Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Расчет аэрации цехов с теплогазовыделениями

(0) (13446)
Опубликовано в журнале СОК №1 | 2012

Анализ пространственных распределений скорости, давления и концентраций вредных веществ, как в производственных помещениях, так и на промплощадке позволяет определить минимально необходимые воздухообмены, а также решить локальные задачи промышленной аэродинамики. Разработанный метод реализован при проектировании алюминиевых заводов.

Табл. 1. Сопоставление воздухообменов после произведенных расчетов

Табл. 1. Сопоставление воздухообменов после произведенных расчетов

Табл. 2. Объемы воздуха и скорости в аэрационных проемах

Табл. 2. Объемы воздуха и скорости в аэрационных проемах

Балансовые методы расчета, традиционно применяемые в проектировании систем вентиляции, позволяют оценить воздухообмены, необходимые для ассимиляции тепла и разбавления вредных веществ, поступающих в помещения до величин ПДК, но, к сожалению, не гарантируют эффективной работы вентиляционных систем в реальных условиях. Это во многом объясняется тем, что не учитываются условия, которые оказывают существенное влияние на динамику вентиляционных процессов, изменяя расчетные воздухообмены, особенно при естественной вентиляции.

Вредные вещества, содержащиеся в вентиляционных и других низких выбросах, попадая в зоны циркуляции потока, при неблагоприятных условиях накапливаются до величин, превышающих предельно допустимые значения, и через воздухозаборные устройства или путем инфильтрации возвращаются внутрь помещения. В последние годы в практике проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха используются программные пакеты, основанные на численном решении уравнений НавьеСтокса.

Их применение позволяет определить не только интегральные, но и локальные параметры воздушной среды в помещениях. Однако аэродинамический режим в помещениях, особенно при естественной вентиляции, формируется под влиянием пространственного распределения давлений и скоростей ветра на прилегающей территории. Содержание вредных веществ в приточном воздухе существенно зависит от места расположения воздухозаборов и направления ветра.

В связи с отмеченным выше, для обеспечения эффективной работы систем вентиляции авторы предлагают на стадии проектирования рассматривать внутреннюю среду зданий и окружающую их атмосферу как единую динамическую систему (ЕДС). Для описания процессов тепломассопереноса в пределах ЕДС разработан метод физико-математического моделирования, который в сочетании с балансовыми методами может рассматриваться как основа новой технологии проектирования и расчета систем вентиляции [1–3].

Этот метод удобен для оперативного анализа вариантов проектных решений. Физико-математическое моделирование внешней и внутренней задач вентиляции позволяют на основе анализа пространственных распределений скорости, давления, температуры и концентраций вредных веществ решить следующие задачи:

  • рассчитать энергоэффективные воздухообмены, обеспечивающие стандарты качества воздуха в производственных корпусах;
  • выбрать конструктивные решения по организации воздухообмена цехов с естественной вентиляцией;
  • выбрать рациональную организацию вентиляционных выбросов на промплощадке и оптимальные места размещения воздухозаборов.

Предлагаемый итерационный метод основан на использовании на первом этапе расчета общепризнанных эмпирических зависимостей для определения требуемых воздухообменов. Решение внутренней задачи предполагает определение расчетного воздухообмена в сочетании с принятой схемой воздухораспределения, обеспечивающих нормируемые параметры воздуха в рабочей зоне. Система исходных уравнений включает: воздушные и тепловые балансы, закономерности струйных течений, характеристики воздухораспределителей, их количество и расположение, геометрические условия (для определения, например, взаимодействия, степени стеснения струй и т.п.).

Предложенный метод может примениться как к помещению в целом, так и к его характерным (с точки зрения тепломассопереноса) зонам [2–3]. На втором этапе проводится численное моделирование внутренней задачи без учета аэродинамики застройки (ветрового давления и скоростей в заборных устройствах систем вентиляции). Результаты расчета позволяют проанализировать в объеме цеха скорости движения воздуха, пространственное распределение температуры и концентраций вредных веществ.

На третьем этапе определяются особенности взаимодействия зданий с ветровым потоком (аэродинамические особенности ветрового режима группы зданий). Выполняется численное моделирование внешней задачи. Анализ полученных при расчете полей скорости и давлений позволяет уточнить граничные условия для расчета внутренней задачи [4]. И, наконец, четвертый этап — численное моделирование внутренней задачи с уточненными граничными условиями.

По результатам этого этапа уточняются скорости и концентрации в местах выбросов в атмосферу. Последний этап — расчет загрязнения прилегающей территории, оценка концентраций в местах воздухозаборов. Это, в свою очередь, позволяет оценить эффективность работы запроектированных систем вентиляции различных производственных корпусов, расположенных на промплощадке, и определить количество вредных веществ, поступающих в корпуса с приточным воздухом.

Внешняя и внутренняя задачи вентиляции имеют свои особенности, поэтому реализованы с помощью различных математических моделей. В основе обеих моделей лежит система дифференциальных уравнений Навье-Стокса и уравнение неразрывности. Для дискретизации дифференциальных уравнений использован метод конечных объемов на трехмерной ортогональной несмещенной сетке. Программные компоненты комплекса позволяют описать геометрию моделируемого пространства и задать переменную плотность сетки в расчетной области.

