涡旋通风技术在赤泥压滤车间的应用

刘显晨,曹智翔 ,曹莹雪,刘 波

(1.沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001;2.西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院,陕西 西安 710055;3.西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室,陕西 西安 710055;4.西安建筑科技大学 资源工程学院,陕西 西安 710055)

自然通风和机械通风是工业建筑中消除厂房内余热余湿的主要方法,合理的选择通风形式不但能够保证车间内的热湿环境。保证工人的身体健康,还可以在很大程度上节约能源。赤泥压滤车间作为氧化铝生产工艺中不可或缺的工段,其通风效果的优劣直接影响工人的操作环境,保证赤泥压滤车间有一个舒适的热湿环境,能够在一定程度上提高工人的劳动生产率。本文通过计算机模拟的方式,对不同涡旋通风方案在赤泥压滤车间的应用进行计算,为工程设计奠定了理论基础。

1 赤泥压滤车间通风现状

赤泥压滤车间内共有压滤机11台,在工作过程中压滤机向厂房中散发余热余湿,散发物的形式主要为水蒸气。为保证室内环境,当前厂房通风一般采用下部进风上部排风的自然通风方式,屋顶设自然通风器。在非采暖季,由于室外温度较低,导致车间内温度较低,车间内散发水蒸气凝结后生成水雾,密度较大,沉积于车间下部,通过屋顶排风难以排除,导致车间内雾气弥漫,视野严重受限,对生产安全以及围护结构和设备耐久性造成严重影响。

2 涡旋通风基本理论

涡旋通风是一种利用送、排风气流形成类似龙卷风的柱状空气涡旋,以实现通风换气的气流组织模式。柱状空气涡旋主要有以下两个显著特征:一方面,柱状空气涡旋在底部平面附近存在显著的负压梯度,具有很强的汇聚卷吸能力;另一方面,柱状空气涡旋具有高轴向速度的稳定流动结构,可通过涡旋通道实现对气体有害物的长距离高效输运。因此当将这种气流组织形式应用于高大空间建筑时,可将下部工作区内的空气快速汇聚并输送到房间上部排风口位置[1]。

在开放空间中,涡旋通风的应用主要有两种形式:底部角动量送风模式和全流域角动量送风模式。底部角动量中下部是由送风角度可调的射流风机,以及中间上部的排风风机组成的通风系统。这种底面角动量涡旋送风模式更适用于生产工艺对污染源附近净空限制严格、污染物散发量大,但所需传输距离较短的局部通风场合。与之对比,全流域角动量送风模式适用于生产工艺净空限制小、污染物传输距离长的场合,或者需要涡旋通风发生一定程度弯曲、变向或需要局部加强涡旋强度以抗环境干扰的场合,通过该模式可将污染物低耗散、长距离输运至排风口位置清除。

根据以往研究已知,生成柱状空气涡旋需要满足以下3个必要条件:

(1)在平面上存在滞止点,平面附近的气流向滞止点辐合流动;

(2)辐合流动中存在涡量;

(3)滞止点位置存在轴向上升气流。

来自各个方向的送风气流旋转辐合,并在辐合中心的地面上形成滞止点。上升气流将滞止点附近汇聚的辐合空气向上轴向拉伸,形成柱状空气涡旋核心。

3 涡旋排风方案

根据涡旋通风理论以及厂房实际情况,本文选择了大尺度涡旋排风和小尺度涡旋排风两个方案进行对比,具体方案如下。

3.1 大尺度涡旋排风方案

根据柱状空气涡旋的基本生成原理可知,为了在实际厂房中应用涡旋通风,上升气流和底部角动量气流都是必需的。因此,需要在厂房上部增设顶部机械排风以提供上升气流,通过在室内设置循环风机提供角动量送风。拟采用一套涡旋通风系统负责4台压滤机除湿的工作方案,厂房共有压滤机11台,拟设计采用3套涡旋通风系统,每套包括1个屋顶排风口和8个下部吹风风扇,涡旋通风设计方案见图1及图2。

图1 通风方案俯视图

图2 通风方案侧视图

顶部排风设计:拟定车间总排风风量为每小时10次换气次数,经计算排风系统参数如表1所示。

表1 大尺度涡旋排风方案送风参数表

下部送风设计:用于形成涡旋的角动量送风由位于涡旋区四周的大尺寸工业风扇提供,每套涡旋通风系统需独立配置8台大尺寸工业风扇。送风水平角度为15°,仰角5°,大尺寸工业风扇在竖直方向上布置两层。拟选用送风风扇风量150 m3/min,送风速度Vs=9.4 m/s。

3.2 小尺度涡旋排风方案

小尺度涡旋排风方案是利用4台角动量送风风扇+1台顶部排风风机,实现半侧车间污染源的涡旋排风。则控制全车间11台压滤机散发的水蒸气需要6套涡旋排风系统。其送排风设置如图3所示。

图3 局部涡旋通风系统布置方案

顶部排风设计:拟定车间总排风风量为每小时10次换气次数,经计算排风系统参数如表2所示。

表2 小尺度涡旋排风方案送风参数表

下部送风:单套涡旋通风系统所需底部送风风扇4台,拟选用送风风扇风量150 m3/min,送风角度30°,仰角10°,送风速度为10 m/s。

4 方案模拟结果

4.1 大尺度涡旋排风模拟

本文采用流体力学软件Fluent对厂房通风方式进行模拟计算。通过数值模拟,对厂房中上述涡旋通风设计方案效果进行验证,送排风参数与原设计方案保持一致。结果显示该设计方案可以在厂房中生成良好涡旋,效果见图4～图7。4台机器均处于涡旋控制区内。对比仅顶部排风时的情况,涡旋通风在水平面与垂直面上存在明显的负压梯度和上升气流。涡旋通风条件下,机器近表面垂直上升速度1 m/s。仅排风条件下,机器近表面垂直上升速度0～0.2 m/s。结果表明涡旋通风具有良好的汇聚和输运能力。

图4 仅排风时气流上升速度

图5 涡旋通风时气流上升速度

图6 涡旋通风时压力分布

图7 涡旋通风时污染物迹线图

4.2 小尺度涡旋排风方案

涡旋通风效果如图8所示,系统也可生成涡旋气流,但由于底部涡流区面积过小,距离过于接近,导致两个涡旋结合处的控制效果减弱,部分污染物没有进入涡旋,而出现无组织扩散流动,生成涡旋不够稳定,削弱了涡旋排风效果。

图8 小尺度涡旋排风方案的速度分布和污染物扩散迹线

5 结论及建议

本文分别通过计算机模拟计算和缩尺实验,对赤泥压滤车间采用涡旋通风的效果进行验证,得出以下结论及建议:

(1)在10次换气次数的前提下,使用涡旋通风方案可有效实现对下部水雾的汇聚和排除,尽可能降低赤泥压滤生产过程散发水雾的室内滞留。

(2)小尺度涡旋排风方案的涡旋间距过近,涡旋气流不够稳定。同时风机在生产线中密集布置,不利于生产工艺。

(3)如有条件,增大换气次数,有助于进一步提高涡旋排风效果。

(4)对于已建成赤泥压滤厂房,采用涡旋排风方案,需要修改屋顶排风位置,将排风口连接至车间中轴线,从而实现涡旋排风。