高溫高濕造紙廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)冬季防結(jié)露研究

摘要: 高溫高濕大空間造紙廠房夏季悶熱、冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露滴水，影響紙張正常生產(chǎn).實(shí)地測量了廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、通風(fēng)、溫濕度分布及造紙機(jī)械散熱散濕，并對廠房進(jìn)行數(shù)值模擬，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露.廠房屋頂和側(cè)墻交界處，濕部屋面、側(cè)墻側(cè)窗及天窗等區(qū)域最容易結(jié)露.排熱除濕通風(fēng)方式中，在濕部操作側(cè)側(cè)墻加局部排風(fēng)效果最佳.加強(qiáng)上述區(qū)域保溫及減少玻璃窗數(shù)量，以及在側(cè)墻加局部排風(fēng)是防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露的有效方法.

關(guān)鍵詞: 圍護(hù)結(jié)構(gòu);結(jié)露;高溫高濕;廠房;造紙

中圖分類號(hào): TU111.4; TU277.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Study on Condensation Prevention of Paper-making Plant Envelope under High Temperature and Humidity Environment in Winter

GONG Guang-cai1#8224;， JIAO Jun-jun1， XIE Sai-nan1， Zhang Guo-wei1， LI Guo-qing2， LIU Yuan-kun1， Zhang Quan1

(1. College of Civil Engineering， Hunan Univ， Hunan，Changsha410082， China;

2. China CEC Engineering Corporation， Hunan Univ， Hunan，Changsha410004， China)

Abstract: In large space paper-making plant with high temperature and humidity， it was muggy in summer and building envelope was dewing in winter， those affect production of papers. To analyze the condensation of plant envelope， thermal performance， ventilation， temperature and humidity distribution， heat and wet dissipation were investigated， and the plant was numerically simulated. The juncture of roof and sidewall， ceiling-wall and windows of wet department were prone to condensation. Adding local ventilation in operation-side wall of wet department is the optimal ventilation that removes heat and wet. Enhancing insulation of envelope， reducing glazed windows and adding local ventilation in sidewall are effective methods to prevent plant envelope condensation.

Key words: building envelope; condensation; high temperature and humidity; plant; paper industry

近年來，造紙工業(yè)得到快速發(fā)展，造紙廠房也越來越大[1].在紙張的生產(chǎn)過程中，散發(fā)大量的熱與濕，使造紙廠房夏季悶熱，冬季濕冷，高溫高濕的環(huán)境不僅影響工人的身體健康，而且使圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露滴水，墻面屋頂受潮發(fā)霉[2-5].究其原因，主要是造紙廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能不好和排熱排濕通風(fēng)設(shè)計(jì)不合理.1999年，N. J. Holt[6]等總結(jié)了對鋁電解廠房通風(fēng)有重要影響的幾個(gè)因素.2004年，鄭萬兵[7]對室內(nèi)游泳池圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了預(yù)防結(jié)露的措施.2006年，李云、劉宏成[8]對夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露進(jìn)行了研究，李昂[9]探討了紡織項(xiàng)目輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的防結(jié)露措施.

國內(nèi)外學(xué)者對一般工業(yè)廠房、體育建筑、會(huì)場等的圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露與通風(fēng)已進(jìn)行了許多研究，但對于高溫高濕大空間造紙廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露特性與廠房通風(fēng)的研究還很少，而此類建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露與通風(fēng)問題尤為突出.2008年冬夏兩季，課題組對湖南岳陽某造紙廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特征、廠房通風(fēng)、廠內(nèi)熱源濕源及溫濕分布等進(jìn)行了測量.對實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了分析，并利用Fluent軟件對該廠房通風(fēng)方式對圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露的影響進(jìn)行了模擬，尋求出最優(yōu)廠房排熱排濕通風(fēng)方式及廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫防結(jié)露措施.

