紡織廠空壓機(jī)房通風(fēng)降溫系統(tǒng)的優(yōu)化

張 卓 強(qiáng)天偉 裴雨露 劉家雷

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

空壓機(jī)是一種壓縮空氣的設(shè)備，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工廠對(duì)空壓機(jī)的需求越來越多，被稱為第四大能源設(shè)備［1］?，F(xiàn)今每個(gè)紡織廠都會(huì)配備一定數(shù)量的空壓機(jī)，用于攪拌液體、氣吊、濕潤、噴液、噴灑系統(tǒng)、輸液等。實(shí)際應(yīng)用中，國外進(jìn)口的空壓機(jī)會(huì)配有高溫保護(hù)裝置，在夏季運(yùn)行時(shí)，由于通風(fēng)不足導(dǎo)致空壓機(jī)廠房室內(nèi)溫度急劇升高，觸發(fā)了進(jìn)口空壓機(jī)的保溫裝置，造成停機(jī)，對(duì)紡織廠的運(yùn)行造成不便，影響正常生產(chǎn)。并且對(duì)于具有高大空間的工業(yè)廠房來說，其內(nèi)熱源較多、輻射溫度較高、空間較大，影響氣流組織的因素較多也較為復(fù)雜，會(huì)影響廠房?jī)?nèi)的溫度分布梯度以及不均勻度，也會(huì)造成冷量浪費(fèi)［2］。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的通風(fēng)降溫方式，可以推薦用于高大廠房的通風(fēng)降溫。蒸發(fā)冷卻的運(yùn)行能耗約為機(jī)械制冷的20%，初始投資成本約為機(jī)械制冷的50%，蒸發(fā)冷卻的經(jīng)濟(jì)效益更顯著［3］，研究蒸發(fā)冷卻對(duì)空壓機(jī)廠房的降溫，以改善廠房室內(nèi)環(huán)境，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。系統(tǒng)式局部送風(fēng)是通過管道將處理過的新鮮空氣運(yùn)送到局部工作區(qū)域，可以通過設(shè)定有效的速度，吸卷周圍空氣，與管道送來的新風(fēng)進(jìn)行混合分布在工作區(qū)域周圍，從而降低了區(qū)域內(nèi)有害氣體的濃度，提高了空氣品質(zhì)。隨著工業(yè)企業(yè)不斷注重工人的職業(yè)衛(wèi)生健康，人們對(duì)工作環(huán)境的要求在提高，局部送風(fēng)受到了越來越多的重視。我們對(duì)西安某紡織廠空壓機(jī)房夏季運(yùn)行時(shí)不同時(shí)間段的溫濕度、速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并借助CFD 數(shù)值模擬作為輔助手段，采用蒸發(fā)冷卻局部送風(fēng)的方式對(duì)該廠房的通風(fēng)降溫系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

1 CFD 模擬方法

1.1 物理模型

把復(fù)雜的廠房模擬成整體長12 000 mm、寬9 000 mm、高9 000 mm 的長方體，將國產(chǎn)空壓機(jī)K?1、K?2 模擬成 1 900 mm×900 mm×1 650mm的長方體，將進(jìn)口空壓機(jī) K?3、K?4、K?5 模擬成 2 000 mm×1 200 mm×1 680 mm 的長方體，冷凍干燥機(jī)模擬成950 mm×650 mm×1 000 mm的長方體。蒸發(fā)式冷氣機(jī)DEC1、DEC2 分別布置在東墻和南墻距離地面高2 500 mm 處?？諌簷C(jī)房幾何模型如圖1 所示。

圖1 空壓機(jī)房幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

空壓機(jī)房氣流流態(tài)為湍流流動(dòng)［4］。目前工程應(yīng)用中的數(shù)值模擬方法主要有：直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）和基于雷諾平均N?S 方程組（RANS）的模型。筆者選用適用于模擬室內(nèi)氣流流動(dòng)的RANS 中的標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型對(duì)機(jī)房室內(nèi)氣流組織進(jìn)行模擬。數(shù)學(xué)模型控制方程包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能k方程、耗散率ε方程，其通式為：

式（1）中：ρ為空氣密度；t為時(shí)間；V為速度矢量；φ為速度在 x、y、z 方向的分量，當(dāng)φ=1 時(shí)，方程變?yōu)檫B續(xù)性方程；ΓΦ為各應(yīng)變量的有效擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為廣義源項(xiàng)。

