纺织厂空压机房通风降温系统的优化

张 卓 强天伟 裴雨露 刘家雷

（西安工程大学，陕西西安，710048）

空压机是一种压缩空气的设备，随着工业现代化的发展，工厂对空压机的需求越来越多，被称为第四大能源设备［1］。现今每个纺织厂都会配备一定数量的空压机，用于搅拌液体、气吊、湿润、喷液、喷洒系统、输液等。实际应用中，国外进口的空压机会配有高温保护装置，在夏季运行时，由于通风不足导致空压机厂房室内温度急剧升高，触发了进口空压机的保温装置，造成停机，对纺织厂的运行造成不便，影响正常生产。并且对于具有高大空间的工业厂房来说，其内热源较多、辐射温度较高、空间较大，影响气流组织的因素较多也较为复杂，会影响厂房内的温度分布梯度以及不均匀度，也会造成冷量浪费［2］。

蒸发冷却技术是一种经济、环保的通风降温方式，可以推荐用于高大厂房的通风降温。蒸发冷却的运行能耗约为机械制冷的20%，初始投资成本约为机械制冷的50%，蒸发冷却的经济效益更显著［3］，研究蒸发冷却对空压机厂房的降温，以改善厂房室内环境，具有非常重要的现实意义。系统式局部送风是通过管道将处理过的新鲜空气运送到局部工作区域，可以通过设定有效的速度，吸卷周围空气，与管道送来的新风进行混合分布在工作区域周围，从而降低了区域内有害气体的浓度，提高了空气品质。随着工业企业不断注重工人的职业卫生健康，人们对工作环境的要求在提高，局部送风受到了越来越多的重视。我们对西安某纺织厂空压机房夏季运行时不同时间段的温湿度、速度进行现场测试，并借助CFD 数值模拟作为辅助手段，采用蒸发冷却局部送风的方式对该厂房的通风降温系统进行了优化研究。

1 CFD 模拟方法

1.1 物理模型

把复杂的厂房模拟成整体长12 000 mm、宽9 000 mm、高9 000 mm 的长方体，将国产空压机K⁃1、K⁃2 模拟成 1 900 mm×900 mm×1 650mm的长方体，将进口空压机 K⁃3、K⁃4、K⁃5 模拟成 2 000 mm×1 200 mm×1 680 mm 的长方体，冷冻干燥机模拟成950 mm×650 mm×1 000 mm的长方体。蒸发式冷气机DEC1、DEC2 分别布置在东墙和南墙距离地面高2 500 mm 处。空压机房几何模型如图1 所示。

图1 空压机房几何模型

1.2 数学模型

空压机房气流流态为湍流流动［4］。目前工程应用中的数值模拟方法主要有：直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和基于雷诺平均N⁃S 方程组（RANS）的模型。笔者选用适用于模拟室内气流流动的RANS 中的标准k⁃ε模型对机房室内气流组织进行模拟。数学模型控制方程包括：连续性方程、动量方程、能量方程、湍动能k方程、耗散率ε方程，其通式为：

式（1）中：ρ为空气密度；t为时间；V为速度矢量；φ为速度在 x、y、z 方向的分量，当φ=1 时，方程变为连续性方程；ΓΦ为各应变量的有效扩散系数；SΦ为广义源项。

1.3 边界条件

边界条件如表1 所示。

国产空压机散热量为510 W/m2，进口空压机的散热量为4 160 W/m2，冷冻干燥机散热量是450 W/m2，现场操作人员仅在进行操作机器控制时候做短暂的停留，不长期留在空压机厂房内，所以在设计通风降温时候，不考虑对人的影响。不考虑厂房围护结构的厚度以及进排风受到室外风的影响。当流体进行传热时，流体的密度随着温度变化而改变，流体的密度改变与重力作用一起促使流体流动，成为浮力驱动流，是我们要解决的对流问题。FLUENT 处理对流传热问题有两种方法：第1 种是流体区域密度变化不大的区域，选用Boussinesp 模型；第2 种是利用理想气体方程组来描述组分的密度。对大多数自然对流问题，可以用Boussinesp 模型，其收敛速度比依赖于速度和温度变化的模型更快，计算效率高。这种模型一般设置密度为常数，Boussinesp 方程如下：

式（2）中：ρo为流体的密度，kg/m³；To为工作区域环境温度，℃；β为流体热膨胀系数，1/K。

流体区域密度变化很小，β(T-To)远小于1 时，Boussinesp 的近似是适用的。当区域温度变化很大的时候，则不适合采用这种模型。厂房内的温度变化比较大，此时应该选用第2 种方法（利用方程组来描述组分的密度）来处理流体问题。

