高藝華, 錢付平, 王曉維, 汪虎明, 高 杰, 陸 彪, 韓云龍

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 安徽 馬鞍山 243002; 2. 安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002; 3. 江蘇精亞集團(tuán)有限公司, 江蘇 無錫 214426)

紡織行業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展,產(chǎn)能高速增長導(dǎo)致的能耗大幅增加,極易帶來不可持續(xù)發(fā)展的問題,為節(jié)能降耗,紡織車間多會采用大小環(huán)境送風(fēng)的方式[1-3]。相關(guān)研究表明,紡織產(chǎn)品的質(zhì)量和纖維回潮率密切相關(guān),紡紗區(qū)域的溫、濕度取決于紡織車間的空調(diào)系統(tǒng),并通過該區(qū)域內(nèi)合理的氣流分布形式來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)[4]。細(xì)紗和絡(luò)筒工序是紗線質(zhì)量保證的關(guān)鍵,影響細(xì)紗和絡(luò)筒工序回潮率的主要因素是工作區(qū)域溫、濕度分布的均勻性,故需對其所在車間的氣流進(jìn)行重點(diǎn)研究。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者將計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)(CFD)應(yīng)用于工業(yè)車間的氣流運(yùn)動研究,對工程實(shí)際應(yīng)用具有參考意義[5-7]。Thongsri[8]采用數(shù)值模擬的方法對某工廠通風(fēng)系統(tǒng)氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬并根據(jù)結(jié)果提出優(yōu)化方案,更節(jié)約能耗。王曉維[9]采用數(shù)值模擬的方法對織造車間定向送風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并與車間實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,證明了在織造車間進(jìn)行CFD模擬的可行性。目前應(yīng)用于紡織車間的送風(fēng)口主要有散流器和混流送風(fēng)口兩類。楊瑞梁等[10]開發(fā)了混流分布器,主要從風(fēng)量調(diào)節(jié)和出風(fēng)口導(dǎo)葉片結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行優(yōu)化,改進(jìn)后混流送風(fēng)口改善了附著射流長度及送風(fēng)范圍。而后,夏強(qiáng)[11]提出了一種復(fù)合式混流送風(fēng)口,通過改進(jìn)導(dǎo)流板形狀及設(shè)置送風(fēng)孔進(jìn)行氣流運(yùn)動優(yōu)化,該送風(fēng)口可增強(qiáng)溫濕度的均衡性,減小氣流的流動性因素,有利于提高成品質(zhì)量。然而,上述送風(fēng)口多用于細(xì)紗車間或絡(luò)筒車間,隨著紡織行業(yè)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,細(xì)特紗線、高檔面料不斷涌現(xiàn),生產(chǎn)工藝對于車間的溫濕度等空氣環(huán)境條件要求也越來越嚴(yán)格[12]。當(dāng)車間配備細(xì)絡(luò)聯(lián)傳輸系統(tǒng)時,細(xì)紗機(jī)和絡(luò)筒機(jī)會位于同一區(qū)域,其設(shè)備布局與傳統(tǒng)車間存在差異,現(xiàn)有送風(fēng)口結(jié)構(gòu)下的氣流運(yùn)動是否還滿足工藝需求,目前相關(guān)研究甚少,因此,針對不同車間機(jī)器布置情況,為滿足其工藝需求、營造優(yōu)良?xì)饬鬟\(yùn)動,需對紡織空調(diào)送風(fēng)口的結(jié)構(gòu)做出對應(yīng)調(diào)整。

本文提出了適用于細(xì)絡(luò)聯(lián)車間的定向均流送風(fēng)口結(jié)構(gòu),基于CFD技術(shù)對不同區(qū)域氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬,分析該送風(fēng)口在紡織車間形成的氣流分布特性,與相同工況下的復(fù)合式混流送風(fēng)口模擬結(jié)果進(jìn)行對比。并搭建實(shí)驗(yàn)臺,引入溫濕度均勻性指標(biāo)來判斷2種送風(fēng)口的送風(fēng)效果,為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

