某柴油发动机试验厂房通风降温的数值模拟分析

2020-08-03韩敏沈恒根

建筑热能通风空调 2020年6期

韩敏沈恒根

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

柴油发动机试验厂房内一般放置有待测柴油发动机、测功机等设备。试验过程中，这些设备会产生大量热量，同时会有部分有害物散发到厂房空间内[1-2]。故在发动机试验厂房内设置合理的通风降温系统显得尤为重要，以用于带走被试发动机及试验厂房内其它设备产生的热量及有害气体，从而为发动机试验提供稳定，合适的温湿度及空气清洁度条件，保证设备安全运行，同时，亦保证工作区工作人员的健康安全。然而由于厂房内设备散热量大，在夏季工况下，采用全新风的全面通风方式有时无法达到预期的降温效果，采用传统制冷空调应用于工业厂房则能耗大，运行费用较高，对环境也会造成一定污染[3]。而蒸发冷却通风降温技术利用水蒸发吸热，具有环保、高效、经济等诸多优点[4]。

本文设计了传统的全新风、室外新风蒸发冷却、室外新风蒸发冷却+热污染区环境蒸发冷却三种技术方案，并通过模拟计算预测三种技术方案通风降温的效果。

1 建立计算模型

1.1 物理模型

本文研究对象为某柴油发动机试验厂房，厂房大小为长（Y 轴）×宽（X 轴）×高（Z 轴）=40 m×15.4 m×15 m。厂房内对称布置两个大小相同的试验台，试验台大小为长（Y 轴）×宽（X 轴）×高（Z 轴）=10.8 m×3.5 m×0.35 m。试验台上布置有柴油发动机及测功机，其中柴油发动机额定功率为1320 kW。

由于厂房内试验台布置左右对称，故取厂房左侧建立物理模型，Y=20 m 截面为对称界面，厂房物理模型如图1 所示。在不影响模拟结果的情况下，为便于模拟计算及分析，对柴油发动机试验厂房通风模拟计算做出如下假设：

1）厂房内柴油发动机机及测功机为主要散热设备，其余设备的散热量比较小可忽略不计，柴油机及测功机的散热量见表1。

2）柴油发动机及测功机简化为长方体，散热形式等效成除底面，其余五面均匀向厂房内散热。

3）厂房内空气的流动过程则是不可压缩的稳态流动。

4）厂房内设备热辐射较小，可忽略不计。

5）厂房内设备散热量大，不考虑散湿量。

图1 试验厂房物理模型

表1 厂房空间设备散热量

1.2 数学模型及边界条件选取

本文试验厂房内的流体流动和传热传质应遵循基本的物理定律有：连续性方程，动量守恒方程，能量守恒方程以及组分守恒方程。

本文计算模型选用Realizable k-ε 湍流模型和组分输运模型，求解方法选用压强和速度耦合算法中的SIMPLE 算法，离散格式选用二阶迎风格式。

各边界条件设置情况：将散热设备表面设定为热流密度边界条件，将其余的壁面及地面设定为绝热壁面。由于本文中数值计算模型以Y=20 m 竖直截面对称，故将此截面设定为对称边界条件。送风口设置为速度入口边界条件。排风口设置为压力出口边界条件。

2 方案设计

2.1 全新风通风方式

采用机械进风机械排风的全新风全面通风方式即工况一，通风量计算公式为[5]：

式中：Lr为消除余热所需通风量，m3/h；Q 为余热量，kW；c 为空气的比热容，其值为1.01 kJ/(kg·℃)；ρj为进入的空气密度，kg/m3；Δt 为送排风温差，℃。

厂房内人员工作区温度控制要求为≤34 ℃柴油发动机运行环境温度控制要求为≤55 ℃。工况一送排风温差取8，送风口设于南侧内墙，共12 个，每个送风口尺寸为800 mm×800 mm，风口中心距离地面2.4 m，各送风口间中心距为3 m。排风口设于北侧内墙，共12 个，每个排风口尺寸为DN1000 mm，风口中心距离地面13 m，各排风口间中心距为3 m。

2.2 室外新风蒸发冷却通风方式

采用室外新风蒸发冷却的通风方式即工况二，室外新风先经过直接蒸发冷却设备进行等焓降温处理，新风被处理至相对湿度90%时的温湿度状态由风机送入厂房内。通风量按式（1）计算，送排风温差取11.5 ℃，送排风口大小及布置方式同工况一。

2.3 室外新风蒸发冷却+热污染区环境蒸发冷却通风方式

采用室外新风蒸发冷却+热污染区环境蒸发冷却的通风方式即工况三，进风系统仍采用直接蒸发冷却机组对室外新风进行等焓降温处理至空气相对湿度为90%后再送入室内，而在发热设备背风侧上方布置直接蒸发冷却设备，利用室内风循环进入机组，将厂房内部分显热转化为潜热，从而达到降温效果。进风系统的通风量的计算公式为：

式中：QP为室内蒸发冷却设备负担排热量，kW。

本案例选用4 台直接蒸发冷却设备，尺寸为长×宽×高=1.250 m×1.250 m×1.310 m，负担显热量约60 kW，布置于设备后侧上方位置。设备四个侧面进风，底面出风，进风口尺寸为宽×高=1.000 m×1.000 m，出风口尺寸为长×宽=800 m×800 m。厂房送排风口大小及布置方式同工况一。

