核化工项目厂房典型设备室传热CFD模拟分析

中国核电工程有限公司 刘思涵 魏 刚 闫 征

0 引言

核化工项目厂房中有一类设备室内设有蒸发用热设备，根据工艺要求，蒸发器往往不保温，导致大量热量散失在设备室内。一方面蒸发器等用热设备需要一个高温环境减少热损失，另一方面为使混凝土围护结构不超过耐温限值需要排热。随着保温材料和技术的发展，新型快速拆装的保温材料[1]和保温结构为解决以上矛盾提供了解决方案。

本文针对设备室内发热设备的不同保温形式，对保温前后的散热情况、通风形式和效果进行模拟分析和方案比较。

1 模型建立

以某核化工项目厂房中的一个设备室为研究对象建立模型，对实际设备进行了适当简化。模型中设备室简化成一个长8.165 m、宽8.650 m、高17.000 m的长方体(如图1所示)。设备室外面是混凝土层，内部设蒸发器和泡罩塔，空气经进风管穿过设备室北侧混凝土墙进入设备室，经排风管穿过南侧混凝土墙排出房间。房间及设备具体位置尺寸见图2、3。

图1 物理模型

图2 模型俯视图

图3 模型主视图

空气(密度1.12 kg/m3，导热系数2.596 W/(m·K)，比热容1 013 J/(kg·K)，黏度1.680 8×10-5kg/(m·s))以一定的流量从上侧进风口进入房间，经下侧排风管排出房间。房间内高温设备与周围空气进行对流换热，与混凝土墙进行辐射换热，进而使得周围空气温度升高。

在实际工程中，房间内蒸发器、泡罩塔等设备温度较高，与周围空气及混凝土墙体之间存在热交换。为了使混凝土墙体温度不超过最高耐受温度，需要采取一定的措施使混凝土墙体壁面温度维持在一定范围内。例如：将房间内设备外表面包裹玻璃棉(具体材料属性见表1)、调整进排风口位置、加大进风量等。利用Fluent软件对4种不同工况(如表2所示)下房间温度场进行模拟，得到了房间及混凝土墙体的温度分布，并将不同保温方案的模拟结果进行对比，探讨最佳保温方案，并进一步模拟研究进排风口位置与进风量对温度场的影响。

为了保证模拟结果与实际物理过程相符，本文以某实际项目为模型设置边界条件。模拟的边界条件如表3所示。

表1 固体材料属性参数

表2 4种工况参数

表3 边界条件

本文选用稳态模型，湍流模型选用标准K-ε双方程模型，辐射选择DO模型。利用ICEM软件对模型进行结构化网格划分，网格总数约为130万。模拟采用SIMPLE算法，动量和能量方程按二阶迎风格式离散，湍流动能、湍流耗散率按一阶迎风格式离散。

2 模拟结果分析

2.1 设备保温对房间温度场的影响

图4给出了工况1(蒸发器不保温，泡罩塔不保温)下的房间温度分布。如图4a所示，当蒸发器和泡罩塔都不进行保温时，房间内气体温度基本维持在321～342 K之间，平均温度约为337 K。设备附近的空气由于设备表面温度较高，气体温度偏高。由图4c可知，混凝土左墙体内侧壁面最高温度可达336 K，温度接近混凝土最高耐受温度(338.15 K)。此时设备室的进风量偏大，造成能源浪费。为了保证混凝土温度低于耐受温度，需要对设备采取一定的保温措施，并降低设备室的通风量，达到节能减排的目的。

图4 工况1(蒸发器不保温，泡罩塔不保温)房间温度分布

图5给出了工况2(蒸发器保温，泡罩塔不保温)房间温度分布。由于对蒸发器表面采用包裹玻璃棉的保温措施，使得蒸发器表面温度维持在333.15 K，房间的进风量比工况1有所降低，根据规范[2]中要求的换气次数计算进风量为2 300 m3/h。如图5a所示，房间内空气温度在316～335 K之间，平均温度为324 K左右，与工况1相比房间内温度整体下降13 K。对比图4c与图5c可知，当蒸发器保温后，混凝土左墙体内侧壁面最高温度约为334 K，基本满足混凝土最高耐受温度。

图5 工况2(蒸发器保温，泡罩塔不保温)房间温度分布

工况2～4模拟结果如表4所示。

表4 工况2～4模拟结果 K

从模拟结果可以看出：泡罩塔左侧保温和不保温对于房间内平均温度影响不大，而工况3混凝土左墙体内侧壁面最高温度比工况2下降了6 K左右；工况4房间内空气平均温度321.85 K，与工况2相比下降了约2 K，与工况3相比下降了约3 K，混凝土左墙体内侧壁面最高温度为323.98 K，与工况2泡罩塔不保温相比下降了10 K左右。