1 物理模型

圖1(a)示出提出的定向均流送風(fēng)口裝置,利用送風(fēng)箱內(nèi)的可調(diào)整對開式葉片及出風(fēng)口處的導(dǎo)流機(jī)構(gòu)對風(fēng)量進(jìn)行均分及引導(dǎo)輸送,均流導(dǎo)板轉(zhuǎn)動角度均為70°,布置間距為12 mm。細(xì)紗機(jī)-絡(luò)筒機(jī)模型對開式葉片轉(zhuǎn)動角度為22°,全絡(luò)筒機(jī)與全細(xì)紗機(jī)的對開式葉片轉(zhuǎn)動角度為15°。復(fù)合式混流送風(fēng)口如圖1(b)所示。本文設(shè)備布置假設(shè)為細(xì)紗機(jī)-絡(luò)筒機(jī)、全細(xì)紗機(jī)、全絡(luò)筒機(jī)3種情況。細(xì)紗工序中纖維具有放濕特性,其相對濕度要求為55%～60%;絡(luò)筒工序中纖維具有吸濕特性,相對濕度要求為60%～70%[13]。

1—對開式葉片1;2—方桿;3—條形均流板;4—對開式葉片2;5—送風(fēng)箱;6—懸吊支架;7—側(cè)擋板;8—均流導(dǎo)板。圖1 定向均流送風(fēng)口及復(fù)合式混流送風(fēng)口幾何模型圖Fig. 1 Geometric models of directional uniform flow inlet(a) and composite type mixed flow inlet(b)

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 氣相控制方程

考慮到紡紗車間機(jī)器散熱造成上升熱羽流,其與空調(diào)送風(fēng)的強(qiáng)制對流形成典型的混合流,對精度要求較高,因此湍流模型選用Realizablek-ε雙方程模型[14-15]。其基本氣相控制方程為:

(1)

(2)

(3)

2.2 物質(zhì)輸運(yùn)模型

在模擬熱濕交換時,需遵循組分質(zhì)量守恒定律。具體表述[16]如下:

(4)

式中:mi為水蒸氣的組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Di為組分i的擴(kuò)散系數(shù),其由Chapan-Enskog公式[17]計(jì)算可得;Si為組分i的源項(xiàng)。相對濕度與水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系式如下:

(5)

(6)

式中:w為水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;d為含水量,kg/kg;φ為相對濕度,%;p為大氣壓,Pa;esd為干球溫度對應(yīng)的飽和蒸氣壓,Pa。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件設(shè)置

模擬工作利用商業(yè)流體力學(xué)計(jì)算軟件ANSYS Fluent,采用穩(wěn)態(tài)3-D分離隱式求解器,對控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散化處理,通過壓力-速度耦合方程的SIMPLE算法求解離散方程組,對流項(xiàng)離散選取二階迎風(fēng)離散格式。采用速度入口、自由出流邊界條件,各壁面均為無滑移壁面。收斂判別標(biāo)準(zhǔn)為:殘差值達(dá)到并穩(wěn)定在10-3以下。

細(xì)紗機(jī)-絡(luò)筒機(jī)、全細(xì)紗機(jī)、全絡(luò)筒機(jī)模型的氣流入口速度分別設(shè)為2、2.2、1.9 m/s;細(xì)紗機(jī)-絡(luò)筒機(jī)、全細(xì)紗機(jī)模型的送風(fēng)相對濕度為90%,全絡(luò)筒機(jī)模型的送風(fēng)相對濕度為95%。送風(fēng)溫度 24 ℃, 壁面設(shè)恒溫為30 ℃;回風(fēng)口為負(fù)壓150 Pa出流。

據(jù)廠家提供資料,單臺細(xì)紗機(jī)功率為 18.2 kW, 單臺絡(luò)筒機(jī)的功率為13.5 kW,機(jī)器發(fā)熱量的計(jì)算公式如式(7)所示,系數(shù)取值參考棉紡織工廠的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù):

Q=N·n·k1·k2·k3·α

(7)

