冬季最不利情况下车间气流组织数值模拟

任晓利,陈小砖,袁东升

(河南理工大学材料科学与工程学院,焦作454000)

对于现代的工艺空调车间,不但要满足工艺方面的要求,而且还要营造良好的室内人工环境。在生产过程中必须保证生产工艺所要求的温度、风速、湿度,为生产提供条件,同时也要求提供合适的新风量,保证一定的洁净度和噪声标准,为工作人员提供良好的工作环境,空气调节是实现这些人工环境的最佳手段[1～3]。

本文用计算流体动力学软件——Airpak,对子午胎车间02区在冬季最不利条件下的温度场和速度场进行模拟分析与预测,评价此空调系统的空调效果。

1 车间简介

子午胎车间02区长、宽、高为181m×81m×9m,东西两侧都有相同的空调车间,南侧有裙房,为两层办公楼,墙体全部为24墙,外墙为保温混凝土外墙,内墙为混凝土内隔墙,屋顶为沥青膨胀珍珠岩保温屋顶,地板为水泥混凝土地板,在高于地板6m与送回风口相平处设有天花板。车间进出口设置在车间南墙,东、西墙分别有3m×4m的内门与01区、03区相通,其中01区车间温度略高于02区,03区车间温度略低于02区[4]。

车间布置64台设备且排列条理,车间东部为小型机械设备,功率相差不大,可以简化处理,车间设备布置如图1所示。天花板上均匀布置1 600只40W的照明灯管,工作人员70人/班,实行三班制,保持全天工作状态,生产实行机械化,工人的劳动强度不大。车间安装了集中式通风空调系统,采用12组AF-50型组合式空调机组对02区进行空气调节,送回风量6.0×105m3/h,换气次数为5.5次 (新风为1.65次),天花板上均匀布置162个圆形送风口,车间东西两侧各布置一排矩形风口,每排6个,共12个。

图1 子午胎车间半成品和设备布置示意图

2 物理模型建立及边界条件确定

根据子午胎车间02区的实际建筑结构尺寸,对其进行了一定的简化,建立了如图2所示的数值模拟物理模型,模型尺寸为 181m(长)×81m(宽)×6m(高),分别对应于z,x,y三个方向,其中x轴的正向指北方[5]。

(1)本课题研究的是稳态问题,不需要初始条件[6]。

(2)人员按70人/班计算,生产实行机械化,工人的劳动强度不大,按中度劳动计算,群集系数取0.9,由于人员来回走动,人员发热量简化为均匀分布在车间内部,与地板发热量综合为地板传热量[6,7]。

(3)设备按照功率、效率计算出发热量,由于设备布置条理且较紧凑,模型建立时采用等效的方法,设备发热量具体数值如表2。

(4)灯光发热量与天花板传热量综合为天花板一项。

(5)室外计算干球温度:-8℃;空调系统送风温度:31℃;空调系统送风量:6.0×105m3/h;车间设备开工状况:设备全负荷运转;车间空调系统运行状况:正常。

(6)壁面不可渗透,应满足的边界条件是无滑移边界条件,认为壁面处流体速度与壁面该处的速度相同,本课题模型壁面固定,流体的速度就为零,流体作用在固体壁面上任一点处的应力,与固体壁面在同一点处对流体作用的应力大小相等,方向相反。

(7)热力学边界即围护结构的传热量按常热流形式设定,具体数值如表1所示,表中 “+”表示得热量,“-”表示散热量。

(8)回风口处的各物理量按局部单向化的方式处理,即假定出口界面上的节点对第一个内节点已无影响,规定出口压力为0。

图2 物理模型

表1 车间围护结构传热量

表2 人员设备负荷表

3 模拟结果

从图3、图4可以看出:子午胎车间02区在空调系统的作用下,室内温度比较稳定,变化幅度较小,在工作区内大部分区域温度在20～24℃之间,满足人体舒适度标准和生产工艺性要求[9]。人体脚踝与头部的温差小于1℃,满足人体舒适度脚踝与头部的温差小于3℃的标准。