1.3 邊界條件

邊界條件如表1 所示。

國產(chǎn)空壓機(jī)散熱量為510 W/m2，進(jìn)口空壓機(jī)的散熱量為4 160 W/m2，冷凍干燥機(jī)散熱量是450 W/m2，現(xiàn)場(chǎng)操作人員僅在進(jìn)行操作機(jī)器控制時(shí)候做短暫的停留，不長期留在空壓機(jī)廠房?jī)?nèi)，所以在設(shè)計(jì)通風(fēng)降溫時(shí)候，不考慮對(duì)人的影響。不考慮廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度以及進(jìn)排風(fēng)受到室外風(fēng)的影響。當(dāng)流體進(jìn)行傳熱時(shí)，流體的密度隨著溫度變化而改變，流體的密度改變與重力作用一起促使流體流動(dòng)，成為浮力驅(qū)動(dòng)流，是我們要解決的對(duì)流問題。FLUENT 處理對(duì)流傳熱問題有兩種方法：第1 種是流體區(qū)域密度變化不大的區(qū)域，選用Boussinesp 模型；第2 種是利用理想氣體方程組來描述組分的密度。對(duì)大多數(shù)自然對(duì)流問題，可以用Boussinesp 模型，其收斂速度比依賴于速度和溫度變化的模型更快，計(jì)算效率高。這種模型一般設(shè)置密度為常數(shù)，Boussinesp 方程如下：

式（2）中：ρo為流體的密度，kg/m3；To為工作區(qū)域環(huán)境溫度，℃；β為流體熱膨脹系數(shù)，1/K。

流體區(qū)域密度變化很小，β(T-To)遠(yuǎn)小于1 時(shí)，Boussinesp 的近似是適用的。當(dāng)區(qū)域溫度變化很大的時(shí)候，則不適合采用這種模型。廠房?jī)?nèi)的溫度變化比較大，此時(shí)應(yīng)該選用第2 種方法（利用方程組來描述組分的密度）來處理流體問題。

表1 邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果及分析

廠房?jī)?nèi)的空氣流速屬于低速流動(dòng)，其內(nèi)部的氣流可以假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)［5］，開啟 DO 輻 射 模 型 ，選 擇 有 限 體 積 法 的標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型，采用基于壓力基的二階迎風(fēng)格式，速度耦合通過SIMPLE 算法進(jìn)行求解，最后設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)，初始化后設(shè)置迭代步數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到收斂。根據(jù)不同的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，分析廠房?jī)?nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)情況。

2.1 工況1（空壓機(jī)K?2、K?3、K?4 運(yùn)行）

根據(jù)空壓機(jī)的布置情況及高度，選取了合適的截面來分析室內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。圖2 表示了Y截面處的速度矢量圖。圖3 給出了Y方向截面處的溫度分布圖。

從圖3 可以看出，在空壓機(jī) K?2、K?3、K?4 運(yùn)行的情況下開啟兩臺(tái)蒸發(fā)冷卻設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)降溫時(shí)，空壓機(jī)K?2 設(shè)備散熱量較小，設(shè)備表面溫度較低。而空壓機(jī)K?3 和K?4 的表面溫度很高（圖中紅黃色區(qū)域），不能滿足進(jìn)口空壓機(jī)對(duì)于溫度的要求，不利于散熱。造成這種結(jié)果的原因是兩臺(tái)蒸發(fā)冷氣機(jī)交叉送風(fēng)，互相干擾，使得氣流偏移，降溫效果降低，冷空氣無法足量達(dá)到空壓機(jī)周圍，導(dǎo)致其散熱不良（如圖2 所示）。

圖2 空壓機(jī)房截面速度分布圖（Y=2 m）

圖3 空壓機(jī)房截面溫度分布圖（Y=1 m）

2.2 工況2（空壓機(jī)K?2、K?5 運(yùn)行）

同樣根據(jù)空壓機(jī)的布置情況及高度，選取了合適的截面來分析室內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。圖4 表示了Z截面處的速度矢量圖。圖5 分別給出了Z方向截面處的溫度分布圖。由圖4 可以看出，蒸發(fā)冷卻機(jī)DEC?1 的送風(fēng)氣流在末端偏移，形成顯著的上升氣流，冷空氣在末端無法到達(dá)空壓機(jī)K?5 周圍，達(dá)不到對(duì)其進(jìn)行通風(fēng)降溫的目的。

