工業(yè)建筑電解鋁車間通風(fēng)器設(shè)計(jì)研究

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摘要:通過(guò)模擬建立的電解鋁車間，自然通風(fēng)三維仿真幾何模型分析計(jì)算得出，弧形通風(fēng)器排煙降溫性能都要優(yōu)于薄型通風(fēng)器，最終設(shè)計(jì)建成了中國(guó)鋁電解行業(yè)內(nèi)第一座9m豁口全鋁合金弧型通風(fēng)器。

關(guān)鍵詞:電解鋁車間，三維仿真模型，薄型通風(fēng)器，弧型通風(fēng)器

電解車間的電解鋁就是通過(guò)電解法得到鋁，世界上的鋁都是用電解法在電解槽內(nèi)生產(chǎn)出來(lái)的。隨著目前工藝電解槽型的不斷改進(jìn)增大和優(yōu)化，電解的電流強(qiáng)度也由過(guò)去的300kA，發(fā)展到現(xiàn)在的420kA，500kA甚至是600kA，鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，煙氣，雖經(jīng)凈化系統(tǒng)回收處理，廠房?jī)?nèi)仍存有大量的熱量、煙塵以及氟化氫等氣體需從廠房天窗排出室外，這樣廠房的自然通風(fēng)就顯得非常重要了。本文就我國(guó)南方地區(qū)的貴州省興仁工業(yè)園巴鈴重工區(qū)內(nèi)的年產(chǎn)50萬(wàn)t，530kA的電解鋁車間為例，來(lái)闡述一下電解鋁車間建筑通風(fēng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)。要對(duì)電解鋁車間進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)，首先要對(duì)所設(shè)計(jì)的對(duì)象進(jìn)行一個(gè)地域區(qū)劃分析，包括它所處的地理位置、總圖布置、氣候分區(qū)、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)的搜集和分析。興仁工業(yè)園巴鈴重工區(qū)所處地勢(shì)相對(duì)平坦，比較開(kāi)闊，區(qū)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。其主要?dú)庀髤?shù)如下:歷年平均氣溫:15．2℃;極端最高氣溫:33．7℃;極端最低氣溫:－7．8℃;最熱月平均氣溫:22．1℃;歷年平均風(fēng)速:1．9m/s;瞬時(shí)最大風(fēng)速:19．0m/s;年盛行風(fēng)向?yàn)?E，NE;年平均氣壓:861．3hPa。貴州興仁電解鋁車間共1352．3m長(zhǎng)，35．6m寬，共有2條廠房，總圖布置根據(jù)工藝流程、物料流向、車間的形式以及功能分區(qū)，將電解生產(chǎn)區(qū)(電解鋁車間)布置在廠區(qū)的中部，并南北向布置。但廠區(qū)內(nèi)年盛行風(fēng)向是E，NE，歷年平均風(fēng)速為1．9m/s，風(fēng)速較小，這并不利于廠房的通風(fēng)，好在該地區(qū)的歷年平均氣溫15．2℃，最熱月平均氣溫22．1℃，溫度偏低。在對(duì)所設(shè)計(jì)的對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜集和分析后，這就需要建筑專業(yè)充分的考慮電解鋁車間的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)形式，這決定了建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)的成敗。電解鋁車間的進(jìn)風(fēng)問(wèn)題并不難解決，從鋁電解鋁車間進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)的幾十年發(fā)展歷程來(lái)看，在南方地區(qū)經(jīng)歷了在操作面出鋁面端(大面)采用垂直懸轉(zhuǎn)窗、通風(fēng)罩、敞開(kāi)式擋雨片的幾個(gè)階段，目前無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是進(jìn)風(fēng)效果來(lái)看，出鋁面端(大面)采用敞開(kāi)式擋雨片的進(jìn)風(fēng)方式比較成熟，并且在本案的煙道端(小面)采用了可根據(jù)風(fēng)向自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)啟角度的百葉窗，相對(duì)進(jìn)風(fēng)，電解鋁車間的出風(fēng)問(wèn)題則較為復(fù)雜。首先工業(yè)建筑電解鋁車間的出風(fēng)口即天窗架形式多種多樣，主要有弧型通風(fēng)器以及薄型通風(fēng)器兩種形式，在經(jīng)濟(jì)性和美觀度上薄型通風(fēng)器要優(yōu)于弧型通風(fēng)器，在通風(fēng)效果上誰(shuí)更優(yōu)或者說(shuō)誰(shuí)更物美價(jià)廉，誰(shuí)在通風(fēng)效果上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，這就是決定設(shè)計(jì)上是采用薄型通風(fēng)器還是弧型通風(fēng)器的一個(gè)重要條件，為此我們模擬建立了興仁電解鋁車間自然通風(fēng)三維仿真幾何模型來(lái)更好的說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

1建立物理模型

興仁電解鋁車間出鋁端設(shè)置大擋雨板，大面積窗進(jìn)風(fēng)，煙道端設(shè)置小百葉窗進(jìn)風(fēng)，并以弧型通風(fēng)器及薄型通風(fēng)器分別作自然通風(fēng)計(jì)算，對(duì)比兩種通風(fēng)器下鋁電解車間通風(fēng)效果。結(jié)合電解、通風(fēng)、結(jié)構(gòu)及建筑等專業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙，再通過(guò)三維建模軟件SolidWorks平臺(tái)下建立了包括電解槽、槽周母線、立柱母線、廠房通風(fēng)器、母線墩、電解槽基礎(chǔ)、擋風(fēng)架等主要元素的鋁電解鋁車間自然通風(fēng)三維仿真幾何模型。

