（环境工程专业论文）严寒地区火力发电厂锅炉紧身封闭内冬季空气热环境的改善.pdf

摘要 严寒地区，火力发电厂的大型锅炉多采用整体的紧身封闭围护结构予以保护。由 于锅炉和一些设备的散热量大，在其门窗设计中主要考虑夏季的通风要求，这样会有 很多的门窗缝隙存在。在冬季，即使门、窗和屋顶通风器都关闭，但由于紧身封闭内 锅炉的散热，加之建筑物高大，产生很强的热压，在建筑物下方会有大量的冷风通过 门、窗缝隙以及一些孔口等渗入紧身封闭内的空间，致使厂房内出现“下冷上热”的 问题。下方热环境较差、温度偏低，造成下部空间的设备散热量增大，甚至可能冻结， 影响火电厂的正常生产 为了减轻室内空间“下冷上热”的闯题，在工程设计中，采用了夏季将运转层楼 板敞开、冬季将楼板封堵住的办法，减弱室内热压但在实际运行中由于种种原因 很难将夏季敞开的运转层楼板，按冬季的设计要求将其封堵住于是，考虑到锅炉顶 部区域的温度较高、在对运转层楼板很难进行封堵的情况下，又采用了在炉体顶部设 置数台引风机向下部空间抽送热风的办法，来提高下部空间的空气温度。此外，还可 以打开底层的暖风机，进一步调节底层空间的温度。 为了对工程设计中提出的这些办法进行详细的数值分析，本文应用g a m b i t 作图软 件和f i i e n t 仿真计算软件，建立火电厂紧身封闭的仿真模型，对其冬季原运行工况 下的内热环境以及对此问题提出的多种改善工况进行对比研究，并通过对它们的速度 场、温度场和压力场的分析，进一步论证改善措施的效果。在整个计算过程中，本文 首次解决了冬季门窗冷风渗透的数值计算的难点问题，同时也对辐射换热的数值计算 问题进行了很好的研究。 e 本文提出的研究方法和结论能为火力发电厂冬季运行环境的改善设计提供参考依 据。 关键词：火力发电厂紧身封闭数值计算模型热环境 a b s t r a c t i kb 伽n d i n gw a l le n d o s u mi sm a i n l ya d o p t c db yl a f i ，cb o n e 培t op r o t e c ti t s c i fi n6 r e p 0 啊髓p l 龃ti n l da 坞a b 卸o fm cl a r g eh e a t 鼬i s s i o no fb ( m e 玛锄ds e v e r a l e q u i p m 协，t h cv e n t n a 商d ni sm a i n l y 啪s i d c r e d i nt h ed 髓i g n i n go fd 0 雌蛆dw i n d o w s s o t h e 坞a 砖m 翘y 口虹i nd o o 璐柚d w i n d 0 哪h w i m e v 钮t h 伽曲c 蛔蜘e 嚣o f d 培柚d w i n d o w s 卸dw 删豇a t i s y 砒锄i nf i lp i o d u o 嚣s n o n gh c a tp r s i i 咒d l 壕t oh e 砒 c m i 站i o f b o n e 墙i n b o u n d i n g w a l l 佃c l c 帆碍姐dg i 龇b l i i l d i n 笋a n d t h e i s a 伊c 砒 锄伽mo f l da i r i n t h eb 0 mo f t h eb l i i l d i n 擎p 弱s i n g t h ec m c i 【so f d o o 璐a n d w i n d o w s 粕ds 帆c i n l e 协t o p 锄e a t e t h es p a c e i nb o 埘d i n g w a l l a n d t h e r c i s 龃a t t d a n tr 璐u no f l d i n t h e l o w ：f b u th o t j n t h eu 川弦l t h e h a d h e a tc n v 慨m c n t 锄d l a w 盯t c m p c 艴m r c j n t h eb o n o ml c a dt ot h c 如c r e 髂co fh e a tc m i s s i o no fc q u i p m e n t s 时t h e 鱼脚r 血舀i t 伽 a f f e c t t h e n 咖a l w 汹g i n 句ep 0 啊c r p l a l l l 、 mo r d e r t o h c v e t h es i t l l a t i o f l d i n t h c l o w e r b u t h o t i n t h eu p p t h c m c a 飘珊i s a d o p t 甜w h i c ho p e n t h eo p c r a t i n g n o o r j n 跚m 螂锄db l o c k t h c f l r i n w i n t c r 弱t o d e c 托a t h ci n d o h e 砒p r e s 锄把i ne 罢：i n e e r i n