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带有内隔墙的新型铝电解厂房建筑结构研究谷现良1赵加宁☆1高甫生1万沐2王印夫2丁大勇2刘海南21哈尔滨工业大学人工环境科学与工程研究所2沈阳铝镁设计研究院公用工程室摘要:针对所提出的带有内隔墙的新型建筑结构铝电解厂房,分析其自然通风的影响因素,并通过CFD模拟计算的方法,研究各种条件下的自然通风效果。结果表明,新型建筑结构的铝电解厂房的内隔墙高度以3.5~4m为好;进风口高度应在操作面下梁的底端至操作面楼板之间;槽间母线应尽可能设置在槽间中心处,槽间遮挡宽度最佳为槽间平行于槽体的两母线外围的宽度;进风口外导流角度可根据实际情况而灵活选取,角度大较好,但不宜超过45°。关键词:自然通风,铝电解厂房,建筑形式,内隔墙1引言随着国民经济的飞速发展,铝作为国民经济中的第二大金属材料,应用越来越广泛,也使得我国的铝电解工业以较高的速度发展[1]。工业厂房也不断扩大,单台电解槽的容量不断增加,散热量不断加大,导致自然通风不畅,电解槽热量散不出去,槽壁面温度大幅上升,电解槽的工作状态恶化,严重影响了生产。铝电解厂房里的主要设备是电解槽体和一些辅助设备,这些设备作为热源不断向周围环境散发热量和污染物、灰尘等。由于电解槽属于强热源,散发出大量的热量,形成了烟囱效应,室外空气从下面通道进入,带走热量和污染物,然后从天窗排出。如果大量余热和污染物不能排到室外而散发到工作区,则工人处于高温污浊气流的恶劣环境中工作,同时也导致电解槽不能充分散热,影响生产的效率。通常这些热厂房采用自然通风方式,即利用厂房内外空气的温差所产生的热压作用和室外空气流动时产生的风压作用,使厂房内外空气不断交换来带走厂房内余热和污染物,同时向工作区供给新鲜空气。在建筑形式上,铝电解厂房多采用单跨厂房,2层结构,这种结构通风条件好。厂房的宽度为20~30m,高度约20m,长度约1000m。电解槽主体散热部分在厂房的一层,槽体周围布置格栅板用来通风,带走槽体散出的热量,降低电解槽的表面温度。在厂房二层,室外空气由侧窗进入工作区,降低工作区温度,改善工作区环境,见图1(称为形式1)。最初人们寻找一切措施来提高全面进风量,认为通风量愈大降温效果愈好。但随着人们对自然通风的不断认识,发现在保证足够通风量的同时,还要合理组织通风气流形式,比如合理协调进排气口面积[2]。若只单纯地增大通风量而不合理组织气流,就可能发生气流短路现象,即由进气口进入厂房内的新鲜空气,在未经过工作区之前就已被加热而上升至排气口排到室外。提高自然通风效果的途径之一就是尽量避免或尽量减少气流短路。☆联系作者:赵加宁地址:哈尔滨市海河路202号,哈尔滨工业大学2644信箱电话:0451-88776496传真:0451-86282123Email:zhaojn@hit.edu.cn电解槽操作面图1二层结构铝电解厂房(形式1)2新型建筑结构铝电解厂房的提出由于图1形式存在室外风压影响的问题,且由于上进风窗的分流,使得大量进风没有通过电解槽而直接排走。为了进一步提高铝电解厂房的自然通风效果,一种新的建筑形式被提出来:在室外空气通过外墙下部的进风口进入后,大部分通过电解槽周围的固定隔栅进入厂房,带走槽体散发的余热和污染物并通过天窗排到室外,另一部分空气通过楼板开口上升,通过一面内隔墙进入厂房,即在楼隔板开口处设置了一面内隔墙,见图2,以下称为形式2。电解槽操作面操作面内隔墙内隔墙图2操作面下开窗有内隔墙这种形式优于传统的形式,提高了自然通风效率。此内隔墙可能有以下影响作用:1.从减少室外气候因素的影响角度看:一般厂房自然通风设计中只考虑热压作用的影响,忽略风压作用,然后对风压的影响进行定性考虑。实际运行过程中,自然通风受风压的影响很大。图1所示的自然通风系统去掉了传统形式的楼板上部外窗,室外空气通过下部外窗进入,然后通过内隔墙进入厂房,这样从一定程度上减少了风压不确定性作用的影响,使自然通风效果更接近于设计下的状况。2.