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        工业建筑电解铝车间通风器设计研究

        摘要:通过模拟建立的电解铝车间,自然通风三维仿真几何模型分析计算得出,弧形通风器排烟降温性能都要优于薄型通风器,最终设计建成了中国铝电解行业内第一座9m豁口全铝合金弧型通风器。

        关键词:电解铝车间,三维仿真模型,薄型通风器,弧型通风器

        电解车间的电解铝就是通过电解法得到铝,世界上的铝都是用电解法在电解槽内生产出来的。随着目前工艺电解槽型的不断改进增大和优化,电解的电流强度也由过去的300kA,发展到现在的420kA,500kA甚至是600kA,铝电解生产过程中产生大量的热,烟气,虽经净化系统回收处理,厂房内仍存有大量的热量、烟尘以及氟化氢等气体需从厂房天窗排出室外,这样厂房的自然通风就显得非常重要了。本文就我国南方地区的贵州省兴仁工业园巴铃重工区内的年产50万t,530kA的电解铝车间为例,来阐述一下电解铝车间建筑通风专项设计。要对电解铝车间进行通风设计,首先要对所设计的对象进行一个地域区划分析,包括它所处的地理位置、总图布置、气候分区、风向、风速等数据的搜集和分析。兴仁工业园巴铃重工区所处地势相对平坦,比较开阔,区域结构稳定。其主要气象参数如下:历年平均气温:15.2℃;极端最高气温:33.7℃;极端最低气温:-7.8℃;最热月平均气温:22.1℃;历年平均风速:1.9m/s;瞬时最大风速:19.0m/s;年盛行风向为:E,NE;年平均气压:861.3hPa。贵州兴仁电解铝车间共1352.3m长,35.6m宽,共有2条厂房,总图布置根据工艺流程、物料流向、车间的形式以及功能分区,将电解生产区(电解铝车间)布置在厂区的中部,并南北向布置。但厂区内年盛行风向是E,NE,历年平均风速为1.9m/s,风速较小,这并不利于厂房的通风,好在该地区的历年平均气温15.2℃,最热月平均气温22.1℃,温度偏低。在对所设计的对象进行数据的搜集和分析后,这就需要建筑专业充分的考虑电解铝车间的进风和出风形式,这决定了建筑通风设计的成败。电解铝车间的进风问题并不难解决,从铝电解铝车间进风口设计的几十年发展历程来看,在南方地区经历了在操作面出铝面端(大面)采用垂直悬转窗、通风罩、敞开式挡雨片的几个阶段,目前无论从经济上还是进风效果来看,出铝面端(大面)采用敞开式挡雨片的进风方式比较成熟,并且在本案的烟道端(小面)采用了可根据风向自动调节开启角度的百叶窗,相对进风,电解铝车间的出风问题则较为复杂。首先工业建筑电解铝车间的出风口即天窗架形式多种多样,主要有弧型通风器以及薄型通风器两种形式,在经济性和美观度上薄型通风器要优于弧型通风器,在通风效果上谁更优或者说谁更物美价廉,谁在通风效果上占有绝对优势,这就是决定设计上是采用薄型通风器还是弧型通风器的一个重要条件,为此我们模拟建立了兴仁电解铝车间自然通风三维仿真几何模型来更好的说明这个问题。

        1建立物理模型

        兴仁电解铝车间出铝端设置大挡雨板,大面积窗进风,烟道端设置小百叶窗进风,并以弧型通风器及薄型通风器分别作自然通风计算,对比两种通风器下铝电解车间通风效果。结合电解、通风、结构及建筑等专业的设计图纸,再通过三维建模软件SolidWorks平台下建立了包括电解槽、槽周母线、立柱母线、厂房通风器、母线墩、电解槽基础、挡风架等主要元素的铝电解铝车间自然通风三维仿真几何模型。

        2确定网格划分

        几何模型完成之后,需要对其进行网格划分,网格划分质量的好坏直接影响到仿真计算是否收敛、整个仿真过程是否成功。本文中采用网格畸变度(skewness)来衡量网格质量的好坏,其取值范围从0到1,越趋向0网格质量越好,流体网格计算时网格畸变度一般控制在0.86以内。经过多次调整网格划分的算法,获得了良好的网格模型,网格畸变度在0.8以内。

        3输入边界条件

        1)出铝端空气入口;2)烟道端空气入口;3)厂房顶部通风器排风口;4)电解槽相关面;5)母线相关面;6)地面、墙面。其中环境温度按兴仁地区7月平均最高温度22℃计算。

        4计算模型

        1)质量守恒、动量守恒、能量守恒;2)采用Realizablek-epsilon模型模拟气流湍流流动;3)采用DiscreteOrdinates辐射模型模拟电解槽、母线等厂房热源的热辐射。

        5计算结果

        1)厂房内气流流动情况如图1,图2所示。图1,图2为仿真计算出的不同通风器形式下厂房内气流流动速度矢量,从图中可以看到,在两种通风器形式下,电解槽周围的热气流均在浮升力及厂房顶部通风器负压作用下向厂房顶部流动,在上升过程中,热气流不断吸卷周围空气,带动周围空气向厂房顶部流动,由此在电解铝车间内部形成压差,从而不断抽吸室外新鲜空气进入厂房内,从感官上来看弧型通风器比薄型通风器带出的热量大。2)厂房内操作平台附近温度分布。电解铝车间内,电解工人大多数的工作点位于厂房内的操作平台上,为了更好的了解该区域内的环境温度,在厂房内立面标高5m(操作面以上1.5m)高度,从出铝端到烟道端,设置了不同的温度值观测点,仿真计算后,分别提取了弧型通风器和薄型通风器形式下各设置点处的温度值并形成温度、位置坐标曲线。在两种不同通风器形式下的铝电解铝车间内部,均为电解槽附近环境温度最高,温度可达到309K(36℃)左右,而在靠近出铝端及烟道端侧,厂房内环境温度相对较低,温度保持在297K(24℃)左右,比电解槽附近最高温度低了12℃左右,且297K(24℃)左右的环境温度几乎和本文仿真计算情况下的厂房外环境温度(22℃)相当,说明此处通风良好,而此处是电解铝车间内大多数工人的生产操作环境,通风良好则说明电解工人的操作环境得到了一定的改善,通过两种不同通风器形式下铝电解铝车间温度曲线对比可以看出,厂房内同一位置,薄型通风器形式下的温度偏高。

        6结语

        通过我们模拟建立的兴仁电解铝车间,自然通风三维仿真几何模型计算出的结果,无论从气流流动速度矢量来看,还是从出铝端到烟道端温度分布上,弧形通风器排烟降温性能都要优于薄型通风器。在实际工作中,贵州兴仁电解铝车间建筑的通风设计在对比了弧型通风器与薄型通风器的性能参数、防水性能,同时结合中铝国际大力推动铝运用的战略指导思想,最终设计建成了中国铝电解行业内第一座9m豁口全铝合金弧型通风器。

        参考文献:

        [1]刘业祥.现代铝电解[M].北京:冶金工业出版社,2008.

        [2]郭秀丽,孟凡义,崔世宇.电解铝生产中的烟气余热回收再利用[J].建筑工程技术与设计,2016(22):2154.

        [3]刘洋.铝电解物料储运及烟气净化自动控制系统设计[D].贵阳:贵州大学硕士论文,2010.

        [4]百度百科电解铝车间[Z].

        作者:陈海 单位:贵阳铝镁设计研究院有限公司

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