gd c s i g n b u ti np r 雏t i ，i ti sh a r d l yt ob lo c ：k t h en o w h i c h i so p 衄e d i ns u m 嬲a c c 研d i n g t o t h cd c s i g nd 锄n d i n w i n t 盯b e 伽o f 1 【i n d so f r e a 鹏s o ，i n 啪s i d 哪t i o fm es i t i l a 商o nt h a tt c ：m 】p c m t i i mi s 锄p 枷i v ch i g hi n t h e t o p 趾d t h e b 蛾k t o t h c o p e m t i l l g n r i s 协跚b l e s 锄e ，i t c 删p s t h e b o i l e 墙w i l h 刚e f a l d r 跏g h t f a 璐i n t h c t o p t o 蛔卸d d e u 、懈t h eh o ta i r t o t h e b o t t 锄s p a 勰t oc n h a n 也ca i r 钯m p c 粕t l l ha d d i t i ，i t 啪a l s o 叩蛆也eh c a 魄细i n t h e 晰t o m t oa d j u s t t h c t c m p e 咖f i l “h e r 一 + t om a ：k ead e t a i l c d 姗m e r i c a l 柚a l y s i st o 也em e t h o d sm e n t i 伽e di ne n g i i i r i n gd e s i 鹦 i ta p p n e s 龇g 锄b i t 觚df l u e n t 脚啪t ob u 豇d 叩as 洫u l a i i o nm o d e tt om a k ea 0 0 m p a r i s b e 咐e 吼t h e i n d o t h 锄a lc n v i | 伽m 锄t 伽d e rt h e f o 】盯0 p e m t i n g d r c 唧瞄t a 圳i nw i n t 盯a n dl 【i n d so fi n l 删e dm e t h o d sm c 埘c dt ot h cp m b l 锄b y a g c n c ) ro f t h e 锄a l y s i s t o t h e v e l o c i t y ，t c l n p 蹦l 加姐dp r e s s u 坤，i t 啪胛0 v c f i l n h 盯c f f b c t o f i m 蚪c d m e t h o d s hm cw h o l e u 僦o f m p u t i n g i t l v 鸭也ed i m l tp f o b l 锄o f0 0 l d a i r p e 姗e a t i o n t h r o u g hd o o 鹉姐d w i n d o w s i n w i n t e r 柚d i na m e a n t i m c “a l h 弱a g o o d a r d ho fr a d i a l i 朋c u p e 阳t i t h e 砧s e a r c hm c t h o d s 柚dc o n c l u s i 伽sp u tf 0 刑a r di nt h e 彬i p e r u l do 丘盯r c f e 湖c e d 伊叫n d s 细i m p r o v c dd e s 咖o f 叩啪t i n gc i l 饥m s t a n c ei nw i n t e ri n 丘p o w c rp l a n t k e y w o r d s ：丘 p 0 啊c rp l a n t ，b o u n d i n gw a l i ，n u m c r i c a ls i m u l a t i o n ，t h e 助a l 佃v i m 岫e n t m o d e l 论炭和剑牲j 嚼 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导辩的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明弓l 用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何末加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 絮磊 驷f 年f 月7 目 铪交知锻广权权屋j i 嘲 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权妇 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作翥签名：督磊卫年月7 嚣 导师签名： 傀杰冷 f 2 卿占辱多强 话 第1 章绪论 1 1问题的提出及研究现状 严寒地区的火力发电厂，由于冬季室外气温很低，主厂房内的大型锅炉多采用整 体的紧身围护封闭措施予以保护，在锅炉周围的走道外侧设置围护结构加以封闭“1 紧 身封闭内具有热负荷大、夏季需求风量大的特点。