圖4 空壓機(jī)廠房截面速度分布圖（Z=6.5 m）

圖5 空壓機(jī)廠房截面溫度分布圖（Z=6.5 m）

3 優(yōu)化措施及效果對(duì)比

3.1 優(yōu)化措施

現(xiàn)有的通風(fēng)降溫方案，由于蒸發(fā)冷卻設(shè)備布置的原因，會(huì)造成兩臺(tái)設(shè)備送風(fēng)相互干擾、相互交叉，可以調(diào)整蒸發(fā)冷卻設(shè)備的安裝位置，使兩臺(tái)設(shè)備平行送風(fēng)，避免交叉干擾。因?yàn)閺S房場(chǎng)地限制，空壓機(jī)之間的安裝距離過小，不符合規(guī)范，設(shè)備會(huì)散發(fā)大量的熱氣流，影響蒸發(fā)冷卻設(shè)備正常的送風(fēng)，使其形成上升氣流無法到達(dá)空壓機(jī)周圍，可以采用風(fēng)管局部側(cè)送風(fēng)的方式，對(duì)廠房?jī)?nèi)的設(shè)備進(jìn)行局部降溫［6］。

將兩臺(tái)蒸發(fā)冷卻設(shè)備平行布置在北墻處，室內(nèi)設(shè)置風(fēng)管，進(jìn)行送風(fēng)。蒸發(fā)冷卻機(jī)DEC?1 連接的風(fēng)管有12 個(gè)送風(fēng)口，每臺(tái)空壓機(jī)對(duì)應(yīng)3 個(gè)送風(fēng)口，中間的風(fēng)口吹覆空壓機(jī)的上表面，左右兩邊的風(fēng)口各吹向空壓機(jī)左右兩個(gè)側(cè)面；由于冷干機(jī)散熱較小，所以蒸發(fā)冷卻機(jī)DEC?2 連接的風(fēng)管僅需4 個(gè)送風(fēng)口，每個(gè)送風(fēng)口各自吹覆冷干機(jī)的上表面。優(yōu)化方案的平面布置圖如圖6 所示。

對(duì)優(yōu)化后的廠房布置進(jìn)行再次數(shù)值模擬，計(jì)算方法和邊界條件的設(shè)置保持不變，對(duì)空壓機(jī)廠房第1 種運(yùn)行工況（K?2、K?3、K?4 運(yùn)行）進(jìn)行模擬分析計(jì)算，從空壓機(jī)局部和廠房整體來看，在這種方案下，送風(fēng)氣流可以直接送達(dá)到需要降溫的空壓機(jī)附近，同時(shí)，氣流可以從窗戶、門排出，不會(huì)形成渦流。有關(guān)效果如圖7 和圖8 所示。

圖6 優(yōu)化方案平面布置圖

圖7 空壓機(jī)局部送風(fēng)模擬效果圖

圖8 空壓機(jī)房送風(fēng)模擬效果圖

3.2 效果對(duì)比

對(duì)空壓機(jī)廠房通風(fēng)降溫方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，目的是為了對(duì)設(shè)有保護(hù)裝置的國外進(jìn)口空壓機(jī)進(jìn)行降溫，使得空壓機(jī)周圍的環(huán)境溫度在40 ℃以下。為了評(píng)價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的通風(fēng)降溫效果，這里在空壓機(jī)廠房?jī)?nèi)Y=1.0 m 截面處布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)選在能夠反映空壓機(jī)周圍熱環(huán)境的位置，一般布置在房間對(duì)角線上或者按梅花式均勻布置［7］，選取 20 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖9 所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)布置圖

提取各個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬溫度值，測(cè)點(diǎn)優(yōu)化前后平均溫度如表2 所示。

表2 空壓機(jī)廠房Y=1.0 m 截面處測(cè)點(diǎn)優(yōu)化前后溫度

從表2 中可以看到，設(shè)計(jì)優(yōu)化前后各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度顯著降低，雖然個(gè)別的測(cè)點(diǎn)溫度有所上升，但是空壓機(jī)設(shè)備周圍平均溫度下降明顯。計(jì)算可得優(yōu)化前的溫度不均勻系數(shù)為0.157 6，優(yōu)化后的溫度不均勻系數(shù)為0.112 0，優(yōu)化后的效果更好。

4 結(jié)束語

紡織廠普遍使用空壓機(jī)生產(chǎn)壓縮空氣，空壓機(jī)發(fā)熱量較大，環(huán)境溫度對(duì)空壓機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響較大。對(duì)空壓機(jī)使用集中的空間一般采用蒸發(fā)冷卻機(jī)進(jìn)行降溫。我們對(duì)西安某紡織廠空壓機(jī)房降溫效果進(jìn)行了分析研究，提出了通風(fēng)降溫優(yōu)化方案，降溫效果顯著，能夠有效地對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行降溫。并且優(yōu)化后的氣流互不干擾，可以輸送到每臺(tái)設(shè)備周圍，送風(fēng)氣流直接從西側(cè)的門窗出去，也不需要設(shè)置地排，送風(fēng)氣流按照設(shè)計(jì)的要求流動(dòng)，通風(fēng)降溫效果達(dá)到要求。