西安工程大學 強天偉  張卓  裴雨露  劉家雷

       【摘  要】 針對某工業廠房的設備夏季高溫停機問題，分析現有通風方式的不足，設計出一種適用于該類型設備的局部通風降溫方案。通過利用現場測試以及數值模擬軟件分析，對局部送風角度、高度、速度對設備的降溫效果進行具體研究。通過對不同工況的對比分析，得出最佳的設計方案，為工業廠房設備的降溫方案設計提供更廣泛的理論參考。

       【關鍵詞】工業廠房；送風參數；氣流組織；數值模擬

       【中圖分類號】 TK05     【文獻標識碼】 J

Abstract:Aiming at the problem of high temperature shutdown of equipment in an industrial plant in summer, a local ventilation cooling scheme suitable for this type of equipment was designed. Through the use of on-site testing and numerical simulation software analysis, the specific research on the cooling effect of the local air supply angle, height and speed on the equipment is carried out. Through the comparative analysis of different working conditions, the best design scheme is obtained, which provides a broader theoretical reference for the design of cooling schemes for industrial plant equipment.
Keywords: industrial plant; air supply parameters; airflow organization; numerical simulation

0 引言

       西安某工業廠房內的空壓機設備在夏季運行時室內溫度會急劇升高，常存在高溫停機保護問題，從而對工廠的運行造成不便，影響正常生產。針對此現象，對該廠房及其內置設備進行實地測試、模擬分析。

       計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是一種利用計算手段對計算流體的傳動和傳熱問題進行分析，為我們提供一個簡單高效研究流場的方法。國內外對于研究室內流場或者熱舒適度一般采用數值模擬的方法^[1,2]。西安建筑科技大學對頂部的工位送風進行了模擬研究，不考慮人員舒適度的情況下，對工位送風的送風口尺寸、送風速度、送風角度對室內溫度場和流場的影響進行了模擬驗證，得出了最合適的送風參數，具有較好的經濟性^[5,8]。Wang H Q等學者利用數值模擬研究了空調房間的舒適度。主要研究了送風口的參數以及送風的形式對于室內的氣流組織的影響，同時也分析了邊界條件對于室內氣流組織和舒適度的影響^[4]。

       本文以CFD數值模擬為主要研究方法，對空壓機進行局部通風設計。主要分析不同送風角度、高度以及送風速度對高溫設備局部降溫的影響。

1 數值模擬

       1.1 模型建立

       根據廠房設備的布置情況進行建模，設備尺寸如表1所示。

表1 空壓機房及各設備尺寸大小


圖1 廠房設備平面布置圖

       1.2 邊界條件定義

       送風口設為速度入口邊界條件，速度設為10m/s，溫度設為26.5℃；湍流動能k=0.18和湍流耗散率E=0.42；本文廠房中的空壓機在運行時，所有門窗均是開啟狀態，這里將門窗設置為自由出流邊界條件^[3]；機房的圍護結構采用溫度熱邊界，運行設備的外表面設置為定熱流量的壁面熱邊界條件，不運行設備的外表面設置為固壁邊界。邊界條件定義如表2所示，求解器設置如表3所示。

表2 邊界條件定義表

表3 求解器參數設置表

2 通風降溫方案分析

       將兩臺蒸發冷卻設備平行布置在北墻上，設置風管，采用可以調節送風角度的百葉風口，對空壓機進行局部送風，如圖2所示。這種方式可以克服熱氣流的影響，直接將冷空氣輸送到各個設備表面，最大化利用冷空氣。

圖2 風口布置平面圖

       2.1 送風角度對設備局部降溫的影響

       送風角度是影響氣流組織分布的一個重要因素[6]。合理的送風角度，可以使送風氣流末端輻射更多的區域。這里選擇送風角度與 z 軸夾角α= 60°、45°、30°三個角度進行模擬計算如圖3所示。選擇一個合適的送風速度、送風高度，只改變送風角度。計算結果如圖4所示。

圖3 風口角度示意圖

圖4 不同送風角度下流場示意圖

       送風角度為30°的時候，送風氣流只能吹覆到空壓機的上表面。隨著送風角度的逐漸增大，送風氣流越到達空壓機的位置越提前，直到送風角度為 45°的時候，氣流剛好可以到達空壓機兩個表面的交接處，送風氣流可以同時覆蓋空壓機的上表面和側面。角度繼續增大，送風氣流只能吹送到空壓機的側面。且可以看出，送風角度越大，氣流越早到達壓機設備側表面，送風氣流的衰減程度就越快。