夏季，主要靠外墙的门窗自然进风， 屋顶通风器的自然排风来实现通风的。冬季，将门窗、屋顶通风器全部关闭，但由于 紧身封闭内锅炉的散热，加上建筑物高大，会产生很强的热压，建筑物外墙上的门窗 以及一些孔口处会有较大的冷风渗透，致使厂房内出现“下冷上热”的问题。下方热 环境较差，温度偏低，对下部空间的水管、设备带来不利的影响，甚至可能冻结，影 响正常的生产同时，厂房内还会出现上，中、下部工作区温度分布不均匀，局部温 度过低的情况，这些都不利于操作人员工作，有可能造成电力设备的故障，危害电厂 生产的安全性。 长期以来，工程技术人员在火力发电厂的设计中，主要以考虑紧身封闭内的夏季 通风环境为主，对冬季内热环境的设计计算很少。正是由于设计人员对这个问题的忽 视或者缺少相应的理论资料指导，以至于在冬季实际运行时内环境会出现“下冷上热” 的问题。据了解，这种情况在火力发电厂的运行中比较普遍。 针对火力发电厂在冬季运行中普遍存在的上述问题，工程技术人员一直致力于寻 找解决的办法，归纳起来有两种：一是在冬季，将建筑物高度方向中部的流通断面封 堵上，减弱热压，减少冷风渗透；夏季将流通断面打开，让空气全面流通，实现通风 降温。二是在紧身封闭内锅炉上方设置数台引风机，在冬季依靠引风机，通过风管将 厂房顶部的热空气抽送到建筑物的下方，改善下方的热环境 这些办法在一定程度上改善了冬季建筑物下方温度过低的问题。但由于进行工程 实验论证很难，且无全面、可靠的理论依据，以至设计人员在使用这些方法时完全依 靠经验。因此，以上所说的办法效果究竟如何，以及怎样才能更有效地解决这个问题， 成为工程技术人员非常关注的问题。 1 2此问题的研究方法和研究工具 由于这种问题在火电厂的冬季运行中普遍存在，遂本课题以内蒙古上都地区火力 发电厂为研究对象，应用c i d 数值模拟软件，研究在冬季条件下火力发电厂主厂房的 冷风渗透对室内环境的影响，对其内热环境进行仿真计算，分析以上改善方法的效果， 为解决此类问题以及火电厂的优化设计提供参考。 本课题使用a d 数值模拟软件，它是国际上流体流场研究的一个重要工具。它是 利用计算机，将流体流动的各种守恒的偏微分控制方程组离散化求解，并将其结果可 视化，具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同工况等独特的优点。目前， 国际上仅有几套相对比较成熟的c f d 数值模拟软件，如p h o n m c s 、f ii j e n t 、c f x 等，考虑到本课题的模拟对象及问题性质，选用了f ii 甩n t 及其前处理( 网格划分) 软件q 蝴b r r e f i i l e n t 是用于模拟复杂几何条件下流动和传热问题的a d 程序它提供的非结 构网格生成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松，可以生成的网格 包括二维的三角形和四边形网格：三维的四面体、六面体及混合网格。并且，可以根 据计算结果调整网格，节约计算时间该程序可以用于模拟可压缩与不可压缩流动问 题、稳态和瞬态流动问题、无粘流、层流及湍流问题、对流换热问题( 包括自然对流 和混合对流) 、导热与对流换热耦合问题、辐射换热问题等，在暖通行业有着较广泛的 应用。 暖通设计的最终目的是以经济、合理的系统设计及设备选型实现所要求的室内气 候环境( 温湿度、气流、污染物质浓度等的分布) ，实现对这些环境参数的合理控制利 用c f d 技术，可更有效地了解室内气流的构造、分布特征，。为合理的系统设计及设备 选型提供有益的参考资料暖通行业是a 砷技术应用的重要领域之一我国暖通空调 制冷行业已有不少专家对c f d 的应用研究开展了大量的工作，取得了一定的成果，主 要表现在以下方面“”： 通风空调设计方案优化及预测、空调设计方案的仿真、高大空间气流组织，置 。 换通风方式的数值模拟、洁净室气流分布的数值模拟等； 传热传质设备的c f d 分析，如各种换热器、冷却塔的a ；d 分析； 射流技术的c f d 分析，如空调送风的各种末端设备等； 流体机械及流体元件，如泵、风机等旋转机械内流动的c f d 分析，各种阀门 的a ；d 分析； 空气品质及建筑热环境的c f d 方法评价、预测； 建筑火灾烟气流流动及防排烟系统的a 分析l 锅炉燃烧( 油、气、煤) 规律的c l d 分析； 。 城市风与建筑物及室内空气品质的相互影响过程的a = d 分析； 可以看出，c f d 分析已用于暖通空调行业的诸多方面并取得一定成果。在本文中 将其拓展应用到冬季门窗冷风渗透的数值计算问题上 2 1 3本文的主要工作 鉴于对实物很难进行实验测试，遂本文利用c f d 软件建立火力发电厂紧身封闭换 热流场的物理模型和数学模型，将其冬季运行时的工况在计算机上进行模拟，并且对 设计人员提出的改善工况分别进行数值计算和结果分析，对比这些工况的改善效果。 