由图5、图6可知:工作区内风速较小,大部分区域风速都小于0.3m/s,符合人体舒适度要求[6,7]。

由图7、图8、图9、图10知:送风气流在旋流风口中心处气流温度较高,风速较大,随着射程的增大,气流温度和速度都有减小的趋势,当送风气流下降到地面附近的发热设备时,温度升高并卷吸设备产生的热气流,在其浮升力的作用下上升[8]。

分别在车间北部、中部、南部选取三个典型平面,在工作区内高度分别为0.5m和1.5m的位置选取60个典型测点进行研究。典型平面上部分测点的温度随高度变化曲线图如图11、图12、图13所示。

图13 x=63m的平面上温度随高度的变化

由图11可知,由于x=8m的平面靠近南墙,而南墙设置外门供人员出入,有冷风从此门入侵,且平面附近没有大的发热设备,故x=8m的垂直平面上温度较其他地方低一点,在0～3m高度内,由于地面附近机器设备的影响,温度随高度增加而升高,在3～5.5m高度内地面附近机器设备的影响逐渐减弱,温度随高度增加而降低,在顶板附近,气流温度急剧降低,最后等于顶板温度。

由图12可知,由于x=36m的平面位于车间中央,温度随高度增加而降低,在顶板附近,气流温度急剧降低,最后等于顶板温度。

由图13可知,由于x=63m的平面位于车间北侧,平面附近有大的发热设备,故在地面附近由于发热设备的影响,气流温度较高,之后随高度增加气流温度受发热设备的影响减小,故温度随高度增加而降低,在2.5～4.5m高度范围内,温度几乎不变,在顶板附近,气流温度急剧降低,最后等于顶板温度[9]。

4 冬季最不利情况下车间气流组织性能评价

用符合既定温度要求的测点的比例数Ft和符合既定速度要求的测点的比例数Fv来评价气流组织的性能[10]。

式中:

n—空调区的测点数;

ngt—符合温度要求的测点数;ngv—符合速度要求的测点数。

我们在空调区选取了60个特殊点,根据模拟结果可以算出:

可以看出,车间内大部分区域温度满足要求,风速欠佳,车间内气流组织还有很大的改善空间。

5 结论

从上面的模拟计算和分析可以知道:目前使用的空调系统气流组织设计效果不是很理想,虽然大部分区域能满足人体舒适度和生产工艺要求,但冬季室内温度偏高,风速欠佳,这样的气流组织设计不满足我们的节能要求,车间内气流组织还有很大的改善空间,这是由于设计时缺乏有效的预测手段,只是按照以往的经验计算来核定围护结构的传热负荷,在负荷计算时安全系数选得偏大造成的。

[1] 赵荣义.空气调节(第三版)[M].北京:中国建筑工业出版社,1994:1-3

[2] 羊爱平.室内空气品质及其主要影响因素[J].制冷,2005,24(2):33-36

[3] 陶文铨.计算传热学的近代进展[M].北京:科学出版社,2000:193

[4] 孙方田.河南轮胎厂子午胎车间气流组织模拟分析及评价研究[D].焦作:河南理工大学,2004

[5] AIRPAK 2.1 DOCUMENTATION

[6] 中国有色金属工业总公司,采暖通风与空气调节设计规范(GBJ19-87)[S].2001:5-6

[7] 陶文铨.数值传热学 (第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001:290

[8] 潘毅群,白玮,谭洪卫.某剧场座椅下送风空调方式的温热环境与气流分布研究[C].全国暖通空调制冷2002年学术年会,629-632

[9] 荣莉.送风口和热源位置对置换通风系统影响的数值模拟研究(D).哈尔滨:哈尔滨工业大学,2004

[10] 郑启华.房间气流组织各种可能性的能量经济评价[J].暖通空调,1979,9(4):27-30