式中:Q為機(jī)器發(fā)熱量,kW;N為電動設(shè)備的安裝功率,kW;n為機(jī)器臺數(shù),臺;k1為安裝系數(shù)或利用系數(shù),是電動機(jī)最大實(shí)耗功率與安裝功率之比,k1=0.9;k2為同時使用系數(shù),k2=0.9;k3為電動機(jī)負(fù)荷系數(shù),為小時平均實(shí)耗功率與最大實(shí)耗功率之比,k3= 0.85;α為熱遷移系數(shù),細(xì)紗機(jī)α=0.9,絡(luò)筒機(jī)α=1.0。計(jì)算可得細(xì)紗機(jī)總發(fā)熱量為22.56 kW,單位面積散熱量為127.14 W/m2;絡(luò)筒機(jī)總發(fā)熱量為18.59 kW,單位面積散熱量為107.99 W/m2。

2.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)計(jì)算域離散,并對細(xì)紗機(jī)、絡(luò)筒機(jī)及送回風(fēng)口等處進(jìn)行局部加密,為排除網(wǎng)格數(shù)量對數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的影響,對不同網(wǎng)格數(shù)量的距地面1.2 m處平面的氣流平均速度進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證后,選取405萬網(wǎng)格作為計(jì)算網(wǎng)格數(shù)。模擬取值是在兩絡(luò)筒間距中點(diǎn)、細(xì)紗機(jī)與絡(luò)筒間距中點(diǎn)處,分別距地面1.5 m、2 m高度,沿絡(luò)筒機(jī)長度方向均勻布置5個測點(diǎn),共20個測點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性,且對定向均流送風(fēng)口和復(fù)合式混流送風(fēng)口的送風(fēng)效果進(jìn)行直觀比較,本文設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。采用TES-1341熱線式風(fēng)速計(jì)測量各測點(diǎn)的速度、溫度瞬時值,并取多次測量的均值進(jìn)行定量分析。本實(shí)驗(yàn)在Y=-0.4 m處,條形均流板和均流導(dǎo)板的正下方各設(shè)2組測點(diǎn),水平線上每間隔280 mm布置測點(diǎn),每條水平線共布置 6個, 共24個測點(diǎn)(1～24),(1-1,…,1-6;…,4-1,…,4-6)。1～2組測點(diǎn)對應(yīng)兩側(cè)細(xì)紗機(jī)區(qū)域,3～4組測點(diǎn)對應(yīng)中間絡(luò)筒機(jī)區(qū)域,詳情見圖2。

圖2 豎直面及水平面4組測點(diǎn)位置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of four sets of measuring points on vertical plane and horizontal plane

4 結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)流場均勻性評價(jià)指標(biāo)

針對系統(tǒng)內(nèi)送風(fēng)口送風(fēng)效果及氣流分布狀況,引入分布偏差系數(shù)K,通過比較不同工況下的K值可以判斷特定位置的流場均勻性[18]。溫度分布偏差系數(shù)(速度分布偏差系數(shù)計(jì)算方法同)表達(dá)式為:

(8)

(9)

4.2 2種送風(fēng)口模擬結(jié)果對比

復(fù)合式混流送風(fēng)口的出流方向多為兩側(cè),經(jīng)過整流格柵的氣流部分被卷入兩側(cè)條形導(dǎo)流板出口的高速氣流中,以致不能直接送達(dá)絡(luò)筒區(qū)域,如圖3(a) 所示;定向均流送風(fēng)口的對開式葉片起到了風(fēng)量調(diào)節(jié)的作用,氣流方向更加分散,出流速度為2～3.2 m/s, 保證了氣流射程能滿足至工作區(qū)域的要求,如圖3(b)所示。

圖3 Z=1 m截面送風(fēng)口速度矢量圖Fig. 3 Vector diagram of velocity of air outlet in Z=1 m section. (a) Composite type mixed flow inlet; (b) Directional uniform flow inlet