本文主要模拟五个工况： 1 原始工况：对火力发电厂在冬季运行中未采取改善措施的模拟。在这个工况下， 紧身封闭内锅炉正常运行，散热器恒壁温供暖，运转层楼板敞开，底层暖风机 不开。 2 第一种改善工况：运转层楼板大部分封堵住，锅炉正常运行，散热器仍为恒壁 温供暖，底层暖风机不开 3 第二种改善工况：运转层大部分楼板依然封堵住，锅炉正常运行，散热器恒壁 温不变，底层暖风机打开 4 第三种改善工况：楼板敞开，锅炉正常运行，位于炉体顶部的引风机打开、向 下抽送热风，散热器仍保持恒壁温供暖，不打开底层暖风机 5 第四种改善工况：引风机继续向下抽送热风，底层的暖风机也打开，锅炉正常 运行，散热器仍保持恒壁温供暖。 一 1 4本课题的难点 由于模拟对象为实际火力发电厂锅炉紧身封闭内的热环境，而且建筑物高大、 构造复杂，内部设备多。在建立仿真模型时就要根据设计图纸，考虑很多的建 筑因素和工艺因素，尽最大可能反映出本课题重点关注区域的特征，简化一般 区域。 室内空气流动为高瑞利数的自然对流，并且换热中包括了对流换热和辐射换热 的耦合计算问题。 网格处理：对模型中特殊的面，如门、窗、散热器等，必须进行网格的细化， 才能反映出其周围流场的变化，同时要求面网格与体网格进行很好地衔接。考 虑到计算资源以及计算成本，合理地控制整个体网格数量是很有必要的。 冷风渗透的数值计算是本文重点要解决的难题。 本次数值模拟的计算量大，室内空间流场复杂，机时长 3 第2 章锅炉紧身封闭仿真模型的建立 2 1 火电厂的工程概况及原始资料 本工程位于内蒙古上都地区，装机容量为两台6 0 0 m w 机组，夏季主厂房采用自然 进风和自然排风的通风方式查阅资料 2 】，室外气象参数见表2 1 由于本文主要讨论 紧身封闭内的热环境，所以在此只提供紧身封闭的一些相关设计资料根据设计院提 供的电厂图纸，见附图l 、2 ，可确定紧身封闭的尺寸( 长宽高) ：7 3 8 7 0 9 9 8 m ； 本工程使用哈尔滨锅炉厂的锅炉，其过热蒸汽流量为2 0 7 0 油，过热蒸汽出口压力为1 7 5 m p a g 。出口温度为5 4 1 c ，炉体尺寸( 长宽高) ：2 0 0 5 2 n l 2 0 1 9 3 m 9 2 1 7 m 紧 身封闭的建筑结构分两层：1 8 m 以下空间称为底层，该层有设备管道、暖风机以及磨煤 机等在底层的西面侧墙上开有一排通风窗，尺寸为1 1 5 m 。共计5 2 个窗户，采用铝 质推拉窗1 8 m 以上空间称为运转层，主要设置锅炉炉体，烟气管道、省煤器等。在运 转层中，也在西面侧墙上开有两排通风窗，尺寸均为1 1 5 m ，每排共计5 7 个窗户，仍 采用铝质推拉窗。在底层和运转层的外窗下，均装有钢制板式散热器，按保证冬季的 室内值班温度5 。c 选择，具体尺寸和性能参数详见资料 3 紧身封闭的外墙上有很大 的采光窗由于夏季采用自然排风，遂在紧身封闭的屋顶处设置两排屋顶通风器，具 体尺寸和性能参数可详见资料 1 0 紧身封闭的外墙嘲，采用8 嘶m 的条纹压型钢板+ 1 0 0 m m 的超细玻璃丝棉+ 6 0 m m 的钢制镀锌波纹板；运转层和底层之间的楼板瑚，采用钢制隔栅楼板；锅炉炉体的保温 材料按照设计要求，保证炉体外表面温度不超过5 0 。c “1 l 其热工参数见表2 2 。 表2 1内蒙古上都地区室外气象参数 地区 室外计算温度室外计算相对湿度室外平均风速 n 童 冬季冬季夏季 冬季夏季冬季夏季 采暖通风通风 上都2 0- 1 52 73 74 92 32 o 表2 2围护结构有关热工参数 厚度 平均 平均导热平均设计传热材料表面 名称密度系数比热系数的发射率 m m酬 w m n )j 肚昏)附的 外墙 2 4 0 2 8 2 71 5 11 0 7 8 60 3 3o 8 2 外窗52 5 0 00 1 “8 4 04 2o 9 4 外门5 07 0 0l 1 4 6 2 5 0 0 1 7 6o 8 5 4 2 2对设计参数进行校核 2 2 1热压的计算 由于室内外空气密度不同形成的重力压差，称作“热压”。热压的大小取决于建筑 物通风口之间的高度差j i 和室内外的空气密度差p 一，一以) 。热压的计算公式可以 表示为啪： 印 耐- 朗p 。一以) ( 2 1 ) 式中，p 一形成热压的室内空气密度，1 【g m 3 ：| i l 通风口之间的高度差，m ： p ，一室外温度下的空气密度，k g m 3 。 由式( 2 1 ) 可知，当热压差为正值时，室外压力高于室内压力，冷风由室外渗 入室内。 2 2 2设备散热量的确定 所谓设备散热量，是指在主厂房内的汽轮发电机组及其辅机、汽水管道、锅炉本 体，以及汽水及烟、煤、风管等，从其外表面散发到室内的热量“1 。本课题的设备散热 量主要指锅炉炉体的散热量。根据资料 1 】，采用主厂房设备散热量的估算值，见表2 3 ： 表2 3 主厂房设备散热量估算值 容量( m w )2 0 03 0 0l3 5 05 0 0 6 0 0咖1 0 0 0l i 项目锅炉房散热量( m w ) 4 2 5 5l5 97 38 09 4 1 0 5 i 本工程使用两台6 0 0 m w 机组，且机组分别布置，所以本课题只考虑一台机组的 设备散热量。