3 计算结果及分析

3.1 三种工况水平截面温度控制对比分析

三种工况下Z=1.5 m 处水平截面（人员呼吸高度）的温度分布图见图2。图2（a）显示，工况一Z=1.5 m 处水平截面上人员工作区温度绝大部分超过标准要求的34 ℃的限值，大部分区域温度在36 ℃左右。当人长期处在≥35 ℃的高温环境中，会产生体温升高、水盐代谢紊乱、行为能力下降等问题[6]，所以工况一时人员工作区热环境非常不利于人员工作。设备所在区南北两侧温度差异明显，设备南侧即迎风面一侧较背风面温度更低，且设备背风侧局部地区超过55 ℃限值，不利于设备的安全运行。图2（b）表明，工况二厂房Z=1.5 m 截面大部分位置温度已低于34 ℃，但厂房南侧人员工作区仍有部分空间温度高于34 ℃，在36 ℃以下，虽然与原始工况相比已下降2 ℃左右，但仍未达到标准要求的温度，还需做出改进。图2（c）显示，工况三时该截面人员工作区位置的温度已全部控制至34 ℃以下，部分位置温度可低于32 ℃，满足标准要求。

图2 三种工况Z=1.5 m 处水平截面的温度分布图

图3 三种工况水平截面的平均温度随高度变化图

三种工况水平截面平均温度随高度变化见图3。其中人员工作区主要位于高度2 ℃以下位置，厂房内设备所在区域主要位于高度4 m 以下位置。如图可知，工况一时高度4 m 以下的各水平截面的平均温度均低于39 ℃，满足设备运行所需环境平均温度，但人员工作区各截面的平均温度在36～38 ℃之间，不满足标准要求。工况二时高度4 m 以下各水平截面平均温度低于36 ℃，与工况一对应截面平均温度相比，降幅在2～4 ℃，且人员工作区各截面平均温度在33 ℃左右，满足人员工作区平均温度要求。工况三时高度4 m 以下各水平截面平均温度低于35 ℃，与工况一对应截面平均温度相比，降幅在3～5 ℃，且人员工作区各截面平均温度在32 ℃左右，由此可见，工况三的降温效果更加显著。

3.2 三种工况竖直截面温度控制对比分析

三种工况下Y=9.5 处竖直截面的温度分布图如图4 所示。从图4（a）可以看出，送风气流边界与周边的空气不断在动量及质量上进行交换，射流流量不断增大，射流温度不断增加。然而因气流风速的自然衰减以及受发动机表面的阻挡，致使发动机顶部及后侧部分区域只有较少温度相对较低的气流经过，导致发动机顶部及后侧温度较高。由图4（b）可知，工况二时人员工作区位置大部分温度已低于34 ℃，但送风气流下部有部分区域超过34 ℃，在34～36 ℃之间。发动机后侧区域高温情况消失，由于送风气流温度降低，送风气流下沉，送风风速减小。风速自然衰减及发动机前侧阻挡，到达发动机顶部的低温气流较少而无法带走大量热量，导致发动机上方区域出现局部高温，超出限定的55 ℃，不满足发动机安全运行的环境温度要求。图4（c）显示，室内直接蒸发冷却设备利用室内风循环进入，将显热量变为潜热量，室内高温空气进入蒸发冷却设备，经等焓降温处理后再以一定角度由出风口送出，直达发动机顶部，从而使发动机上部环境温度低于限定值，满足发动机运行的环境温度要求。

图4 三种工况Y=9.5 m 处竖直截面温度分布图

图5 三种工况Y=13 m 处竖直截面温度分布图

图5 为三种工况Y=13 m 处竖直截面的温度分布图。从图5（a）可以发现，测功机后侧作为背风侧温度过高，部分区域的温度超过设备运行所需的环境温度55 ℃，将不利于设备的良好运行。原因在于近热源的表面的附近的空气层受热膨胀，射流受其影响开始变得弯曲，偏离原来的射流轴线而向上运动，并且由于受机阻挡及射流速度的自然衰减，流过测功机顶部的气流速度逐渐降低，测功机后侧形成死区，不能进行充分换热，导致测功机后侧温度偏高。图5（b）表明，工况二时测功机后侧超温区域已有所缓解，只有测功机后侧上方区域温度还相对较高。图5（c）显示，室内直接蒸发冷却设备送风直达测功机后部区域，完全改善了测功机后侧超温现象，为发动机安全运行提供了环境温度保障。

3.3 三种工况通风量对比分析

图6 为三同工况通风量与工作区平均温度对比图，由图可知，工况一通风量为139546 m3/h，工作区平均温度为37.17 ℃，工况二通风量为96202 m3/h，工作区平均温度为33.22 ℃，工况三通风量为80134 m3/h，工作区平均温度为32.25 ℃。说明采用全新风的通风方式通风量大，降温效果有限，夏季炎热工况时，不能满足厂房内人员工作区温度要求，采用蒸发冷却通风降温的方式可有效降低人员工作区平均温度，能够满足标准要求，取得良好的通风降温效果，同时可减少送排风量，尤其采用第三种工况形式，人员工作区平均温度及送风系统送风量均可在第二种工况基础上进一步降低。