復(fù)合式混流送風(fēng)口由于氣流不分散,風(fēng)量未合理調(diào)節(jié),在設(shè)備散熱量不同的情況下,導(dǎo)致速度分布不均,特別是細(xì)紗區(qū)域的速度波動幅度大,速度差值達(dá)0.25 m/s,從而造成了溫度、相對濕度的分布也存在相應(yīng)較大的波動,如圖4所示。均存在局部區(qū)域的溫、濕度過高或過低現(xiàn)象,細(xì)紗機(jī)區(qū)域的相對濕度偏高將對生產(chǎn)具有不利影響,如圖5、6所示。而定向均流送風(fēng)口下的速度場分布均勻,且大部分速度值均在0.4～0.6 m/s范圍內(nèi),各區(qū)域的溫濕度總體滿足所需的環(huán)境要求,波動范圍不大。

4.3 定向均流送風(fēng)口模擬結(jié)果分析

a: 細(xì)-絡(luò)模型距地面1.5 m處; b: 細(xì)-絡(luò)模型距地面2.0 m處; c: 全細(xì)紗機(jī)模型距地面2.0 m處; d: 全絡(luò)筒機(jī)模型距地面1.5 m處圖7 3種計(jì)算模型不同高度的水平面溫度分布云圖Fig. 7 Horizontal surface temperature distribution at different heights for three calculation models

圖4 2種送風(fēng)口下各測點(diǎn)速度分布Fig. 4 Velocity distribution of each measuring point under two types of air supply outlets

距地面1.5 m高是絡(luò)筒機(jī)主要工作區(qū)域,距地面高2.0 m是細(xì)紗機(jī)主要工作區(qū)域。絡(luò)筒機(jī)區(qū)域的溫度較低且分布均勻,平均溫度僅為30 ℃,這是由于對開式葉片可以進(jìn)行送風(fēng)量調(diào)節(jié),以滿足絡(luò)筒工序的高濕環(huán)境需求如圖7(a)。其平均溫度為 34 ℃, 中間溫度偏低,此位置正處于送風(fēng)管下方平行位置,送達(dá)風(fēng)量偏多,如圖7(b)所示。由于設(shè)備總體散熱量大于細(xì)紗機(jī)-絡(luò)筒機(jī)的散熱量,為維持工作環(huán)境溫度為30 ℃左右,增大了送風(fēng)量,如圖 7(c) 所示。模擬結(jié)果顯示主要工作區(qū)域的溫度為 29～34 ℃, 且各區(qū)域平均溫度均在31 ℃左右。如圖7(d) 所示,設(shè)備全為絡(luò)筒機(jī)時的散熱量較小,送風(fēng)量小,圖中兩側(cè)的溫度較中間溫度偏高,整體溫度為29～33 ℃,滿足生產(chǎn)環(huán)境溫度要求。

圖5 2種送風(fēng)口下各測點(diǎn)溫度分布Fig. 5 Temperature distribution of each measuring point under two types of air supply outlets

圖6 2種送風(fēng)口下各測點(diǎn)相對濕度分布Fig. 6 Relative humidity distribution of each measuring point under two types of air supply outlets

絡(luò)筒機(jī)表面的相對濕度整體高于細(xì)紗機(jī)表面,且具有明顯的分層效果,由于回風(fēng)口的負(fù)壓作用導(dǎo)致氣流集中,距地面越近相對濕度越高,如圖8所示。絡(luò)筒機(jī)主要工作區(qū)域相對濕度為62%～67%,細(xì)紗機(jī)主要工作區(qū)域相對濕度為50%～58%,因此該送風(fēng)口結(jié)構(gòu)下的相對濕度分布能夠滿足工藝需求。中間位置的細(xì)紗機(jī)工作區(qū)域的相對濕度為54%～59%,兩側(cè)細(xì)紗機(jī)相對濕度低于中間位置,工作區(qū)域相對濕度為50%～55%,相對濕度分布較均勻。兩側(cè)絡(luò)筒機(jī)表面相對濕度分布比中間更均勻,工作區(qū)域的相對濕度為63%～67%,滿足生產(chǎn)需求。