从上表可知，一台6 0 0 m w 机组的锅炉房设备散热量为8 0 0 0 k w 。 2 2 3 夏季通风方案的验证 主厂房夏季通风量应按下列要求确定：锅炉房只考虑排除余热，不考虑排除余湿0 1 ( 一) 自然通风迸排风温度的确定： 1 ) 进风温度 夏季锅炉房进风温度c ，一般采用室外通风计算温度f 。- 2 7 c 2 ) 排风温度 锅炉房排风温度：吃一t o + ( 1 1 1 3 ) c 一2 7 + 1 2 - 3 9 c ( 2 2 ) 3 ) 工作地带温度 f ，- f o + ( 3 5 ) 。c - 3 0 。c ( 2 3 ) 4 ) 锅炉房内平均温度 5 t 。- 三“+ r ：) - 三( 3 0 + 3 9 ) 一3 4 5 。c ( 二) 夏季锅炉房通风量的计算； 锅炉房通风量按如下公式计算m ： 露鬻署 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中， t 锅炉房通风量，k g m ：c 一空气的质量比热，其值为1 0 1k j 力【g cl 圪，f ：锅炉房进、排风温度，c ；或锅炉房设备散热量，m w 。 将以上数据代入，得： 锅炉房夏季通风量e - 等等一蹦一2 4 0 x 1 0 4 ( 蛐) ； ( 三)确定迸排风位置及其进排风量： 锅炉房可以从底层以及运转层的两排通风侧窗进风，锅炉房进风量分配如下“1 。底 层通风侧窗进风3 0 ：即3 0 砖- 3 0 2 4 0 1 0 4 - 7 2 1 0 4 ( k g 伍) ；运转层两排通风 侧窗进风7 0 ：即7 0 e - 7 0 2 4 0 x l o - 1 6 8 x 1 0 4 ( 1 【g h ) ( 四)确定进排风口至中和界面的高度： 夏季，外墙上的三排侧窗自然进风，屋顶通风器自然排风进行除热。锅炉房总通 风量e 为2 4 0 1 0 ( k g m ) ，可由下列公式求出屋顶通风器排风口距中和界面的高度“”： f 二：兰竺：产二( 2 6 ) 3 6 0 0 p 。2 9 p 。k l 几一p 。j ， 式中，f 屋顶通风器喉口的面积； g 一重力加速度，m s 2 ； k 一屋顶通风器排风口距中和界面的高度，m ； 几，p 。进风口、室内空气平均密度，k g l ； p 。锅炉房排风口空气平均密度，k g 以 一。一屋顶通风器的流量系数，取心- o 6 8 0 4 “”； 工。排风口空气流量，也就等于锅炉房总通风量t ，值为2 4 0 1 0 k g m 。 查阅资料 2 可知： 室内空气平均密度( 在锅炉房内平均温度f 。- 3 4 5 。c 下) ，户0 - 1 1 3 8 9k g 一； 锅炉房进风口空气平均密度( 锅炉房进风温度o - 2 7 c 下) ，几- 1 1 7 6 9k g m 3 ； 锅炉房排风口空气平均密度( 锅炉房排风温度- 3 9 下) ，p 。1 1 2 1 1k g m 3 。 6 由设计图纸，并查阅资料 1 0 可知：屋顶通风器喉口面积为3 x 5 4 2 3 2 4m 2 ； 将以上数据代入式( 2 6 ) ，得： 中和面高度为9 6 9 lm ( 从建筑物基础算起) 通风器排风口距中和界面的高度j l 。一1 0 9m ； 底层侧窗进风口中心线距中和面的高度| i l 。- 9 4 9 6m ；运转层第一排侧窗中心线 距中和面的高度为7 6 9 6 m ；运转层第二排侧窗中心线距中和面高度为7 2 4 6 m 。 ( 五)计算进排风热压差： 进风口的热压是从进风口中心到中和界面的距离乘上空气平均密度之差；排风口 的热压是从排风口中心到中和界面的距离乘上空气平均密度之差“1 即 肇h - ，k ( 几一p 。) g ( 2 7 ) 6 l 艮k ( p 。一p 。) g ( 2 8 ) 式中，吃，叱进，排风口热压，p a ；g 一重力加速度，m s 2 ； k ，k 从进、排风口中心到中和界面的高度，m ； 。 几，p 。进风口、室内空气平均密度，k g 岔。 计算结果如下： 底层侧窗热压为3 5 3 6p a ；运转层第一排侧窗热压为2 8 6 6p a ；运转层第二排侧窗 热压为2 6 9 8p a ；排风口热压为- 0 1 9p a 。 ( 六)确定进风口通风面积 根据自然通风计算公式，进风口面积为“： 小丽磊秀焘磊i q 叫 式中，4 。进风口面积，m 2 ；上如进风口空气流量，k g h ； 珥进风口至中和界面的高度，m ； 进风口的流量系数，查阅资料 2 可知，如- 1 。 