渦旋通風(fēng)技術(shù)在赤泥壓濾車間的應(yīng)用

劉顯晨,曹智翔 ,曹瑩雪,劉 波

(1.沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001;2.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710055;3.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國家重點實驗室,陜西 西安 710055;4.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)是工業(yè)建筑中消除廠房內(nèi)余熱余濕的主要方法,合理的選擇通風(fēng)形式不但能夠保證車間內(nèi)的熱濕環(huán)境。保證工人的身體健康,還可以在很大程度上節(jié)約能源。赤泥壓濾車間作為氧化鋁生產(chǎn)工藝中不可或缺的工段,其通風(fēng)效果的優(yōu)劣直接影響工人的操作環(huán)境,保證赤泥壓濾車間有一個舒適的熱濕環(huán)境,能夠在一定程度上提高工人的勞動生產(chǎn)率。本文通過計算機(jī)模擬的方式,對不同渦旋通風(fēng)方案在赤泥壓濾車間的應(yīng)用進(jìn)行計算,為工程設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

1 赤泥壓濾車間通風(fēng)現(xiàn)狀

赤泥壓濾車間內(nèi)共有壓濾機(jī)11臺,在工作過程中壓濾機(jī)向廠房中散發(fā)余熱余濕,散發(fā)物的形式主要為水蒸氣。為保證室內(nèi)環(huán)境,當(dāng)前廠房通風(fēng)一般采用下部進(jìn)風(fēng)上部排風(fēng)的自然通風(fēng)方式,屋頂設(shè)自然通風(fēng)器。在非采暖季,由于室外溫度較低,導(dǎo)致車間內(nèi)溫度較低,車間內(nèi)散發(fā)水蒸氣凝結(jié)后生成水霧,密度較大,沉積于車間下部,通過屋頂排風(fēng)難以排除,導(dǎo)致車間內(nèi)霧氣彌漫,視野嚴(yán)重受限,對生產(chǎn)安全以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備耐久性造成嚴(yán)重影響。

2 渦旋通風(fēng)基本理論

渦旋通風(fēng)是一種利用送、排風(fēng)氣流形成類似龍卷風(fēng)的柱狀空氣渦旋,以實現(xiàn)通風(fēng)換氣的氣流組織模式。柱狀空氣渦旋主要有以下兩個顯著特征:一方面,柱狀空氣渦旋在底部平面附近存在顯著的負(fù)壓梯度,具有很強(qiáng)的匯聚卷吸能力;另一方面,柱狀空氣渦旋具有高軸向速度的穩(wěn)定流動結(jié)構(gòu),可通過渦旋通道實現(xiàn)對氣體有害物的長距離高效輸運(yùn)。因此當(dāng)將這種氣流組織形式應(yīng)用于高大空間建筑時,可將下部工作區(qū)內(nèi)的空氣快速匯聚并輸送到房間上部排風(fēng)口位置[1]。

在開放空間中,渦旋通風(fēng)的應(yīng)用主要有兩種形式:底部角動量送風(fēng)模式和全流域角動量送風(fēng)模式。底部角動量中下部是由送風(fēng)角度可調(diào)的射流風(fēng)機(jī),以及中間上部的排風(fēng)風(fēng)機(jī)組成的通風(fēng)系統(tǒng)。這種底面角動量渦旋送風(fēng)模式更適用于生產(chǎn)工藝對污染源附近凈空限制嚴(yán)格、污染物散發(fā)量大,但所需傳輸距離較短的局部通風(fēng)場合。與之對比,全流域角動量送風(fēng)模式適用于生產(chǎn)工藝凈空限制小、污染物傳輸距離長的場合,或者需要渦旋通風(fēng)發(fā)生一定程度彎曲、變向或需要局部加強(qiáng)渦旋強(qiáng)度以抗環(huán)境干擾的場合,通過該模式可將污染物低耗散、長距離輸運(yùn)至排風(fēng)口位置清除。

根據(jù)以往研究已知,生成柱狀空氣渦旋需要滿足以下3個必要條件:

(1)在平面上存在滯止點,平面附近的氣流向滯止點輻合流動;

(2)輻合流動中存在渦量;

(3)滯止點位置存在軸向上升氣流。

來自各個方向的送風(fēng)氣流旋轉(zhuǎn)輻合,并在輻合中心的地面上形成滯止點。上升氣流將滯止點附近匯聚的輻合空氣向上軸向拉伸,形成柱狀空氣渦旋核心。

3 渦旋排風(fēng)方案

根據(jù)渦旋通風(fēng)理論以及廠房實際情況,本文選擇了大尺度渦旋排風(fēng)和小尺度渦旋排風(fēng)兩個方案進(jìn)行對比,具體方案如下。

3.1 大尺度渦旋排風(fēng)方案

根據(jù)柱狀空氣渦旋的基本生成原理可知,為了在實際廠房中應(yīng)用渦旋通風(fēng),上升氣流和底部角動量氣流都是必需的。因此,需要在廠房上部增設(shè)頂部機(jī)械排風(fēng)以提供上升氣流,通過在室內(nèi)設(shè)置循環(huán)風(fēng)機(jī)提供角動量送風(fēng)。擬采用一套渦旋通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)4臺壓濾機(jī)除濕的工作方案,廠房共有壓濾機(jī)11臺,擬設(shè)計采用3套渦旋通風(fēng)系統(tǒng),每套包括1個屋頂排風(fēng)口和8個下部吹風(fēng)風(fēng)扇,渦旋通風(fēng)設(shè)計方案見圖1及圖2。