从影响自然通风量的分配来看:室外空气由外窗进入后,分成两部分进入厂房,即通过内隔墙与电解槽间的固定隔栅进入厂房,内隔墙的局部阻力系数影响到通风量的分配。3新型建筑结构铝电解厂房通风效果分析自然通风的主要影响因素是厂房余热量和厂房的建筑结构形式。本文通过模拟计算,分析该建筑结构铝电解厂房的自然通风的主要影响因素及其相应的优化尺寸。3.1内隔墙高度内隔墙的作用是流通空气带走工作区的余热,改善工作区的操作环境;在高度上抑制气流下降,保证冷热气流的分层高度,见图4-3。图3热分层图4气流与内隔墙高度hn关系(hn=3m)图5气流与内隔墙高度hn关系(hn=4m)图6气流与内隔墙高度hn关系(hn=5m)铝电解厂房内温度有分层现象,对于其厂房的热分层高度,国外文献介绍的经验值是不低于3~3.5m。笔者通过模拟计算,发现气流总是在一定高度(图4~图6中标为气流高度)处斜流向工作区,它不随内隔墙高度的增加而改变,而是位于电解槽最高位置上方约0.5~1m处,即高于操作面3.5~4m。同时考虑热分层高度是动态的,厂房内的生产活动(如更换阳极或天车运行等)都会影响热分层高度。为保证工作区的气流不受上部热气流的影响,此值不宜太低,一般应在3.5~4m。3.2进风口尺寸内隔墙类形式厂房的进风口都布置在靠近地面的外墙上。室外空气通过进风口进入后,大部分通过电解槽周围的固定格栅进入厂房,带走槽体散发的余热和污染物并通过通风器排到室外。由于电解槽的主体散热部分在操作面以下,当进风口高度低于操作面时,进风口高度越低,则厂房总通风量会越小;当进风口高度高于操作面时,进风口高度越高,则厂房总通风量会越大,但槽间的通风量会减少,因为过多的空气流向了内隔墙。以上分析可通过300kA厂房进风口高度取值不同的6个算例说明。算例中的主要尺寸为:H=18.21m,W=30m,CS=0m,LC=6.2m,HS=HL=4m,WS=WL=1.5m,Wp=6m,HC=3.4m,计算结果见表1,图7至图9。表1算例结果表(进风口高度不同)算例参数123456进风口高度m1.92.42.82.93.43.9S进风口风量kg/s22.01123.68824.88125.08926.20126.904L进风口风量kg/s21.21922.50423.37923.59324.43225.241排风量kg/s43.23046.19348.26148.68250.63352.145L内隔墙风量kg/s4.7115.1796.0586.2397.6899.273S内隔墙风量kg/s4.8625.8296.6456.9388.5869.960槽间风量kg/s33.65435.18235.55535.50134.35532.910S工作区温度℃34.8134.8735.9336.0035.6735.54L工作区温度℃35.7335.2234.8934.8034.2434.03槽间温度℃40.2139.9939.4439.5839.2540.29排风量1.52.02.53.03.54.03234363840424446485052风量kg/s进风口高度m槽间风量1.52.02.53.03.54.045678910L内隔墙风量S内隔墙风量风量kg/s进风口高度m图7排风量和槽间通风量趋势图图8内隔墙风量趋势图(进风口(进风口高度不同)度不同)1.52.02.53.03.54.0330.6330.8331.0331.2331.4331.6331.8332.0332.2332.4进风口高度m温度℃熔体区温度图9槽侧壁温度趋势图(进风口高度不同)图7表明,排风量随进风口的高度增加而增加,但增加趋势减缓;而槽间风量在进风口由1.9m到2.8m(进风窗的净高)时增加,但此后至3.9m时减少,原因是在进风口由1.9m到2.8m区间,进入的空气大部分通过操作面进入槽间,使得槽间风量增加;在进风口高于2.8m后,进入风量受到操作面下梁的阻挡,有一部分流进工作区,进风口越高,该部分比例越大,从而使流向槽间的风量减少。图9中的熔体区温度变化的趋势也从槽间换热的角度说明了这一点。