由前面计算可知：底层进风口空气流量瓦一7 2 1 0 k g m ；通过计算可得：底层 进风面积 2 1 9 2 朋2 ；运转层两排进风口总空气流量k 一1 6 8 1 0 4k g h ，如果运转 层的总风量全部由该层的第一排侧窗提供，则该排侧窗所需的进风面积以- 5 6 8 m 2 校核： 底层共有5 2 个窗户，采用铝质推拉窗，通风面积为3 9 m 2 ，大于底层的理论进风 面积以- 2 1 9 2 坍2 ，所以底层的开窗面积能够满足底层的通风量要求 7 运转层的第一排侧窗，共有5 7 个铝质推拉窗，通风面积为4 2 7 5m 2 ，如果运转层 的总通风量全由该排侧窗承担，所需要的理论进风面积以- 5 6 8 i ，1 2 ，实际的开窗面积 4 2 7 5m 2 小于理论计算的面积，所以运转层第一排侧窗无法满足该层全部的通风量要求 由公式( 2 9 ) 可计算出，运转层第一排窗能够提供的通风量为1 2 6 4 x 1 0 k 咖，由 于该层总通风量为瓦- 1 6 8 x 1 0 k g h ，所以运转层第二排窗需要进风4 1 6 1 0 4k g h ， 由此可得：运转层第二排侧窗的进风面积4 - 1 4 6 7 坍2 由资料可知，该层第二排侧 窗实际开窗面积也为4 2 7 5m 2 ，大于理论计算的进风面积1 4 6 7 舻，说明运转层第二捧 侧窗能够满足该层剩余通风量的要求。总的来看，底层和运转层外墙上的三排通风窗 能够满足主厂房夏季通风的要求 2 2 4 冬季供暖系统及其方案的验证 主厂房供暖设计原则“1 ：( 1 ) 机组停止运行时，主厂房供暖应维持室内值班温度 5 。c ，计算时不考虑设备散热量。( 2 ) 机组正常运行时，由于设备散热量大，一般能 保证室内1 0 1 6 c 的温度在正常运行时，设备散热量往往超过供暖热负荷，但设备 散热量主要集中分布在厂房中央，不能保证外墙附近的热环境要求，该处主要受室外 温度的影响，所以运行时仍要求供暖设备布置在靠外墙处，用于补偿围护结构的耗热 量“ ( 一) 主厂房供暖热负荷包括： 1 围护结构的基本耗热量，按下式计算“1 ； 。霉- 嗣7 “一f ，虹 w ( 2 1 0 ) 式中，k 一各围护结构传热系数，w 炳2 c ) ；f 一围护结构的面积，m 2 ； 0 一冬季室内计算温度，。c ；f ，供暖室外计算温度，c ； 口一围护结构的温差修正系数，查阅资料 3 计算围护结构的基本耗热量时，室内供暖温度按f 。c 计算，供暖室外计算温度 f 。- 2 0 c ，将底层和运转层分开计算耗热量，各围护结构的传热系数见表2 2 ，计算 结果如下：， 底层( 1 8 m 以下) ： 三面外墙的基本耗热量为8 2 9 3 2 w ，1 3 7 5 1 1 w ，1 2 5 3 3 4 w ； 。“ 底层地板面的耗热量为2 6 k w ；由于底层和运转层都是采暖区，温差为o c ，所以 不计算通过运转层楼板的耗热量。外窗的基本耗热量为1 2 4 8 k w ；外门的基本耗热量 为6 0 2 6 k w j 芪层总的基本耗热量g 基本好热量- 口井墙+ 鼋井膏+ g 门+ g ，援面= 6 7 8 0 4 k w b 运转层( 1 8 m 以上) ： 四面外墙的基本耗热量为4 1 7 4 7 5 w ，2 8 2 9 7 5 w ，4 3 1 5 8 2 w ，1 4 1 9 5 w ； 屋顶的耗热量为3 5 3 5 k w ；通风窗的耗热量为2 7 3 6 k w ，采光窗的耗热量为 1 0 1 2 8 k w 。 运转层总的基本耗热量口基车好热量一目外墙+ 窜通风宙+ g 屋顶+ q 采光膏= 2 9 1 4 k w 2 附加热负荷： 高度附加耗热量：按基本耗热量的1 5 计算，当房间高度大于4 m 时，每高出1 m ， 高度附加率应附加2 ，但总的附加率应小于等于1 5 “1 。 冷风渗透附加耗热量：按基本耗热量的5 0 计算 由于主厂房各个朝向都有，所以在计算中可以不用考虑朝向附加在计算中冷 风渗透耗热量比资料【2 规定高出1 0 ，所以不用再考虑风力附加等其他附加m 计算结果如下： 底层：高度附加耗热量窜- g 基奉耗热量1 5 - 6 7 8 0 4 1 5 - 1 0 1 7 1k w ； 冷风渗透耗热量q 口基奉耗热量x 5 0 - 6 7 8 0 4 5 0 3 3 9 0 2k w ； 运转层：高度附加耗热量目- g 基本耗热量1 5 - 2 9 1 4 x 1 5 - 4 3 7 1 k w ； 冷风渗透耗热量q - q 蓍奉耗热量x 5 0 - 2 9 1 4 x 5 0 - 1 4 5 7 k w 3 底层外门冷风侵入耗热量，按下式计算咖： 窜- 岣 ( 2 1 1 ) 式中，一考虑冷风侵入的外门附加率，由资料 3 中表1 一l o 可知：- 5 0 0 ； 口一外门的基本耗热量，w 通过计算可知，底层外门冷风侵入耗热量q - r q - 5 x 6 0 2 6 4 - 3 0 1 3k w 综上所述，底层厂房建筑耗热量： q 底层一口基奉耗热量+ g 高度册加+ 日冷风滓遣+ g 冷风侵入- 1 1 1 8 8k w 运转层厂房建筑耗热量： q 运转层i g 基本耗热量+ 口膏度尉加+ 叮冷风藩透一4 8 0 8 k w ( 二) 散热器散热面积的确定 严寒地区主厂房供暖热媒宣采用蒸汽，蒸汽压力可以采用0 2 0 6 m p a ，供暖用蒸 汽可来自汽一汽加热器的二次蒸汽，也可来自汽轮机抽汽，蒸汽温度达2 0 0 3 0 0 。c “1 由设计资料可知，散热器内热媒平均温度白一1 5 0 。c ，供暖室内计算温度f 。