鋼鐵企業(yè)封閉料場(chǎng)的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)分析

王雪峰

(中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司, 遼寧 大連 116600)

0 引言

由于中國(guó)工業(yè)化的發(fā)展需要,隨著建筑技術(shù)水平和施工技能的日益提升和新型建材的蓬勃發(fā)展,大型密閉封閉料場(chǎng)可達(dá)到空間跨度大、凈空高、中間無支柱的空間特點(diǎn),以適應(yīng)原料貯存和堆料取料的作業(yè)特點(diǎn),首先在煤礦、電力、水泥等行業(yè)獲得了應(yīng)用。而近些年,隨著我國(guó)對(duì)鋼鐵企業(yè)工作環(huán)境要求的提升,各大鋼鐵企業(yè)也都開始建設(shè)密閉料場(chǎng),并逐漸改造原有的露天原料場(chǎng)地。由此來最大限度地減少對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的平衡發(fā)展。目前，料場(chǎng)封閉工程主體部分為大跨度的鋼結(jié)構(gòu)和采用輕質(zhì)材料的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，附以采光、通風(fēng)、排水、消防、抑塵等設(shè)計(jì)，其中通風(fēng)設(shè)計(jì)多采用自然通風(fēng)。

自然通風(fēng)的原理，主要是利用建筑物內(nèi)外溫度差所造成的熱壓和建筑物外風(fēng)力所造成的風(fēng)壓來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣，從而排除建筑物內(nèi)余熱余濕以及沖淡工作區(qū)有害物濃度，改善工作環(huán)境空氣衛(wèi)生條件。它是一種可以管理的有組織的通風(fēng)方式，是不消耗機(jī)械動(dòng)力的、經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方式。自然通風(fēng)容易受室外氣象條件的影響，特別是室外風(fēng)速的影響，風(fēng)壓作用不穩(wěn)定，熱車間要充分利用熱壓作用排風(fēng)，合理設(shè)置進(jìn)、出風(fēng)口，有效進(jìn)行氣流組織，才能使自然通風(fēng)效果更佳。現(xiàn)重點(diǎn)分析對(duì)比兩種有氣流組織的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。

1 研究對(duì)象及研究方法

1.1 研究對(duì)象

封閉料場(chǎng)采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)形式，主要有平板網(wǎng)架、拱形網(wǎng)殼、管桁架、預(yù)應(yīng)力管桁架等，根據(jù)現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)要求料場(chǎng)儲(chǔ)量大、操作空間大的特性，封閉料場(chǎng)多設(shè)計(jì)成柱面形或球形。其中雙層三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其兼具殼體結(jié)構(gòu)和桿系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，力傳遞路線短、設(shè)置簡(jiǎn)單，荷載可以直接沿弧線傳遞到基礎(chǔ)，施工安裝方便等特點(diǎn)而被較多采用[1]。封閉料場(chǎng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、防水、耐久等性能，多采用彩鋼、鋁鎂錳板結(jié)構(gòu)及膜材料結(jié)構(gòu)。鋼鐵企業(yè)中較多采用壓型鋼板，其材料構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，可在現(xiàn)場(chǎng)壓制。

封閉料場(chǎng)內(nèi)部設(shè)置照明燈具人工采光，其主要供夜間使用。白天可利用屋面上設(shè)置的采光帶自然采光，對(duì)于膜材料圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因其本身具有可透光性，白天使用時(shí)也無需人工采光。單跨封閉料場(chǎng)多為無組織排水，當(dāng)料場(chǎng)為多跨連接時(shí)通常設(shè)置有內(nèi)天溝的有組織排水?？筛鶕?jù)料場(chǎng)內(nèi)的物料特性和實(shí)際需要設(shè)置消防系統(tǒng)，如消火栓滅火裝置、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、消防炮滅火系統(tǒng)及其組合方式等。

