fēng)溫度降低幅度約為7.1%。

(2)迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)量模擬結(jié)果

迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)量如圖7所示。

圖7 電解車間迎風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)量圖

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

(3)背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)量模擬結(jié)果

背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)量如圖8所示。

圖8 電解車間背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)風(fēng)量圖

通過模擬結(jié)果可以看出,隨著室外風(fēng)速的增加,背風(fēng)面進(jìn)風(fēng)窗的進(jìn)風(fēng)量有所降低。而由于上部進(jìn)風(fēng)窗外側(cè)設(shè)置有通風(fēng)隔墻(如圖4所示)起到了一定的阻擋作用,因此上部進(jìn)風(fēng)窗受室外風(fēng)壓影響較小。而下部進(jìn)風(fēng)窗沒有通風(fēng)隔墻的阻擋,在室外風(fēng)壓的作用下,當(dāng)室外風(fēng)速超過1 m/s時,由于迎風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)窗產(chǎn)生的正壓較大,背風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)窗室內(nèi)壓力大于室外壓力形成了排風(fēng)的狀況,進(jìn)風(fēng)量為負(fù)值,因此在電解車間3.5米操作面以下形成了“穿堂風(fēng)”,氣流組織不利于電解槽余熱的排出,對自然通風(fēng)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(xué)的方法對熱壓、風(fēng)壓聯(lián)合作用下的電解車間自然通風(fēng)進(jìn)行了模擬計算,得出以下結(jié)論及建議。

(1)在熱壓、風(fēng)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(fēng)壓作用對整個電解車間自然通風(fēng)起促進(jìn)作用,但對通風(fēng)量以及排風(fēng)溫度的影響不大,僅為7%～8%。

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

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