2確定網(wǎng)格劃分

幾何模型完成之后，需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響到仿真計(jì)算是否收斂、整個(gè)仿真過(guò)程是否成功。本文中采用網(wǎng)格畸變度(skewness)來(lái)衡量網(wǎng)格質(zhì)量的好壞，其取值范圍從0到1，越趨向0網(wǎng)格質(zhì)量越好，流體網(wǎng)格計(jì)算時(shí)網(wǎng)格畸變度一般控制在0．86以內(nèi)。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整網(wǎng)格劃分的算法，獲得了良好的網(wǎng)格模型，網(wǎng)格畸變度在0．8以內(nèi)。

3輸入邊界條件

1)出鋁端空氣入口;2)煙道端空氣入口;3)廠房頂部通風(fēng)器排風(fēng)口;4)電解槽相關(guān)面;5)母線相關(guān)面;6)地面、墻面。其中環(huán)境溫度按興仁地區(qū)7月平均最高溫度22℃計(jì)算。

4計(jì)算模型

1)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒;2)采用Realizablek-epsilon模型模擬氣流湍流流動(dòng);3)采用DiscreteOrdinates輻射模型模擬電解槽、母線等廠房熱源的熱輻射。

5計(jì)算結(jié)果

1)廠房?jī)?nèi)氣流流動(dòng)情況如圖1，圖2所示。圖1，圖2為仿真計(jì)算出的不同通風(fēng)器形式下廠房?jī)?nèi)氣流流動(dòng)速度矢量，從圖中可以看到，在兩種通風(fēng)器形式下，電解槽周圍的熱氣流均在浮升力及廠房頂部通風(fēng)器負(fù)壓作用下向廠房頂部流動(dòng)，在上升過(guò)程中，熱氣流不斷吸卷周圍空氣，帶動(dòng)周圍空氣向廠房頂部流動(dòng)，由此在電解鋁車間內(nèi)部形成壓差，從而不斷抽吸室外新鮮空氣進(jìn)入廠房?jī)?nèi)，從感官上來(lái)看弧型通風(fēng)器比薄型通風(fēng)器帶出的熱量大。2)廠房?jī)?nèi)操作平臺(tái)附近溫度分布。電解鋁車間內(nèi)，電解工人大多數(shù)的工作點(diǎn)位于廠房?jī)?nèi)的操作平臺(tái)上，為了更好的了解該區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度，在廠房?jī)?nèi)立面標(biāo)高5m(操作面以上1．5m)高度，從出鋁端到煙道端，設(shè)置了不同的溫度值觀測(cè)點(diǎn)，仿真計(jì)算后，分別提取了弧型通風(fēng)器和薄型通風(fēng)器形式下各設(shè)置點(diǎn)處的溫度值并形成溫度、位置坐標(biāo)曲線。在兩種不同通風(fēng)器形式下的鋁電解鋁車間內(nèi)部，均為電解槽附近環(huán)境溫度最高，溫度可達(dá)到309K(36℃)左右，而在靠近出鋁端及煙道端側(cè)，廠房?jī)?nèi)環(huán)境溫度相對(duì)較低，溫度保持在297K(24℃)左右，比電解槽附近最高溫度低了12℃左右，且297K(24℃)左右的環(huán)境溫度幾乎和本文仿真計(jì)算情況下的廠房外環(huán)境溫度(22℃)相當(dāng)，說(shuō)明此處通風(fēng)良好，而此處是電解鋁車間內(nèi)大多數(shù)工人的生產(chǎn)操作環(huán)境，通風(fēng)良好則說(shuō)明電解工人的操作環(huán)境得到了一定的改善，通過(guò)兩種不同通風(fēng)器形式下鋁電解鋁車間溫度曲線對(duì)比可以看出，廠房?jī)?nèi)同一位置，薄型通風(fēng)器形式下的溫度偏高。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)我們模擬建立的興仁電解鋁車間，自然通風(fēng)三維仿真幾何模型計(jì)算出的結(jié)果，無(wú)論從氣流流動(dòng)速度矢量來(lái)看，還是從出鋁端到煙道端溫度分布上，弧形通風(fēng)器排煙降溫性能都要優(yōu)于薄型通風(fēng)器。在實(shí)際工作中，貴州興仁電解鋁車間建筑的通風(fēng)設(shè)計(jì)在對(duì)比了弧型通風(fēng)器與薄型通風(fēng)器的性能參數(shù)、防水性能，同時(shí)結(jié)合中鋁國(guó)際大力推動(dòng)鋁運(yùn)用的戰(zhàn)略指導(dǎo)思想，最終設(shè)計(jì)建成了中國(guó)鋁電解行業(yè)內(nèi)第一座9m豁口全鋁合金弧型通風(fēng)器。

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［4］百度百科電解鋁車間［Z］．

作者：陳海 單位：貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司