表1 边界条件

2 计算结果及分析

厂房内的空气流速属于低速流动，其内部的气流可以假设为不可压缩的稳态湍流流动［5］，开启 DO 辐 射 模 型 ，选 择 有 限 体 积 法 的标准k⁃ε模型，采用基于压力基的二阶迎风格式，速度耦合通过SIMPLE 算法进行求解，最后设置收敛标准，初始化后设置迭代步数，进行计算，达到收敛。根据不同的运行工况进行模拟，分析厂房内的温度场和速度场情况。

2.1 工况1（空压机K⁃2、K⁃3、K⁃4 运行）

根据空压机的布置情况及高度，选取了合适的截面来分析室内的温度场和流场。图2 表示了Y截面处的速度矢量图。图3 给出了Y方向截面处的温度分布图。

从图3 可以看出，在空压机 K⁃2、K⁃3、K⁃4 运行的情况下开启两台蒸发冷却设备进行通风降温时，空压机K⁃2 设备散热量较小，设备表面温度较低。而空压机K⁃3 和K⁃4 的表面温度很高（图中红黄色区域），不能满足进口空压机对于温度的要求，不利于散热。造成这种结果的原因是两台蒸发冷气机交叉送风，互相干扰，使得气流偏移，降温效果降低，冷空气无法足量达到空压机周围，导致其散热不良（如图2 所示）。

图2 空压机房截面速度分布图（Y=2 m）

图3 空压机房截面温度分布图（Y=1 m）

2.2 工况2（空压机K⁃2、K⁃5 运行）

同样根据空压机的布置情况及高度，选取了合适的截面来分析室内的温度场和流场。图4 表示了Z截面处的速度矢量图。图5 分别给出了Z方向截面处的温度分布图。由图4 可以看出，蒸发冷却机DEC⁃1 的送风气流在末端偏移，形成显著的上升气流，冷空气在末端无法到达空压机K⁃5 周围，达不到对其进行通风降温的目的。

图4 空压机厂房截面速度分布图（Z=6.5 m）

图5 空压机厂房截面温度分布图（Z=6.5 m）

3 优化措施及效果对比

3.1 优化措施

现有的通风降温方案，由于蒸发冷却设备布置的原因，会造成两台设备送风相互干扰、相互交叉，可以调整蒸发冷却设备的安装位置，使两台设备平行送风，避免交叉干扰。因为厂房场地限制，空压机之间的安装距离过小，不符合规范，设备会散发大量的热气流，影响蒸发冷却设备正常的送风，使其形成上升气流无法到达空压机周围，可以采用风管局部侧送风的方式，对厂房内的设备进行局部降温［6］。

将两台蒸发冷却设备平行布置在北墙处，室内设置风管，进行送风。蒸发冷却机DEC⁃1 连接的风管有12 个送风口，每台空压机对应3 个送风口，中间的风口吹覆空压机的上表面，左右两边的风口各吹向空压机左右两个侧面；由于冷干机散热较小，所以蒸发冷却机DEC⁃2 连接的风管仅需4 个送风口，每个送风口各自吹覆冷干机的上表面。优化方案的平面布置图如图6 所示。

对优化后的厂房布置进行再次数值模拟，计算方法和边界条件的设置保持不变，对空压机厂房第1 种运行工况（K⁃2、K⁃3、K⁃4 运行）进行模拟分析计算，从空压机局部和厂房整体来看，在这种方案下，送风气流可以直接送达到需要降温的空压机附近，同时，气流可以从窗户、门排出，不会形成涡流。有关效果如图7 和图8 所示。

图6 优化方案平面布置图

图7 空压机局部送风模拟效果图

图8 空压机房送风模拟效果图

3.2 效果对比

对空压机厂房通风降温方案进行优化设计，目的是为了对设有保护装置的国外进口空压机进行降温，使得空压机周围的环境温度在40 ℃以下。为了评价优化设计方案的通风降温效果，这里在空压机厂房内Y=1.0 m 截面处布置测点，测点选在能够反映空压机周围热环境的位置，一般布置在房间对角线上或者按梅花式均匀布置［7］，选取 20 个测点进行测试，如图9 所示。

图9 测点布置图

提取各个测点的模拟温度值，测点优化前后平均温度如表2 所示。

表2 空压机厂房Y=1.0 m 截面处测点优化前后温度

从表2 中可以看到，设计优化前后各个测点的温度显著降低，虽然个别的测点温度有所上升，但是空压机设备周围平均温度下降明显。计算可得优化前的温度不均匀系数为0.157 6，优化后的温度不均匀系数为0.112 0，优化后的效果更好。

4 结束语

纺织厂普遍使用空压机生产压缩空气，空压机发热量较大，环境温度对空压机的安全经济运行影响较大。对空压机使用集中的空间一般采用蒸发冷却机进行降温。我们对西安某纺织厂空压机房降温效果进行了分析研究，提出了通风降温优化方案，降温效果显著，能够有效地对空压机进行降温。并且优化后的气流互不干扰，可以输送到每台设备周围，送风气流直接从西侧的门窗出去，也不需要设置地排，送风气流按照设计的要求流动，通风降温效果达到要求。