張 卓 強天偉 裴雨露 劉家雷

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

空壓機是一種壓縮空氣的設(shè)備，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，工廠對空壓機的需求越來越多，被稱為第四大能源設(shè)備［1］?，F(xiàn)今每個紡織廠都會配備一定數(shù)量的空壓機，用于攪拌液體、氣吊、濕潤、噴液、噴灑系統(tǒng)、輸液等。實際應(yīng)用中，國外進口的空壓機會配有高溫保護裝置，在夏季運行時，由于通風(fēng)不足導(dǎo)致空壓機廠房室內(nèi)溫度急劇升高，觸發(fā)了進口空壓機的保溫裝置，造成停機，對紡織廠的運行造成不便，影響正常生產(chǎn)。并且對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，會影響廠房內(nèi)的溫度分布梯度以及不均勻度，也會造成冷量浪費［2］。

蒸發(fā)冷卻技術(shù)是一種經(jīng)濟、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)冷卻的運行能耗約為機械制冷的20%，初始投資成本約為機械制冷的50%，蒸發(fā)冷卻的經(jīng)濟效益更顯著［3］，研究蒸發(fā)冷卻對空壓機廠房的降溫，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。我們對西安某紡織廠空壓機房夏季運行時不同時間段的溫濕度、速度進行現(xiàn)場測試，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)的方式對該廠房的通風(fēng)降溫系統(tǒng)進行了優(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K?1、K?2 模擬成 1 900 mm×900 mm×1 650mm的長方體，將進口空壓機 K?3、K?4、K?5 模擬成 2 000 mm×1 200 mm×1 680 mm 的長方體，冷凍干燥機模擬成950 mm×650 mm×1 000 mm的長方體。蒸發(fā)式冷氣機DEC1、DEC2 分別布置在東墻和南墻距離地面高2 500 mm 處?？諌簷C房幾何模型如圖1 所示。

圖1 空壓機房幾何模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

空壓機房氣流流態(tài)為湍流流動［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)氣流流動的RANS 中的標準k?ε模型對機房室內(nèi)氣流組織進行模擬。數(shù)學(xué)模型控制方程包括：連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、湍動能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，方程變?yōu)檫B續(xù)性方程；ΓΦ為各應(yīng)變量的有效擴散系數(shù)；SΦ為廣義源項。

1.3 邊界條件

邊界條件如表1 所示。

國產(chǎn)空壓機散熱量為510 W/m2，進口空壓機的散熱量為4 160 W/m2，冷凍干燥機散熱量是450 W/m2，現(xiàn)場操作人員僅在進行操作機器控制時候做短暫的停留，不長期留在空壓機廠房內(nèi)，所以在設(shè)計通風(fēng)降溫時候，不考慮對人的影響。不考慮廠房圍護結(jié)構(gòu)的厚度以及進排風(fēng)受到室外風(fēng)的影響。當(dāng)流體進行傳熱時，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，成為浮力驅(qū)動流，是我們要解決的對流問題。FLUENT 處理對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。對大多數(shù)自然對流問題，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)遠小于1 時，Boussinesp 的近似是適用的。當(dāng)區(qū)域溫度變化很大的時候，則不適合采用這種模型。廠房內(nèi)的溫度變化比較大，此時應(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 計算結(jié)果及分析

廠房內(nèi)的空氣流速屬于低速流動，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［5］，開啟 DO 輻 射 模 型 ，選 擇 有 限 體 積 法 的標準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 算法進行求解，最后設(shè)置收斂標準，初始化后設(shè)置迭代步數(shù)，進行計算，達到收斂。根據(jù)不同的運行工況進行模擬，分析廠房內(nèi)的溫度場和速度場情況。