Для любого интервала сетки задаются размеры ячеек на концах и чисто ячеек на интервале. Метод сжатия организован по алгоритму, использующему функции тангенса и гиперболического тангенса. Интерполяция производных для конвективных членов уравнений выполняется по схеме «против потока» с коррекцией, использующей результаты предыдущих итераций. Для диффузных членов используется интерполяция центральными разностями. В процессе внешней итерации последовательно ре тируется на выходных границах расчетной области для обеспечения контроля сохранения массы.

Затем решается система уравнений для корректировки давления по схеме Simple и выполняется несложная коррекция всего поля скоростей. Последний этап внешней итерации — расчет поля турбулентной вязкости. В программе для расчета воздухообменов используется модель турбулентного переноса κ-£. В случае внешней задачи размер области, в которой моделируется движение воздуха, может достигать сотен и даже тысяч метров.

При этом моделировать турбулентное движение воздуха в непосредственной близости от твердых поверхностей не представляется возможным — это требует дискретизации дифференциальных уравнений, на сетке сильно сгущенной в пристенной области. Поэтому при решении данной внешней задачи для моделирования турбулентного переноса применяется метод, предложенный Смагоринским.

Распределение концентрации пассивной примеси в расчетной области рассчитывается интегрированием уравнения переноса скалярной субстанции с использованием тех же вычислительных методов, как и при расчете полей скорости в этой версии программного комплекса. Разработанный метод реализован в вице программного комплекса SPC.

Тестирование численных моделей проводилось по результатам исследований аналогичных ситуаций, выполненных методом физического моделирования на моделях цехов с источниками теплогазовыделений и в аэродинамической трубе кафедры физики СПбГАСУ, а также по известным в литературе данным экспериментальных исследований. Предложенная методика использовалась для прогнозирования экологической ситуации в корпусах электролиза алюминия и на промышленной площадке.

Анализ произведенных расчетов позволил выполнить сопоставление воздухообменов, полученных с применением инженерного метода (балансовый метод) и численного решения дифференциальных уравнений (табл. 1). Из данной таблицы видно, что воздухообмен, рассчитанный с применением балансового метода, на 15 % выше рассчитанного с использованием численного моделирования. С учетом ветрового давления в аэрационных проемах значения рассчитанных воздухообменов близки по значению.

Длина корпусов электролиза алюминия — 400–1200 м. На промплощадке располагаются, как правило, не менее трех корпусов. Расстояния между ними — 30–50 м. При обтекании производственных зданий ветровым потоком образуется единая зона аэродинамической тени, характеристики которой зависят от конкретного расположения объектов на промплощадке. При различных направлениях ветра динамическое давление в аэрационных проемах для разных корпусов различно.

В аэрационных проемах первого по потоку корпуса будет наблюдаться значительный перепад давлений с наветренной и подветренной сторон. Для последующих корпусов этот перепад будет значительно меньше (давление в аэрационных проемах определяется на третьем этапе расчета). Например, для направления ветра перпендикулярно продольной оси корпусов для первого по потоку здания при учете ветрового давления в аэрационных проемах аэрация корпуса осуществляется в основном с наветренной стороны.

Объемы воздуха и скорости в аэрационных проемах при учете динамического давления и без него приведены в табл. 2. При решении внутренней задачи без учета перепада давлений в аэрационных проемах объемы воздуха, проходящие через жалюзи с противоположных сторон корпуса, практически одинаковы. Учет ветрового давления в аэрационных проемах (порядка 6 Па) приводит к тому, что аэрация корпуса осуществляется с наветренной стороны.

Величины объемов и скоростей воздуха в аэрационных решетках отличаются в 15 раз. Поля скоростей, температуры и концентраций деформируются, приводя к перераспределению метеопараметров в объеме корпуса. Для последнего по потоку корпуса перепад давлений в аэрационных проемах будет незначительным и распределение метеопараметров в объеме корпуса будет более равномерным. Существенный фактор при определении воздухообменов — содержание вредных веществ в местах расположения аэрационных проемов.

Анализ полей концентраций, полученных при численном решении внешней задачи, позволяет определить концентрации в аэрационных проемах и ввести поправки на фоновую концентрацию. Величины средних концентраций в местах воздухозабора использовались также для определения количества вредных веществ, возвращаемых в корпуса с приточным воздухом. Максимальный процент возврата вредных веществ в корпуса для данной планировки промплощадки составил 34 % (последний по потоку корпус).

Эффективность аэрации, таким образом, в последнем по потоку корпусе будет ниже, чем в остальных. Применение разработанного метода на стации проектирования промышленных комплексов позволяет проанализировать экологическую ситуацию и выбрать оптимальные инженерные решения, обеспечивающие стандарты качества воздушной среды как в производственных помещениях, так и на прилегающей территории.

(0) (13446)
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message