c 其传热系数可按下式计算啪： 口 k - 口( f 广一4 ( f 一f 。广w m 2 。c ( 2 1 2 ) 式中；口，6 一由实验确定的系数，查阅资料 3 ：4 2 5 ，6 - o 2 3 9 ； 垃一散热器热媒与室内空气的平均温差，。c 通过计算得： 传热系数量- 2 5 1 4 5 呦8 2 1w 腼2 c 其散热面积按下式计算瑚： n 瓦笋习a 以岛 m 2q _ 1 3 式中，q 一散热器的散热量，w ； 反一散热器组装片数修正系数，取a 一1 ； 岛一散热器连接形式修正系数，取卢2 - 1 ； 岛一散热器安装形式修正系数，取以- 1 底层散热器的最热面积：，i 瓦兰刁区岛岛等- 9 3 9 8 m 2 。 运转层散热器的散热面积：，- i 砭苎习a 岛岛- 专裟- 4 0 3 鹋m 2 校核： 根据设计院的要求，底层和运转层在紧靠外墙的窗户下各布置三排散热器，总长 分别为5 7 m 、5 7 m 和7 1 m ，每组尺寸为1 ( 0 7 m 这样可以计算出：底层三面外墙下三排 散热器的总展开面积为5 7 x 0 7 x 2 + 7 1 x 0 7 - 1 2 9 5 m 2 ，运转层三面外墙下三排散热器 的总展开面积也为5 7 x 0 7 2 + 7 1 o 7 1 2 9 5 m 2 根据以上计算可知：底层要保持室内值班温度，理论上需要散热器的散热面积为 9 3 9 8 m 2 ，而实际散热器的展开面积为1 2 9 5 m 2 大于9 3 9 8 m 2 。所以底层的三排散热器能 够满足底层供暖热负荷的需要；运转层三排散热器的实际展开面积也为1 2 9 5m 2 ，小于 运转层散热器的理论散热面积柏3 8 8 m 2 ，所以运转层的三排散热器无法满足该层供暖 热负荷的需要。 在这种情况下。运转层三排散热器所能提供的总散热量为1 5 4 1 6 k w ，底层三排散 热器提供的总散热量也为1 5 4 1 6 k w ，所以厂房内全部散热器提供的总热量为3 0 8 3 2 k w 由于厂房围护结构的基本耗热量q 与室内外温差f 成线性比例关系，遂可以计 算出：设计资料要求安装的这些散热器，在锅炉机组停止运行时，可使厂房内的温度 达到1 4 6 c 此外，设计资料要求：在底层靠近柱子处，安装九台蒸汽暖风机，其中 七台使用、两台备用，每台暖风机的散热量为4 5 忍k w ，出风温度5 0 c ，其它参数可 ll争；：o l 查阅资料口1 。同理，可以验证：厂房内散热器和暖风机一起使用时能够保证机组在 非工作时的室内值班温度5 。 2 。3物理模型的建立 对一些实际的工程问题，有很多的影响因素。对其进行研究时，必然要针对所研 究问题特点，忽略次要因素而重点关注主要因素的影响，这就是所谓由物理问题到建 立物理模型的过程。本文主要研究热压引进的冷风渗透对紧身封闭内热环境的影响， 所以在理论分析的基础上，对其作出以下简化： 1 由工程图纸可知，主厂房在底层中( 1 8 m 以下) 有八台磨煤机，由于本工程的 磨煤机均采用水冷却方式，在运行过程中，放出的热量被水带走，室内温度不 受磨煤机的影响，而且磨煤机的体积小，对其周围流场的影响不大，因此在建 立物理模型时，完全可以忽略磨煤机。 2 本次模拟的外围护结构( 外墙、外窗) 和内围护结构可视为各向同性的导热体， 其热工参数由各组成部分的热工参数按厚度加权平均得到，具体见表2 2 ；由 于f 1 j ，矾t 对这种边壁结构可将其视为具有特定厚度的二维面，在其厚度内 按纯导热处理“”所以将内、外围护结构简化为与其实际大小相同的二维面， 从而降低了网格划分的难度和计算量。 3 实际散热器具有复杂的外形和周围流场，想较好地体现它们，需专门细致的研 究。限于本课题所拥有的资源、时间限制和研究方向等，本文将散热器假设为 一个平面，其面积为计算验证了的散热器的展开面积，布置在外墙内表面的窗 下。同时，忽略了散热器之间的距离，将位于外墙下的散热器面连成一体，来 模拟实际散热器对室内传热的效果 4 实际的锅炉炉体具有复杂的外形，用作图软件很难将其原貌画出来考虑到本 文的研究重点，遂对其外形进行简化，认为炉体是由多个长方体叠加而成的 5 实际中，锅炉炉体周围存在很多处理高温烟气的设备和管道，如省煤器等，这 些设备和管道具有很大的发热量考虑到建模和网格化的困难，将这些零散的 设备和管道全部算做锅炉炉体，也就是用一个发热的长方体代替这些设备和管 道。对于离炉体较远且发热量不大的设备和管道，全部忽略不计 6 在厂房顶部安装有两排屋顶通风器，根据本课题的研究重点，对屋顶通风器内 部傲适当的简化处理，用一个外形跟实际通风器一样、内部中空的多边体代替。 7 在底层中对暖风机进行简化在建模时，将其全部作为一个内部中空的正方体 对待，回风口和出风口全部用面来表示。 8 通常，在锅炉房内有送风机给锅炉送风，同时送风机也在室内吸走大量的空气， 锅炉房内形成负压，通过底层、运转层的门窗缝隙和其它孔洞渗进大量的冷空 气，加热这些冷空气的热量是相当大的，供暖设备的散热量远远不能满足其要 求根据资料 1 】可知，3 0 0 m w 以上的机组锅炉送风机的吸风口已经不再设在 室内了因此，本模型在建模时不考虑锅炉送风机的影响 9 在第三种改善工况中使用的引风机，实际的外形复杂，而且其尺寸与厂房空间 相比很小，不易网格化j 遂对其进行简化只画出引风机的风管即可，用风管 的进、出风口代替引风机的抽风口和送风口。 