冬季最不利情況下車間氣流組織數(shù)值模擬

任曉利,陳小磚,袁東升

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,焦作454000)

對于現(xiàn)代的工藝空調(diào)車間,不但要滿足工藝方面的要求,而且還要營造良好的室內(nèi)人工環(huán)境。在生產(chǎn)過程中必須保證生產(chǎn)工藝所要求的溫度、風(fēng)速、濕度,為生產(chǎn)提供條件,同時也要求提供合適的新風(fēng)量,保證一定的潔凈度和噪聲標(biāo)準(zhǔn),為工作人員提供良好的工作環(huán)境,空氣調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)這些人工環(huán)境的最佳手段[1～3]。

本文用計算流體動力學(xué)軟件——Airpak,對子午胎車間02區(qū)在冬季最不利條件下的溫度場和速度場進(jìn)行模擬分析與預(yù)測,評價此空調(diào)系統(tǒng)的空調(diào)效果。

1 車間簡介

子午胎車間02區(qū)長、寬、高為181m×81m×9m,東西兩側(cè)都有相同的空調(diào)車間,南側(cè)有裙房,為兩層辦公樓,墻體全部為24墻,外墻為保溫混凝土外墻,內(nèi)墻為混凝土內(nèi)隔墻,屋頂為瀝青膨脹珍珠巖保溫屋頂,地板為水泥混凝土地板,在高于地板6m與送回風(fēng)口相平處設(shè)有天花板。車間進(jìn)出口設(shè)置在車間南墻,東、西墻分別有3m×4m的內(nèi)門與01區(qū)、03區(qū)相通,其中01區(qū)車間溫度略高于02區(qū),03區(qū)車間溫度略低于02區(qū)[4]。

車間布置64臺設(shè)備且排列條理,車間東部為小型機(jī)械設(shè)備,功率相差不大,可以簡化處理,車間設(shè)備布置如圖1所示。天花板上均勻布置1 600只40W的照明燈管,工作人員70人/班,實(shí)行三班制,保持全天工作狀態(tài),生產(chǎn)實(shí)行機(jī)械化,工人的勞動強(qiáng)度不大。車間安裝了集中式通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),采用12組AF-50型組合式空調(diào)機(jī)組對02區(qū)進(jìn)行空氣調(diào)節(jié),送回風(fēng)量6.0×105m3/h,換氣次數(shù)為5.5次 (新風(fēng)為1.65次),天花板上均勻布置162個圓形送風(fēng)口,車間東西兩側(cè)各布置一排矩形風(fēng)口,每排6個,共12個。

圖1 子午胎車間半成品和設(shè)備布置示意圖

2 物理模型建立及邊界條件確定

根據(jù)子午胎車間02區(qū)的實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)尺寸,對其進(jìn)行了一定的簡化,建立了如圖2所示的數(shù)值模擬物理模型,模型尺寸為 181m(長)×81m(寬)×6m(高),分別對應(yīng)于z,x,y三個方向,其中x軸的正向指北方[5]。

(1)本課題研究的是穩(wěn)態(tài)問題,不需要初始條件[6]。

(2)人員按70人/班計算,生產(chǎn)實(shí)行機(jī)械化,工人的勞動強(qiáng)度不大,按中度勞動計算,群集系數(shù)取0.9,由于人員來回走動,人員發(fā)熱量簡化為均勻分布在車間內(nèi)部,與地板發(fā)熱量綜合為地板傳熱量[6,7]。

(3)設(shè)備按照功率、效率計算出發(fā)熱量,由于設(shè)備布置條理且較緊湊,模型建立時采用等效的方法,設(shè)備發(fā)熱量具體數(shù)值如表2。

(4)燈光發(fā)熱量與天花板傳熱量綜合為天花板一項。

(5)室外計算干球溫度:-8℃;空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度:31℃;空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量:6.0×105m3/h;車間設(shè)備開工狀況:設(shè)備全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn);車間空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況:正常。

(6)壁面不可滲透,應(yīng)滿足的邊界條件是無滑移邊界條件,認(rèn)為壁面處流體速度與壁面該處的速度相同,本課題模型壁面固定,流體的速度就為零,流體作用在固體壁面上任一點(diǎn)處的應(yīng)力,與固體壁面在同一點(diǎn)處對流體作用的應(yīng)力大小相等,方向相反。

(7)熱力學(xué)邊界即圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量按常熱流形式設(shè)定,具體數(shù)值如表1所示,表中 “+”表示得熱量,“-”表示散熱量。