a: 細(xì)-絡(luò)模型絡(luò)筒機(jī); b: 細(xì)-絡(luò)模型細(xì)紗機(jī); c: 全細(xì)紗機(jī)模型中間位置細(xì)紗機(jī); d: 全細(xì)紗機(jī)模型兩側(cè)位置細(xì)紗機(jī);e: 全絡(luò)筒機(jī)模型中間位置絡(luò)筒機(jī); f: 全絡(luò)筒機(jī)模型兩側(cè)位置絡(luò)筒機(jī)。圖8 設(shè)備表面相對濕度分布云圖Fig. 8 Relative humidity distribution on surface of equipment

4.4 2種送風(fēng)口送風(fēng)效果實(shí)驗(yàn)對比分析

定向均流送風(fēng)口下的風(fēng)速呈兩端低、中間高的趨勢,曲線較平緩。在送風(fēng)速度v0=3 m/s的工況下,測點(diǎn)速度的最大差值僅為0.33 m/s,而復(fù)合式混流送風(fēng)口的速度值波動較大,最大差值為 0.61 m/s, 如圖9所示。定向均流送風(fēng)口在絡(luò)筒機(jī)區(qū)域的速度值明顯高于細(xì)紗機(jī)區(qū)域,證明了其具有小環(huán)境風(fēng)量分配的作用,復(fù)合式混流送風(fēng)口由于送風(fēng)管正下方氣流被兩側(cè)的氣流卷吸,故風(fēng)速分布為兩端高、中間低。

圖9 測點(diǎn)在不同送風(fēng)速度下的速度值Fig. 9 Velocity values of the measuring point at different air supply speeds

由于在實(shí)驗(yàn)過程中,相鄰測點(diǎn)之間溫度會互相影響,所以溫度變化值比速度變化值小,復(fù)合式混流送風(fēng)口的溫度變化更大。定向均流送風(fēng)口的細(xì)紗機(jī)區(qū)域溫度高于絡(luò)筒機(jī)區(qū)域,這與數(shù)值模擬結(jié)果中溫度分布情況一致,說明了4.2節(jié)中關(guān)于定向均流送風(fēng)口的氣流組織模擬研究結(jié)果是正確的如圖10所示。

復(fù)合式混流送風(fēng)口和定向均流送風(fēng)口的速度分布偏差系數(shù)均值分別為0.209 3和0.088 9,溫度分布偏差系數(shù)均值分別為0.015 2和0.008 3。復(fù)合式混流送風(fēng)口的速度、溫度分布偏差系數(shù)相對于定向均流送風(fēng)口的差值分別為57.52%、45.39%,定向均流送風(fēng)口的送風(fēng)效果更好。若其實(shí)際應(yīng)用到車間時,雖然會受設(shè)備散熱產(chǎn)生的熱流、自然通風(fēng)等其他因素影響,但是由于氣流分布足夠均勻,相對濕度的分布受影響較小,依然可以滿足工藝環(huán)境需求。

5 結(jié) 論

1) 定向均流送風(fēng)口的氣流組織較復(fù)合式混流送風(fēng)口更均勻,各區(qū)域的溫濕度總體滿足所需的環(huán)境要求,且變化區(qū)間不大。

2) 當(dāng)定向均流送風(fēng)口應(yīng)用在不同設(shè)備布置情況的小環(huán)境送風(fēng)時,模擬結(jié)果表明可通過調(diào)節(jié)對開式葉片角度實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)相對濕度的量調(diào)節(jié)以達(dá)到工藝需求,可通過轉(zhuǎn)動均流導(dǎo)板將氣流送至目標(biāo)區(qū)域,實(shí)現(xiàn)對設(shè)備區(qū)域的定向送風(fēng)。

3) 復(fù)合式混流送風(fēng)口和定向均流送風(fēng)口的速度分布偏差系數(shù)均值分別為0.209 3和0.088 9,溫度分布偏差系數(shù)均值分別為0.015 2和0.008 3,定向均流送風(fēng)口在工程應(yīng)用中的送風(fēng)效果會更好。