抑塵設(shè)施主要選用干霧抑塵裝置，該裝置可將氣、水過濾混合后通過霧化噴嘴形成1～10μm的微細(xì)水霧顆粒，并在風(fēng)機(jī)的作用下噴射到粉塵產(chǎn)生點(diǎn)，與懸浮在空氣中的體積相同或相近的粉塵顆粒相互接觸、碰撞而聚結(jié)增大，并且在重力的作用下自然沉降?？筛鶕?jù)料場(chǎng)內(nèi)堆取料機(jī)的作業(yè)動(dòng)態(tài)和物料堆存的實(shí)際情況靈活布置噴嘴的位置和數(shù)量以及設(shè)置霧炮的位置。鋼鐵企業(yè)封閉料場(chǎng)內(nèi)沒有大的散熱源，料場(chǎng)內(nèi)作業(yè)人員也相對(duì)較少，在滿足通風(fēng)散熱和衛(wèi)生要求下多采用自然通風(fēng)。通風(fēng)系統(tǒng)需結(jié)合防塵等綜合措施，保證通風(fēng)效果的同時(shí)又能限制粉塵外溢，發(fā)揮料場(chǎng)封閉應(yīng)有的作用，減少粉塵污染滿足環(huán)保要求。

1.2 研究方法

因封閉料場(chǎng)的通風(fēng)方式大多采用自然通風(fēng)，有必要對(duì)封閉料場(chǎng)內(nèi)的自然通風(fēng)情形進(jìn)行研究。封閉料場(chǎng)內(nèi)的自然通風(fēng)主要受到通風(fēng)口面積大小和位置的影響，同時(shí)還有外界風(fēng)壓的影響。為了使封閉料場(chǎng)自然通風(fēng)效果更佳，需要對(duì)棚內(nèi)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。因此研究目的是通過數(shù)值模擬計(jì)算，分析得到封閉料場(chǎng)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確信息，清晰直觀的呈現(xiàn)建筑物內(nèi)環(huán)境，以便探究通風(fēng)口的位置、大小以及室外風(fēng)速對(duì)自然通風(fēng)的影響。

以某鋼廠的封閉原料料場(chǎng)為例，通過Fluent軟件對(duì)料場(chǎng)內(nèi)部自然通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定合理的通風(fēng)口高度、位置和面積大小，得到提高自然通風(fēng)效果的方法和措施，降低粉塵外溢，改善料場(chǎng)內(nèi)部工作環(huán)境，提高人員和設(shè)備的作業(yè)率。

2 計(jì)算模型的建立與選擇

2.1 模型的簡(jiǎn)化

在考慮鋼廠原料封閉料場(chǎng)的自然通風(fēng)問題上，由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)所需的原料種類多、儲(chǔ)備量大，封閉料場(chǎng)的規(guī)模、尺寸一般都很大，輕質(zhì)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽輻射得熱量較大，需要考慮熱壓和風(fēng)壓的共同作用。此次主要研究的內(nèi)容就是熱壓與風(fēng)壓作用下的封閉料場(chǎng)內(nèi)熱空氣流場(chǎng)與溫度的分布。具體工況主要分為兩種：無風(fēng)情況下，只靠封閉料場(chǎng)內(nèi)熱壓通風(fēng)；自然風(fēng)速下(取當(dāng)?shù)叵募境Ｄ晔彝馄骄L(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速)，封閉料場(chǎng)內(nèi)風(fēng)壓與熱壓共同作用的自然通風(fēng)。

所選擇的封閉料場(chǎng)是新疆某地的球團(tuán)工藝原料封閉料場(chǎng)，寬度約為76 m，長(zhǎng)度約為750 m，主要貯存精礦粉和含鐵雜料，具體截面見圖1。在建立簡(jiǎn)化模型的過程中，考慮到封閉料場(chǎng)的長(zhǎng)寬比在10左右，且封閉料場(chǎng)兩端做封閉處理(即封閉料場(chǎng)兩端不影響橫向風(fēng)口的通風(fēng))，計(jì)算模型可以只考慮封閉料場(chǎng)的橫向截面。這樣就可以將原本三維的實(shí)際模型簡(jiǎn)化成計(jì)算機(jī)友好型的二維理論模型，不僅節(jié)省計(jì)算資源還能準(zhǔn)確的模擬真實(shí)情況。具體的二維簡(jiǎn)化模型尺寸參數(shù)見圖1，簡(jiǎn)化模型將料堆、隔墻立柱等具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化處理，封閉料場(chǎng)穹頂按無厚度處理，最終用Solidworks建模軟件建立二維平面計(jì)算模型。