(8)回風(fēng)口處的各物理量按局部單向化的方式處理,即假定出口界面上的節(jié)點(diǎn)對第一個內(nèi)節(jié)點(diǎn)已無影響,規(guī)定出口壓力為0。

圖2 物理模型

表1 車間圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量

表2 人員設(shè)備負(fù)荷表

3 模擬結(jié)果

從圖3、圖4可以看出:子午胎車間02區(qū)在空調(diào)系統(tǒng)的作用下,室內(nèi)溫度比較穩(wěn)定,變化幅度較小,在工作區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域溫度在20～24℃之間,滿足人體舒適度標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝性要求[9]。人體腳踝與頭部的溫差小于1℃,滿足人體舒適度腳踝與頭部的溫差小于3℃的標(biāo)準(zhǔn)。

由圖5、圖6可知:工作區(qū)內(nèi)風(fēng)速較小,大部分區(qū)域風(fēng)速都小于0.3m/s,符合人體舒適度要求[6,7]。

由圖7、圖8、圖9、圖10知:送風(fēng)氣流在旋流風(fēng)口中心處氣流溫度較高,風(fēng)速較大,隨著射程的增大,氣流溫度和速度都有減小的趨勢,當(dāng)送風(fēng)氣流下降到地面附近的發(fā)熱設(shè)備時,溫度升高并卷吸設(shè)備產(chǎn)生的熱氣流,在其浮升力的作用下上升[8]。

分別在車間北部、中部、南部選取三個典型平面,在工作區(qū)內(nèi)高度分別為0.5m和1.5m的位置選取60個典型測點(diǎn)進(jìn)行研究。典型平面上部分測點(diǎn)的溫度隨高度變化曲線圖如圖11、圖12、圖13所示。

圖13 x=63m的平面上溫度隨高度的變化

由圖11可知,由于x=8m的平面靠近南墻,而南墻設(shè)置外門供人員出入,有冷風(fēng)從此門入侵,且平面附近沒有大的發(fā)熱設(shè)備,故x=8m的垂直平面上溫度較其他地方低一點(diǎn),在0～3m高度內(nèi),由于地面附近機(jī)器設(shè)備的影響,溫度隨高度增加而升高,在3～5.5m高度內(nèi)地面附近機(jī)器設(shè)備的影響逐漸減弱,溫度隨高度增加而降低,在頂板附近,氣流溫度急劇降低,最后等于頂板溫度。

由圖12可知,由于x=36m的平面位于車間中央,溫度隨高度增加而降低,在頂板附近,氣流溫度急劇降低,最后等于頂板溫度。

由圖13可知,由于x=63m的平面位于車間北側(cè),平面附近有大的發(fā)熱設(shè)備,故在地面附近由于發(fā)熱設(shè)備的影響,氣流溫度較高,之后隨高度增加氣流溫度受發(fā)熱設(shè)備的影響減小,故溫度隨高度增加而降低,在2.5～4.5m高度范圍內(nèi),溫度幾乎不變,在頂板附近,氣流溫度急劇降低,最后等于頂板溫度[9]。

4 冬季最不利情況下車間氣流組織性能評價

用符合既定溫度要求的測點(diǎn)的比例數(shù)Ft和符合既定速度要求的測點(diǎn)的比例數(shù)Fv來評價氣流組織的性能[10]。

式中:

n—空調(diào)區(qū)的測點(diǎn)數(shù);

ngt—符合溫度要求的測點(diǎn)數(shù);ngv—符合速度要求的測點(diǎn)數(shù)。

我們在空調(diào)區(qū)選取了60個特殊點(diǎn),根據(jù)模擬結(jié)果可以算出:

可以看出,車間內(nèi)大部分區(qū)域溫度滿足要求,風(fēng)速欠佳,車間內(nèi)氣流組織還有很大的改善空間。

5 結(jié)論

從上面的模擬計算和分析可以知道:目前使用的空調(diào)系統(tǒng)氣流組織設(shè)計效果不是很理想,雖然大部分區(qū)域能滿足人體舒適度和生產(chǎn)工藝要求,但冬季室內(nèi)溫度偏高,風(fēng)速欠佳,這樣的氣流組織設(shè)計不滿足我們的節(jié)能要求,車間內(nèi)氣流組織還有很大的改善空間,這是由于設(shè)計時缺乏有效的預(yù)測手段,只是按照以往的經(jīng)驗計算來核定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷,在負(fù)荷計算時安全系數(shù)選得偏大造成的。

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[5] AIRPAK 2.1 DOCUMENTATION

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