风压作用对铝电解车间自然通风效果影响分析

刘显晨

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

1 电解车间自然通风现状

在实际工程设计过程中,铝电解车间自然通风形式为下部进风上部排风,进风口以3.500米操作平台为分界分为上下两部分,3.500米以上进风窗外部设置通风墙,而下部进风窗无通风墙(具体形式见图1)。下部进风窗进入室内的自然风通过操作平台上设置的格栅板进入上部区域,进而降低室内温度。3.500米操作面以上进风窗进入的自然风直接进入车间,与室内热空气混合降低室内温度。计算各个进风口的通风量时,仅考虑热压作用而未考虑室外风压作用。当室外风速较高时,如果建筑物主立面朝向与主导风向垂直,则室外风压将对自然通风效果产生影响。

图1 电解车间通风结构图

2 理论基础

自然通风的动力主要包括热压和风压两部分,对于电解车间由于电解槽发热量大且稳定,因此热压通风为自然通风的主要动力,而风压的作用较小,在设计计算中主要依靠热压和风压共同作用下产生的压差进行通风[1]。

2.1 室内外压差计算

如图2所示,房间外围护结构的不同高度上有两个窗孔a和b,两者的高差为h。建筑物受到风压、热压同时作用下,各个窗孔的内外压差就等于风压、热压单独作用时窗孔内外压差之和。

图2 自然通风理论计算示意图

窗孔a的内外压差为:

(1)

窗孔b的内外压差为:

(2)

式中:Pxa——窗孔a的余压,Pa;

Pxb——窗孔b的余压,Pa;

Ka、Kb——窗孔a、b的空气动力系数;

h——窗孔a和窗孔b之间的高差,m;

vw——窗口风速,m/s。

2.2 通风量计算

电解车间自然通风换气量为:

(3)

式中:Q——车间的总余热量,kJ/s;

tp——车间上部排风温度,℃;

tj——车间的金风温度,℃;

c——空气比热容,kJ/(kg·℃)。

2.3 各窗孔的面积计算

进风窗面积计算:

(4)

排风窗面积计算:

(5)

式中:△Pa、△Pb——窗孔a、b的内外压差,Pa;

Ga、Gb——窗孔a、b的流量,kg/s;

μ、μb——窗孔a、b的流量系数;

ρw——室外空气密度,kg/m3;

ρp——上部排风温度下的空气密度,kg/m3;

ρnp——室内平均温度下的空气密度,kg/m3。

3 计算机模拟模型的建立

3.1 车间模型建立

根据电解车间施工图设计方案,利用Airpak软件对电解车间进行建模。由于电解车间尺寸较大,并且主要散热源外部结构较为复杂,为了提高计算速度,在不影响计算精度的前提下在建模过程中对电解车间进行如下简化[4]。

(1)仅对一台电解槽以及其对应的厂房区域进行建模,与其他区域相邻的位置通过设置镜像墙来实现。

(2)对电解槽上部结构及其打料装置进行简化,均简化为规则几何体,其他位置仅保留槽外壳、母线等主要发热热源。

(3)对于室外有风的情况,设置距离车间进风口为10倍车间长度的区域为计算域,模拟室外风的情况。

为了便于计算,在计算过程中进行如下假设。

(1)自然通风状态是稳定的,气象条件等因素不随时间变化。

(2)同一水平面上各点参数按均值计算。

(3)各个孔口按等值面考虑。

经简化后建立模型如图3所示。

图3 通风整体模型

图4 电解车间放大模型

3.2 边界条件设置

车间外部进风口采用速度进口作为边界,车间内部左右两侧进风口均采用自由压力入口作为边界,而车间外部排风口设置为自由流出口,车间内通风天窗采用压力出口作为边界。

车间外部速度入口速度值从0.1 m/s开始进行模拟,风速每增加0.1 m/s作为一个工况,模拟至风速为3 m/s,共对30个工况进行了模拟计算。

4 模拟结果及分析

通过对电解车间排风量、排风温度、迎风面进风窗以及背风面进风窗风量进行分析,找出不同室外风速对电解车间自然通风效果的影响。

(1)排风量模拟结果

在不同室外风速情况下,屋顶天窗自然排风量模拟结果见图5。

图5 电解车间屋顶天窗排风量图

在不同室外风速情况下,屋顶天窗自然排风温度模拟结果见图6。

图6 电解车间屋顶天窗排风温度图

通过模拟结果可以看出,随着室外风速增加,屋顶天窗的排风量有所增大,从最小的45.25 kg/s增加至最大的48.84 kg/s。而与此对应的排风温度也随着室外风速的增加而降低,但降低幅度仍然不大,与通风量相对应,温度从39.5℃降至36.7℃。因此,室外风速的增加(即风压的增大)对自然通风有促进作用,但总体影响不大,风速从0.1 m/s增至3 m/s,通风量仅增加了约8%,排风温度降低幅度约为7.1%。

(2)迎风面进风窗进风量模拟结果

迎风面进风窗进风量如图7所示。

图7 电解车间迎风面进风窗进风量图

通过模拟结果可以看出,随着室外风速增加,迎风面进风窗的进风量有所增加。而由于上部进风窗外侧设置有通风隔墙(如图4所示)起到了一定的阻挡作用,因此上部进风窗受室外风压影响较小,下部由于无通风隔墙的阻挡作用,进风量受室外风压影响较大。

(3)背风面进风窗进风量模拟结果

背风面进风窗进风量如图8所示。

图8 电解车间背风面进风窗进风量图

通过模拟结果可以看出,随着室外风速的增加,背风面进风窗的进风量有所降低。而由于上部进风窗外侧设置有通风隔墙(如图4所示)起到了一定的阻挡作用,因此上部进风窗受室外风压影响较小。而下部进风窗没有通风隔墙的阻挡,在室外风压的作用下,当室外风速超过1 m/s时,由于迎风侧进风窗产生的正压较大,背风侧进风窗室内压力大于室外压力形成了排风的状况,进风量为负值,因此在电解车间3.5米操作面以下形成了“穿堂风”,气流组织不利于电解槽余热的排出,对自然通风的实际效果产生一定影响。

5 结论及建议

本文采用计算流体力学的方法对热压、风压联合作用下的电解车间自然通风进行了模拟计算,得出以下结论及建议。

(1)在热压、风压联合作用下,由于室内热源产生的稳定热压较大,风压作用对整个电解车间自然通风起促进作用,但对通风量以及排风温度的影响不大,仅为7%～8%。

(2)电解车间室外通风墙的设置能够有效防止由风压作用产生的 “穿堂风”,进而提高下部进风窗进入车间冷风的利用情况。

(3)当室外风速大于1 m/s时,由于风压作用背风面进风窗进风量为负值,即此时进风窗变为排风窗,不利于自然通风。因此,在实际工程设计中,如果室外风速较大,建议总图布置时考虑电解车间朝向,或采取相应的措施避免风压作用对自然通风产生不利影响。