2.1 工況1（空壓機K?2、K?3、K?4 運行）

根據(jù)空壓機的布置情況及高度，選取了合適的截面來分析室內(nèi)的溫度場和流場。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 K?2、K?3、K?4 運行的情況下開啟兩臺蒸發(fā)冷卻設(shè)備進行通風(fēng)降溫時，空壓機K?2 設(shè)備散熱量較小，設(shè)備表面溫度較低。而空壓機K?3 和K?4 的表面溫度很高（圖中紅黃色區(qū)域），不能滿足進口空壓機對于溫度的要求，不利于散熱。造成這種結(jié)果的原因是兩臺蒸發(fā)冷氣機交叉送風(fēng)，互相干擾，使得氣流偏移，降溫效果降低，冷空氣無法足量達到空壓機周圍，導(dǎo)致其散熱不良（如圖2 所示）。

圖2 空壓機房截面速度分布圖（Y=2 m）

圖3 空壓機房截面溫度分布圖（Y=1 m）

2.2 工況2（空壓機K?2、K?5 運行）

同樣根據(jù)空壓機的布置情況及高度，選取了合適的截面來分析室內(nèi)的溫度場和流場。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空壓機K?5 周圍，達不到對其進行通風(fēng)降溫的目的。

圖4 空壓機廠房截面速度分布圖（Z=6.5 m）

圖5 空壓機廠房截面溫度分布圖（Z=6.5 m）

3 優(yōu)化措施及效果對比

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，會造成兩臺設(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，使兩臺設(shè)備平行送風(fēng)，避免交叉干擾。因為廠房場地限制，空壓機之間的安裝距離過小，不符合規(guī)范，設(shè)備會散發(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空壓機周圍，可以采用風(fēng)管局部側(cè)送風(fēng)的方式，對廠房內(nèi)的設(shè)備進行局部降溫［6］。

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

對優(yōu)化后的廠房布置進行再次數(shù)值模擬，計算方法和邊界條件的設(shè)置保持不變，對空壓機廠房第1 種運行工況（K?2、K?3、K?4 運行）進行模擬分析計算，從空壓機局部和廠房整體來看，在這種方案下，送風(fēng)氣流可以直接送達到需要降溫的空壓機附近，同時，氣流可以從窗戶、門排出，不會形成渦流。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 空壓機局部送風(fēng)模擬效果圖

圖8 空壓機房送風(fēng)模擬效果圖

3.2 效果對比

對空壓機廠房通風(fēng)降溫方案進行優(yōu)化設(shè)計，目的是為了對設(shè)有保護裝置的國外進口空壓機進行降溫，使得空壓機周圍的環(huán)境溫度在40 ℃以下。為了評價優(yōu)化設(shè)計方案的通風(fēng)降溫效果，這里在空壓機廠房內(nèi)Y=1.0 m 截面處布置測點，測點選在能夠反映空壓機周圍熱環(huán)境的位置，一般布置在房間對角線上或者按梅花式均勻布置［7］，選取 20 個測點進行測試，如圖9 所示。

圖9 測點布置圖

提取各個測點的模擬溫度值，測點優(yōu)化前后平均溫度如表2 所示。

表2 空壓機廠房Y=1.0 m 截面處測點優(yōu)化前后溫度

從表2 中可以看到，設(shè)計優(yōu)化前后各個測點的溫度顯著降低，雖然個別的測點溫度有所上升，但是空壓機設(shè)備周圍平均溫度下降明顯。計算可得優(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生產(chǎn)壓縮空氣，空壓機發(fā)熱量較大，環(huán)境溫度對空壓機的安全經(jīng)濟運行影響較大。對空壓機使用集中的空間一般采用蒸發(fā)冷卻機進行降溫。我們對西安某紡織廠空壓機房降溫效果進行了分析研究，提出了通風(fēng)降溫優(yōu)化方案，降溫效果顯著，能夠有效地對空壓機進行降溫。并且優(yōu)化后的氣流互不干擾，可以輸送到每臺設(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)計的要求流動，通風(fēng)降溫效果達到要求。