图6给出了不同保温情况下设备散热量、房间排热量和墙体吸热量对比。由图6可知，在进风量相同(工况2～4)的情况下，设备包裹保温层面积越大，设备散热量越少、室内排热量越少、混凝土墙体的吸热量越少，混凝土墙体壁面整体温度越低。综合对比混凝土左墙体内侧壁面最高温度与整个混凝土墙体最高温度可以看出，工况2(即蒸发器保温，泡罩塔不保温)基本可以满足混凝土墙体的耐受温度。因此，本文后续讨论以工况2为基本工况。

图6 工况1～4下热量对比

2.2 进排风口位置对温度场的影响

为了研究进排风口位置对房间内温度分布的影响，在工况2的基础上，将进排风口位置互换(工况5)，形成一个下进上排的流动模式。2种气流组织的模拟结果如表5所示，混凝土左墙体内侧壁面温度分布如图7所示。

由表5可知，工况5房间空气平均温度为324.88 K，与工况2相比升高了0.76 K，而混凝土左墙体内侧壁面最高温度为337.39 K，比工况2升高了3 K。且当进排风口位置互换后，出口平均温度有所下降。主要是因为下进上排的风口设置使设备室内气流在泡罩塔附近扰动较小，相较于上进下排不利于设备散热量的排出。而下进上排，排风口在高处，距离设备较远，热量未完全扩散至排风口，导致出口温度降低。从图7中可以看出，工况2混凝土左墙体内侧壁面高温区集中在左下，而工况5混凝土左墙体内侧壁面高温区集中在中间，该区域与未保温的泡罩塔位置基本吻合，与热气流向上流动的实际情况相符。

表5 工况2与工况5模拟结果对比 K

图8显示了2种气流组织下设备散热量、房间排热量和墙体吸热量对比。由图8可知，工况5出口温度降低，房间排热量减少，混凝土左墙体内侧壁面温度升高。为了防止混凝土结构温度过高，选用上进下排气流组织更有利于设备室的散热。

图8 2种气流组织下热量对比

2.3 进风量对温度场的影响

为探究满足热环境时的进风量，本文以工况2为基准，对进风量2 000、1 700、1 400 m3/h 3种工况(工况6～8)进行模拟，并将模拟结果与进风量2 300 m3/h(按规范换气次数计算的进风量)进行对比，见表6。

表6 工况2及工况6～8的模拟结果对比 K

由表6可以看出，当进风量逐渐减小时，房间内平均温度上升，混凝土墙体整体温度逐渐上升，最高温度达到338.13 K。这是由于进风量减小，发热设备与空气的辐射对流换热量减少，空气所带走的热量减少。

图9显示了不同进风量下设备散热量、房间排风量与墙体吸热量的对比。由于进风量减小，使得排风口温度降低，带走热量减少，墙体吸热增多。当进风量降低至1 400 m3/h时，混凝土左墙体内侧壁面温度达到338.13 K，若进风量继续减小，则会超过338.13 K，对整个混凝土结构有较大的影响。从以上模拟结果可以推断出，当蒸发器保温、泡罩塔不保温且设备室处于上进下排流动模式时，可以将1 400 m3/h作为满足热环境需求的最小进风量，保证混凝土温度不超过338.13 K。这个最小进风量表明规范[2]中按换气次数计算的进风量较保守，当蒸发器保温、泡罩塔不保温且设备室处于上进下排的流动模式时，可以适当减小进风量，以达到节能减排的目的。

图9 不同进风量热量对比

根据2.2节分析可知，当设备室采用下进上排的气流组织、进风量2 300 m3/h时混凝土左墙体内侧壁面最高温度已经达到337.39 K。因此，针对下进上排的气流组织，2 300 m3/h可能是满足热环境的最小进风量。同时也侧面说明了上进下排的气流组织满足热环境所需的最小进风量远小于下进上排的气流组织。因此，在工程设计中采用上进下排可有效地为设备室散热，保护混凝土墙体。

3 结论

1) 设备外表面包裹保温材料可以减少设备室内散热所需的通风量，包裹保温材料面积越大，设备散热量越少，混凝土墙体的吸热越少，混凝土墙体壁面整体温度越低。综合考虑混凝土左墙体内侧壁面最高温度与整个混凝土墙体最高温度可以看出，蒸发器保温、泡罩塔不保温的情况下基本可以满足混凝土结构的耐受温度。

2) 进排风口位置不同，设备室内温度分布也不同，在其他条件相同的情况下，上进下排气流组织更有利于设备室的散热。

3) 规范中按换气次数计算的进风量相对保守，当设备室进风量逐渐减小时，房间内平均温度上升，混凝土整体温度逐渐上升。在蒸发器保温、泡罩塔不保温且设备室采用上进下排气流组织时，1 400 m3/h可以作为满足热环境的最小进风量。