。 1 0 紧身封闭的外墙上装有采光窗，这些窗是不可开启的，封闭很严且不透风，只 起采光作用另外，至于太阳辐射，由于室内环境的热影响主要是由于锅炉作 用形成的，太阳辐射的影响很小，且很难准确地模拟太阳辐射对室内温度及流 场的影响。在这种情况下，可近似认为无太阳辐射的存在 1 1 在模拟热压作用下，通过门窗缝隙的冷风渗透对室内热环境的影响时，考虑到 。门、窗缝隙在画图中的困难，遂采用边界条件中的多孔介质模型对门窗面进行 设定，用一个有孔隙率的面来近似门窗的缝隙，那么通过这个多孔介质的渗透 风量，也就可以近似地理解为通过门窗缝隙的冷风渗透量，从而可以研究冷风 渗透对锅炉周围环境的影响本文将在后面的章节中对多孔介质边界条件，进 行详细的阐述。 。 结合以上简化处理，建立了锅炉紧身封闭的仿真模型其正视图、侧视图以及轴 测图如下，其中以z 轴的负方向作为北，z 轴的正方向作为南，x 轴的正方向作为东，x 轴的负方向作为西。 、 屋顶通风器 y 图2 1紧身封闭仿真模型的正视图 1 2 z 屋顶通风器 y 图2 2紧身封闭仿真模型的侧视图 z 圈2 3紧身封闭仿真模型的轴侧图 2 4数学分析 模拟区域是一个有很大内热源体的高大空间，与外界有质量交换，当空气受热并 且其密度随温度而变化时，密度变化引起的重力差异将会引发流体的流动f 1 i i e n t 软件可以模拟这种大空间自然对流区域内的浮力驱动流动 本课题的换热较复杂，包括了多种换热过程：锅炉外表面与厂房内空气的对流换 热以及对其它内表面的辐射换热；散热器表面与厂房内空气的对流换热以及对其它内 表面的辐射换热；外墙内表面与厂房内空气的对流换热以及对其他内表面的辐射换热； 墙体自身的导热；还有墙体外表面与室外空气的换热等 2 4 1流态判断 在自然对流中，浮力引起的流动强度可由瑞利数判定： 。 砌姓。坚塑婴坐羔婴些丝婴业( 2 1 4 ) 口 1 8 8 1 0 呷x2 3 2 x 1 0 - 口 1 ” 其中，卢为热膨胀系数：卢- 去 ( 2 1 5 ) 口为热扩散率( 导温系数) ：口- 二( 2 1 6 ) p c p r 为锅炉外表面平均温度l 与室内空气温度t 之差，由于锅炉外表面最 高温度不超过5 0 。c 叫遂外表面平均温度取为5 0 c ；空气温度取为锅炉机组运行时 的室内温度1 5 c l 为锅炉高度。 。， 一 声、a 、p 、均取空气温度为( l + 瓦) 2 时的值。 得到：j 妇- 2 3 4 8 1 0 塔 根据资料 4 ：若瑞利数小于1 0 8 ，浮力驱动的对流为层流；若瑞利数大于1 0 8 则向 湍流过渡。由此可判断室内流场为高瑞利数的自然对流，流态处于由层流向湍流过渡 并最终形成湍流。 2 4 2 湍流模型的确定 + = 湍流是自然界非常普遍的流动类型，在多数工程问题中流体的流动往往处于湍流 状态湍流运动的特征是在运动过程中质点具有不断的互相掺混的现象，速度和压力 等物理量在空问和时间上均具有随机性质的脉动值。由于湍流流动是一种高度非线性 的复杂流动，直接求解瞬时的n a v i e r s l o k 髂方程很困难，而且对计算机的内存和运行 1 4 速度的要求很高，目前还无法用于真正意义上的工程计算。工程中广为采用的方法是“岫 对湍流控制方程做时间平均处理，同时补充反映湍流特性的其他方程，进行联立求解。 本课题研究的流体为三维空间内无相变、不可压、稳态、有辐射换热，考虑了由 于密度差引起的浮力驱动的流动。遂本文采用三维、稳态的湍流模型，考虑内热源和 辐射换热的影响，采用可实现七一两方程模型，并用控制容积离散法对控制方程组进 行离散，使用f i j e n t 进行计算。其控制方程如下： 1 质量守恒方程： 掣+ 掣+ 掣o( 2 堋) 缸却赴 2 动量守恒方程 一动量方程： 。 韭型+ 血立+ 旦幽 缸 砂 赴 - 去( p 詈) + 号( p 詈) + 善( 詈) 一罢+ 瓯 c 2 一，8 ， y 一动量方程： 堑尘+ 旦+ 堑尘 缸 砂 赴 _ 丢( p 罢) + 号( p 号) + 丢( 芦詈) 一号+ 墨 c 2 一- 9 ， w 一动量方程。 判+ 煎型+ 趔 a b r 砂 赴 _ 去( p 芸) + 专( p 詈) + 丢( p 警) 一老+ & c 2 2 0 ， 式中， 瓯，瓯，s ，一是动量守恒方程的广义源项。p 一流体微元体上的压力； ，w 速度矢量u 在耳，儿z 方向的分量； p 一流体的动力粘度；p 一密度； 3 能量守恒方程： 型+ 业型+ 蚓 缸 砂 七 _ 去( 毒罢) + 专( 毒等) + 丢( 毒詈) + c 2 一z - ，缸i c p 缸ja ，i c ，妙j 赴i 。，耙j 。 其中，c ，是比热容；r 是温度；七是流体的传热系数；曲一流体的内热源及由于 粘性作用流体机械能转换为热能的部分 ， 4 可实现七一g 方程： 所谓可实现性( r