圖1 通風(fēng)方案俯視圖

圖2 通風(fēng)方案側(cè)視圖

頂部排風(fēng)設(shè)計:擬定車間總排風(fēng)風(fēng)量為每小時10次換氣次數(shù),經(jīng)計算排風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 大尺度渦旋排風(fēng)方案送風(fēng)參數(shù)表

下部送風(fēng)設(shè)計:用于形成渦旋的角動量送風(fēng)由位于渦旋區(qū)四周的大尺寸工業(yè)風(fēng)扇提供,每套渦旋通風(fēng)系統(tǒng)需獨立配置8臺大尺寸工業(yè)風(fēng)扇。送風(fēng)水平角度為15°,仰角5°,大尺寸工業(yè)風(fēng)扇在豎直方向上布置兩層。擬選用送風(fēng)風(fēng)扇風(fēng)量150 m3/min,送風(fēng)速度Vs=9.4 m/s。

3.2 小尺度渦旋排風(fēng)方案

小尺度渦旋排風(fēng)方案是利用4臺角動量送風(fēng)風(fēng)扇+1臺頂部排風(fēng)風(fēng)機(jī),實現(xiàn)半側(cè)車間污染源的渦旋排風(fēng)。則控制全車間11臺壓濾機(jī)散發(fā)的水蒸氣需要6套渦旋排風(fēng)系統(tǒng)。其送排風(fēng)設(shè)置如圖3所示。

圖3 局部渦旋通風(fēng)系統(tǒng)布置方案

頂部排風(fēng)設(shè)計:擬定車間總排風(fēng)風(fēng)量為每小時10次換氣次數(shù),經(jīng)計算排風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 小尺度渦旋排風(fēng)方案送風(fēng)參數(shù)表

下部送風(fēng):單套渦旋通風(fēng)系統(tǒng)所需底部送風(fēng)風(fēng)扇4臺,擬選用送風(fēng)風(fēng)扇風(fēng)量150 m3/min,送風(fēng)角度30°,仰角10°,送風(fēng)速度為10 m/s。

4 方案模擬結(jié)果

4.1 大尺度渦旋排風(fēng)模擬

本文采用流體力學(xué)軟件Fluent對廠房通風(fēng)方式進(jìn)行模擬計算。通過數(shù)值模擬,對廠房中上述渦旋通風(fēng)設(shè)計方案效果進(jìn)行驗證,送排風(fēng)參數(shù)與原設(shè)計方案保持一致。結(jié)果顯示該設(shè)計方案可以在廠房中生成良好渦旋,效果見圖4～圖7。4臺機(jī)器均處于渦旋控制區(qū)內(nèi)。對比僅頂部排風(fēng)時的情況,渦旋通風(fēng)在水平面與垂直面上存在明顯的負(fù)壓梯度和上升氣流。渦旋通風(fēng)條件下,機(jī)器近表面垂直上升速度1 m/s。僅排風(fēng)條件下,機(jī)器近表面垂直上升速度0～0.2 m/s。結(jié)果表明渦旋通風(fēng)具有良好的匯聚和輸運(yùn)能力。

圖4 僅排風(fēng)時氣流上升速度

圖5 渦旋通風(fēng)時氣流上升速度

圖6 渦旋通風(fēng)時壓力分布

圖7 渦旋通風(fēng)時污染物跡線圖

4.2 小尺度渦旋排風(fēng)方案

渦旋通風(fēng)效果如圖8所示,系統(tǒng)也可生成渦旋氣流,但由于底部渦流區(qū)面積過小,距離過于接近,導(dǎo)致兩個渦旋結(jié)合處的控制效果減弱,部分污染物沒有進(jìn)入渦旋,而出現(xiàn)無組織擴(kuò)散流動,生成渦旋不夠穩(wěn)定,削弱了渦旋排風(fēng)效果。

圖8 小尺度渦旋排風(fēng)方案的速度分布和污染物擴(kuò)散跡線

5 結(jié)論及建議

本文分別通過計算機(jī)模擬計算和縮尺實驗,對赤泥壓濾車間采用渦旋通風(fēng)的效果進(jìn)行驗證,得出以下結(jié)論及建議:

(1)在10次換氣次數(shù)的前提下,使用渦旋通風(fēng)方案可有效實現(xiàn)對下部水霧的匯聚和排除,盡可能降低赤泥壓濾生產(chǎn)過程散發(fā)水霧的室內(nèi)滯留。

(2)小尺度渦旋排風(fēng)方案的渦旋間距過近,渦旋氣流不夠穩(wěn)定。同時風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)線中密集布置,不利于生產(chǎn)工藝。

(3)如有條件,增大換氣次數(shù),有助于進(jìn)一步提高渦旋排風(fēng)效果。

(4)對于已建成赤泥壓濾廠房,采用渦旋排風(fēng)方案,需要修改屋頂排風(fēng)位置,將排風(fēng)口連接至車間中軸線,從而實現(xiàn)渦旋排風(fēng)。