圖5 不同送風角度下溫度場示意圖

       送風角度α為30°的時候，空壓機上表面溫度比較低，其它表面由于沒有送風氣流對散 熱表面進行通風降溫，溫度較高。α=45°時，空壓機表面的溫度分布較為均勻，由于此時的送風氣流可以輸送到空壓機的多個表面處，所以此角度下空壓機的整體溫度偏低；α=60°時，空壓機的側面由于直接被吹覆，表面溫度較低。 
綜上所述，保持其它送風參數不變，空壓機表面的平均溫度隨著送風角度的增加先降低再升高。

       2.2 送風風速對空壓機降溫的影響

       根據蒸發冷卻設備的額定送風量，室內布置送風口的數量以及百葉風口選用的相關規范，風速選取在 5m/s 以下。這里選取了三種不同的送風速度v=3m/s、4m/s、5m/s，進行模擬計算，保證送風角度為 45°不變、送風高度不變，只改變送風速度。

圖6 不同送風速度下溫度場示意圖

       可以看出，在一定速度范圍內，其它送風參數不變，送風速度增加，空壓機的平均溫度降低。同時從圖6中可以看出，送風速度較小的時候，空壓機表面的溫度分布較為均勻，因為送風氣流速度小，末端的動能小，不易擾動周圍的氣流，使得空壓機周圍的溫度均勻性較好。

圖7 送風速度 5m/s,空壓機截面速度分布圖（x=0.6m）

       送風速度為 5m/s 時，穿過空壓機表面處的速度分布矢量圖。當風速為 5m/s 的時候，空壓機表面處的平均速度為 2.3m/s。同時查閱規范要求，在采用對流換熱降溫的時候，送風吹過設備表面的冷空氣厚度不小于80mm，從圖7可以看到，氣流吹覆到空壓機上表面的厚度符合設計要求。 

       2.3 送風高度對空壓機降溫的影響 

       送風口的高度往往跟射流的范圍和有效長度有關[7]。如圖8。送風口高度較低時，工作區的溫度更加合理，相對來說也比較節能；送風口的高度較高的情況下，送風的溫度分布更加均與，不過會浪費更多的送風量，造成能源浪費。需要對高為 1.68m 的空壓機進行降溫，所以選取了三種不同送風高度，送風口距離空壓機設備表面的距離H分別為 0.71m、1.27m、1.84m。

圖8  送風距離示意圖

圖9 不同送風高度設備表面溫度分布圖

       空壓機的平均溫度隨著送風高度的增加再增加。送風高度低的時候，氣流衰減較慢，可以快速的通過空壓機設備的表面，高流速可以開走更多的熱量，空壓機設備的平均溫度會更低。

       總體分析，此方案的送風氣流雖然可以克服熱氣流的影響輸送到設備的周圍區域，但是一部分氣流會在空壓機的底部無法排出，形成渦流（如圖10所示）。解決這一問題，可以參考紡織廠房的通風設計，在空壓機廠房內設置地排，排出底部渦流。如圖11所示。

圖10 送風口流場圖                                               圖11地排設置示意圖

3 總結

       采用局部送風方式，把氣流直接送到各個空壓機設備周圍，進行通風降溫。分析不同的送風角度、送風速度以及高度對設備降溫的影響。送風角度大，兩側的氣流會相互交叉、干擾，中間的送風覆蓋空壓機上表面的面積減小。送風角度小的時候，同樣送風氣流覆蓋面減小；送風高度升高，送風氣流可以輻射面積更大，氣流和溫度較為均勻。送風高度小，利于節能；送風速度大會造成一定的冷量浪費，增大負荷。送風速度小，達不到廠房的基本要求；選擇合適的送風參數可以更高效、節能的對空壓機廠房進行降溫。

參考文獻

       [1] 蔡芬.氣流組織對室內空氣品質影響的數值模擬[J].華中科技大學，2005. 
       [2] 趙 彬 , 李 先 庭 , 彥啟森 . 暖 通 空 調 氣 流 組 織 數 值 模 擬 的 特 殊 性 [J]. 暖通空 調,2004(11):122-127. 
       [3] 胡定科,榮先成,羅勇.大空間建筑室內氣流組織數值模擬與舒適性分析[J].暖通空 調,2006(05):12-16. 
       [4] Wang H Q,Huang C H,Sun H B,et al.Fume transports in a high rise industrial welding hall with displacement ventilation system and individual units[J].Building and Environment， 2012,52（2）：119-128. 
       [5] 張軍甫.辦公建筑室內空氣品質測試與氣流組織分析[D].西安建筑科技大學，2011. 
       [6] GB50019-2015, 工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國計劃出版社, 2016. 
       [7] 許居鹓.機械工業采暖通風與空調設計手冊 (第 1 版) [M].上海:同濟大學出版社, 2007:274-278. 
       [8] 方楠.高溫工業廠房中工位空調作用下的工位區流場特性研究[D].西安:西安建筑科技大學, 2015

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。