圖1 封閉料場(chǎng)模型二維截面圖

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型計(jì)算域的選擇很重要，其大小形狀不僅會(huì)影響到計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短，還會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的收斂情況以及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。模擬計(jì)算的過程中，不僅要計(jì)算封閉料場(chǎng)內(nèi)的流場(chǎng)，還要考慮室外周圍環(huán)境流場(chǎng)。因此要增加無限大外流場(chǎng)，以形成無限遠(yuǎn)邊界以提高模擬的真實(shí)性，通過大量的試算，將外流域確定為廠房原尺寸的五倍左右。

通過ANSYS Workbench平臺(tái)的Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算，然后導(dǎo)入Solid works的x_t格式的2-D模型文件，利用Design Modeler進(jìn)行流域和固體域以及邊界進(jìn)行定義，再在Meshing中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)封閉料場(chǎng)內(nèi)流域進(jìn)行網(wǎng)格增密處理。此次主要模擬研究的是封閉料場(chǎng)內(nèi)流域，因此不考慮封閉料場(chǎng)外的邊界層效應(yīng)，不增加邊界層網(wǎng)格，這樣有利于減少計(jì)算量。最終，封閉料場(chǎng)內(nèi)流域與外流域共形成網(wǎng)格數(shù)約20萬個(gè)。

2.3 數(shù)值模擬理論與邊界

2.3.1 湍流模型與輻射

在實(shí)際自然通風(fēng)過程中，高大空間內(nèi)的空氣流動(dòng)多處于湍流狀態(tài)。一般工程計(jì)算多在平衡計(jì)算機(jī)的計(jì)算成本和計(jì)算精度后，選擇κ-ε湍流模型，根據(jù)三種κ-ε模型(標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型、Realizableκ-ε模型和RNGκ-ε模型)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和精度特點(diǎn)，權(quán)衡之下選擇了標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

研究的封閉料場(chǎng)內(nèi)空間的散熱問題，需要重視太陽輻射的影響，由于該封閉料場(chǎng)儲(chǔ)存的主要是鐵礦原料等無自發(fā)熱的物料，可以視封閉料場(chǎng)內(nèi)除了太陽輻照，無其他大的熱源輸入(忽略設(shè)備散熱量)。在選擇輻射模型的過程中，由于選用的模型是2-D模型，大范圍適用的DO輻射模型并不適用，因此采用S2S表面輻射模型，并將太陽輻射熱流進(jìn)行加載在輻射面上，即封閉料場(chǎng)的穹頂，用以代替太陽輻射效應(yīng)。

2.3.2 模擬條件與邊界

根據(jù)新疆地區(qū)的夏季氣象條件進(jìn)行研究計(jì)算，取室外通風(fēng)設(shè)計(jì)溫度30 ℃，設(shè)計(jì)風(fēng)速2.7 m/s(夏季主導(dǎo)風(fēng)向平均風(fēng)速)。根據(jù)文獻(xiàn)[2]確定夏天封閉料場(chǎng)穹頂?shù)臒崃髅芏葹?7 W/m2，即設(shè)置穹頂?shù)妮椛錈崃鳛?7 W/m2，之前提到礦石原料不發(fā)熱，可忽略其邊界傳熱，設(shè)置邊界條件為絕熱。

封閉料場(chǎng)外的外流域，進(jìn)口邊界設(shè)置為速度進(jìn)口(velocity-inlet)，出口邊界設(shè)置為(outflow)邊界條件，其余外流域邊界均設(shè)為壁面(wall)。無風(fēng)天氣時(shí)，入口速度設(shè)置為0 m/s，夏季有風(fēng)天氣時(shí)，入口速度設(shè)置為設(shè)計(jì)風(fēng)速2.7 m/s，其中溫度根據(jù)地表溫度設(shè)置為30 ℃。封閉料場(chǎng)的通風(fēng)口設(shè)置為內(nèi)部界面(interior)，使內(nèi)外流域形成一個(gè)整體流域，便于氣體自由流動(dòng)。