所以,进风口的高度与操作面下进风窗的高度相同时(即算例3),对于电解槽散热来说最好。图8表明,两端内隔墙风量随进风口的高度增加而增加。由表1数据可知:与算例3相比较,算例5的槽间风量少3.4%,工作区风量大26.9%,总通风量多4.9%;图4-9表明熔体区温度与算例3相差较小。结果说明算例5的总通风量较大,工作区环境较好,电解槽散热与其最佳的算例3相比略显不足,但也不失为较好的方案。与算例3相比较,算例6的槽间风量较算例3减少7.4%,工作区风量增加53.1%,总通风量增加8%。且图7表明熔体区温度与算例3相差较大,即电解槽散热较差,同时也说明进风口的高度不能过高,否则会对电解槽散热有较大的影响。根据上述分析,综合考虑电解槽散热和工作区环境,进风口OPS、OPL的高度范围以在操作面下梁的底端高(算例3)至操作面楼板高度(算例5)之间为宜。以L端为例,即图4-10中OP1-OP2之间。OP进风窗OP端内隔墙外墙操作面电解槽图10进风口高度3.3槽间遮挡槽间空气靠近电解槽侧壁流动有助于加强槽体侧壁的对流换热,从而降低槽侧壁温度。有些国外工程的做法是将槽间通道中部的部分格栅改为楼板,目的是迫使空气贴近电解槽侧壁处通过,从而加强了空气与槽壁间的换热,见图11。槽间遮挡宽度CS(图11中黑色部分)设为槽间宽度的1/4、1/2、3/4及槽间两母线外围的宽度(图12中Wm),具体数值分别为:0.54m、1.08m、1.61m和0.96m。计算结果见表2、图13和图14。图11槽间遮挡图12电解槽槽间母线图表2算例结果表(槽间遮挡宽度)遮挡宽度铝液层温度℃总风量kg/s槽间风量kg/s排风温度℃槽间温度℃0m349.08448.26135.55543.3239.440.54m344.97349.32834.47442.8341.440.96m343.54948.54330.58043.1539.951.08m343.65348.10328.90443.2939.771.61m350.38043.92117.79144.3638.39-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8343344345346347348349350351温度℃槽间遮挡宽度m铝液层温度-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.81520253035404550总风量槽间通风量风量kg/s槽间遮挡宽度m图13铝液层温度趋势图(槽间图14排风量和槽间通风量(槽间遮挡宽度不同)遮挡宽度不同)由图13可以看出,电解槽侧壁温度在遮挡宽度由0m到0.96m时降低,由0.96m到1.61m时升高。原因是槽间风量随遮挡宽度的增加而降低,在遮挡宽度小于0.96m时,槽间风量减少但空气与槽侧壁间对流换热加大而使得槽侧壁温度降低,在遮挡宽度大于0.96m时由于槽间风量减少过多,反而使得换热减弱,槽侧壁温度升高。对实际工程来讲,槽间母线应尽可能设置在槽间中心处,将母线与槽侧壁的空间空出,以利于空气与槽侧壁间的换热。槽间遮挡宽度最佳为槽间平行于槽体的两母线外围的宽度(图12中Wm)。3.4进风口外导流角度厂房建筑设计时,进风口外有倾斜于外墙的挡风板。本文取四个算例进行研究,其倾斜角度分别为0°、30°、45°和60°。为保证可比性,算例中挡风板的最低端均为3.4m,最高端均为4.4m,见图15。算例其余主要数据为:H=18.21m,W=30m,i=0.1,WS=WL=1.5m,HL=HS=4m,CS=0m,LC=6.2m,HC=3.4m。计算结果见表3、图16和图17。图15挡风板表3算例结果表(倾斜角度不同)角度总风量(kg/s)槽间风量(kg/s)S进口风量(kg/s)L进口风量(kg/s)S工作区温度(℃)L工作区温度(℃)槽间温度(℃)0°50.63334.3558.5867.68935.6734.2439.2530°52.1363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