3 模擬結(jié)果與分析

本次研究模擬的主要內(nèi)容是不同尺寸及形式的通風(fēng)口，在熱壓與風(fēng)壓作用下的封閉料場(chǎng)內(nèi)熱空氣流場(chǎng)與溫度的分布，并經(jīng)過分析確定更優(yōu)的通風(fēng)設(shè)計(jì)。具體模擬工況分為兩種，既無風(fēng)條件熱壓通風(fēng)和有風(fēng)條件風(fēng)壓與熱壓共同作用自然通風(fēng)，根據(jù)當(dāng)?shù)赝L(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速，按外界風(fēng)速2.7 m/s設(shè)置。在模型通風(fēng)口尺寸方面，主要選取了3種：封閉料場(chǎng)底部?jī)蓚?cè)開通風(fēng)口1.3 m無頂部通風(fēng)口；封閉料場(chǎng)底部?jī)蓚?cè)開通風(fēng)口2.0 m無頂部通風(fēng)口；封閉料場(chǎng)底部?jī)蓚?cè)開通風(fēng)口1.3 m，頂部開通風(fēng)口1.5 m。通過組合，共模擬了6種自然通風(fēng)情況下封閉料場(chǎng)內(nèi)的流場(chǎng)溫度場(chǎng)分布情況，具體情況將繼續(xù)進(jìn)行分析。

3.1 風(fēng)速對(duì)封閉料場(chǎng)內(nèi)通風(fēng)效果的影響

封閉料場(chǎng)內(nèi)的自然通風(fēng)主要受兩種因素影響，即內(nèi)部熱壓作用和外界風(fēng)壓作用，其中熱壓是一直存在的，風(fēng)壓是根據(jù)外界空氣流速確定的。從模擬的結(jié)果來看(見圖2～4)，無風(fēng)壓情況下，棚內(nèi)的空氣流動(dòng)主要靠熱壓驅(qū)動(dòng)，即熱空氣受熱上升聚集到頂部，發(fā)生熱頂效應(yīng)，冷空氣下沉，由此一來穹頂區(qū)域便是棚內(nèi)高溫氣體聚集處，隨著高度降低溫度逐漸下降。如圖中模擬的結(jié)果所示，無風(fēng)壓作用下，底部通風(fēng)口高度1.3 m時(shí)，料場(chǎng)內(nèi)中部區(qū)域的溫度最高可達(dá)80 ℃，頂部溫度最高可達(dá)到100 ℃；在底部通風(fēng)口高度2.0 m時(shí)，中部溫度也高達(dá)70 ℃，由于熱頂效應(yīng)加劇頂部溫度甚至可以達(dá)到120 ℃。然而在設(shè)定外部風(fēng)速2.7 m/s的情況下，由于棚內(nèi)的熱空氣可以排到外部去，使得內(nèi)部空氣得到了大量的替換補(bǔ)充，相比于無風(fēng)壓環(huán)境，料場(chǎng)內(nèi)部溫度可以大幅度降低。從圖中可以看出，有風(fēng)壓的情況下，棚內(nèi)的穹頂最高溫度可以降到50 ℃以下，中部區(qū)域的溫度可以保持在32 ℃～35 ℃之間。由此可見風(fēng)壓對(duì)封閉料場(chǎng)自然通風(fēng)效果具有很強(qiáng)的正相關(guān)性。

(a)風(fēng)速:0.0m/s (b)風(fēng)速:2.7m/s

(a)風(fēng)速:0.0m/s (b)風(fēng)速:2.7m/s

3.2 封閉料場(chǎng)底部通風(fēng)口尺寸對(duì)內(nèi)部通風(fēng)的影響

封閉料場(chǎng)底部?jī)蓚?cè)所開通風(fēng)口高度為1.3 m時(shí)，在室外平均風(fēng)速2.7 m/s的風(fēng)壓作用和室內(nèi)熱壓作用下，中部工作區(qū)溫度基本在40 ℃以下，下部區(qū)域溫度在30～34 ℃左右，在此環(huán)境溫度下操作室高溫型空調(diào)可正常工作，滿足作業(yè)人員衛(wèi)生需求。但在無風(fēng)或微風(fēng)天氣，室內(nèi)溫度整體較高，大部分區(qū)域可達(dá)80 ℃左右，此時(shí)高溫型空調(diào)制冷量衰減較大，在空調(diào)選型時(shí)要考慮衰減量，否則將不滿足人員長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的衛(wèi)生需求。

封閉料場(chǎng)底部?jī)蓚?cè)所開通風(fēng)口高度為2.0 m時(shí)，相同室外風(fēng)壓和室內(nèi)熱壓作用下，中部工作區(qū)和下部區(qū)域溫度均在34 ℃以下，這是由于進(jìn)風(fēng)口的加大降低了中和面的位置，也加大了通風(fēng)量，使得室內(nèi)平均溫度降幅較大，但中和面的下移也使得室內(nèi)熱頂效應(yīng)相對(duì)增加，頂部區(qū)域高溫范圍加大。無風(fēng)或微風(fēng)天氣，室內(nèi)平均溫度仍然較高，大部分區(qū)域在70 ℃左右，需要考慮保證作業(yè)人員工作環(huán)境的相應(yīng)措施。

有資料研究表明[2],剛開始隨著進(jìn)風(fēng)口面積的增加，室內(nèi)熱環(huán)境改善較為明顯，但隨著進(jìn)風(fēng)口面積的繼續(xù)增加，工作區(qū)平均溫度降幅減小，散熱能力不再增強(qiáng)，且風(fēng)口面積增大不利于防塵控制，所以設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮，建議風(fēng)口開口高度在2 m左右。

3.3 天窗通風(fēng)口對(duì)棚內(nèi)通風(fēng)的作用

圖4展示的是封閉料場(chǎng)在穹頂開天窗的情況下，風(fēng)壓與熱壓對(duì)料場(chǎng)內(nèi)自然通風(fēng)的影響。與圖2的無天窗結(jié)構(gòu)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)無論是在有風(fēng)壓還是無風(fēng)壓的情況，天窗效應(yīng)均可以使棚內(nèi)溫度大幅度降低。在天窗的作用下，封閉料場(chǎng)內(nèi)的空氣可以得到充分的交換，熱頂效應(yīng)不再起作用，使得棚內(nèi)溫度場(chǎng)更加均勻。無風(fēng)情況下，棚內(nèi)穹頂溫度相較于無天窗時(shí)的近百度降到36 ℃左右，中部作業(yè)層溫度甚至可以從70 ℃降到33 ℃左右。而在有風(fēng)條件下，棚內(nèi)溫度更加均勻，基本維持在32 ℃左右。從圖中可以看出，在穹頂開天窗時(shí)，外界風(fēng)壓不再主導(dǎo)棚內(nèi)自然通風(fēng)，而是天窗效應(yīng)占主導(dǎo)，甚至無風(fēng)情況下僅靠熱壓，棚內(nèi)溫度也可以降到人體可接受的程度。

(a)風(fēng)速:0.0m/s (b)風(fēng)速:2.7m/s

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)封閉料場(chǎng)的空間特性、內(nèi)部綜合設(shè)施及使用要求，一般自然通風(fēng)可以滿足封閉料場(chǎng)的通風(fēng)散熱和衛(wèi)生要求，從以上分析可知，如何設(shè)置有組織的自然通風(fēng)，對(duì)通風(fēng)效果起著至關(guān)重要作用。此次簡(jiǎn)析了鋼鐵企業(yè)封閉料場(chǎng)自然通風(fēng)的一般設(shè)置形式，在未設(shè)置天窗時(shí)，風(fēng)壓對(duì)料場(chǎng)內(nèi)自然通風(fēng)效果起著決定性作用，下部進(jìn)、出風(fēng)口的面積也并非越大越好，建議沿料場(chǎng)長(zhǎng)度方向上風(fēng)口開口高度在2 m左右。在穹頂開天窗時(shí)，外界風(fēng)壓不再主導(dǎo)料棚內(nèi)自然通風(fēng)，下部?jī)蓚?cè)進(jìn)風(fēng)口面積可以適當(dāng)減小，這樣更有利于控制粉塵外溢，減少風(fēng)力對(duì)工作面的擾動(dòng)，降低崗位含塵濃度。由于天窗效應(yīng)占主導(dǎo)作用，所以即使在無風(fēng)情況下僅靠熱壓，料場(chǎng)內(nèi)平均溫度也可以降到人體可接受的程度。自然通風(fēng)系統(tǒng)也需結(jié)合防塵的綜合措施，一般在風(fēng)口、天窗部位設(shè)置復(fù)合材料擋風(fēng)網(wǎng)，料場(chǎng)內(nèi)揚(yáng)塵點(diǎn)采用霧炮抑塵等。保證通風(fēng)效果的同時(shí)又能限制粉塵外溢，發(fā)揮料場(chǎng)封閉應(yīng)有的作用，減少粉塵污染滿足環(huán)保要求。