1高溫高濕造紙廠房特點(diǎn)

造紙廠房具有空間大、造紙機(jī)械散熱散濕量大、廠內(nèi)空氣溫度高、濕度大等特點(diǎn).廠房一般為大框架結(jié)構(gòu)，為了減輕荷載，通常采用輕型結(jié)構(gòu)材料，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫效果差，廠內(nèi)氣流和溫濕分布受外界環(huán)境影響大.課題組所進(jìn)行實(shí)測與模擬的某造紙廠房長200米，寬28米，高16.9米，其建筑空間大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是典型的高溫高濕大空間造紙廠房.根據(jù)造紙工藝流程，將造紙廠房可分為濕部、烘干部(前干部與后干部)、施膠部和卷紙部.在造紙機(jī)械運(yùn)行過程中，經(jīng)過備料、制漿、打漿與抄紙等一系列前處理的工序后，紙漿含有水份約99%~99.5%和纖維約0.5%~1%，紙漿上網(wǎng)后經(jīng)過壓榨部(濕部)、烘干部去除水分，最后紙幅含水5%~8%時(shí)離開后干部被卷成紙卷，經(jīng)過壓光、卷取、裁切等后處理工藝包裝入庫.造紙廠房工藝流程決定了造紙過程中會(huì)向廠房內(nèi)散發(fā)大量的水分與熱量，造成廠房高溫高濕的特點(diǎn).散熱量非常大，使廠房內(nèi)溫度高于外界，散濕量大很容易使墻體和內(nèi)屋面達(dá)到露點(diǎn)溫度導(dǎo)致結(jié)露.并且高大空間使得廠房氣流組織比較復(fù)雜，不易獲得較好的排熱排濕通風(fēng)方式，降低廠內(nèi)溫濕度和防止圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露.

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露原因分析

造紙廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露一般分為表面結(jié)露和內(nèi)部冷凝.表面結(jié)露是指當(dāng)廠內(nèi)的濕空氣碰到低于露點(diǎn)溫度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面時(shí)，水蒸汽就凝結(jié)成水珠附著于其上.內(nèi)部冷凝就是指當(dāng)水蒸汽在蒸汽壓差作用下滲透通過墻體和屋面時(shí)，被阻擋在低溫部位，產(chǎn)生凝結(jié)水.造紙廠房墻體與屋面一般為彩鋼巖棉夾芯板，材料的水蒸氣滲透系數(shù)較小，內(nèi)部冷凝現(xiàn)象不明顯.而在高溫高濕廠房環(huán)境下，當(dāng)室外溫度較低特別是冬季時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露嚴(yán)重，水滴使墻壁受潮發(fā)霉，甚至從屋面內(nèi)表面滴落到紙幅上，造成產(chǎn)品不合格.本文將重點(diǎn)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面結(jié)露進(jìn)行分析.

根據(jù)熱力學(xué)原理，當(dāng)一定溫度的濕空氣中水蒸汽分壓 達(dá)到該溫度下水蒸汽的飽和分壓力 時(shí)，水蒸汽就會(huì)放出熱量凝結(jié)成水.結(jié)露條件可表示成:

(1)

結(jié)露過程為一階相變過程，空氣中水蒸汽的飽和分壓力僅與飽和溫度有關(guān)系，一定飽和溫度下飽和水蒸汽的分壓力 為固定值，所以在一定溫度下結(jié)露是否發(fā)生取決于濕空氣中水蒸汽分壓 ，濕空氣中水蒸汽含量越高，越容易結(jié)露.同樣，當(dāng)空氣中水蒸汽含量不變，即水蒸汽的分壓力不變時(shí)，濕空氣的溫度逐漸降低達(dá)到該壓力水蒸汽的飽和溫度時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生結(jié)露.該飽和溫度為該壓力下空氣的露點(diǎn)溫度 .特別是當(dāng)濕空氣與某一冷固體表面接觸時(shí)，若表面溫度為 ，則壁面結(jié)露的條件亦可以表示為

(2)

公式(2)中: 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度(K);為圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近空氣露點(diǎn)溫度(K).

影響內(nèi)表面溫度 和 的因素均會(huì)影響結(jié)露的產(chǎn)生.圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度

(3)

(4)

公式(3)、(4)中: 為廠房內(nèi)計(jì)算溫度(K); 為廠房外空氣溫度(K); 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)總熱阻(m2#8226;K/W); 為內(nèi)表面換熱阻(m2#8226;K/W); 為外表面換熱阻(m2#8226;K/W); 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度(m); 為材料導(dǎo)熱系數(shù)(W/m#8226;K).

3 造紙廠房CFD數(shù)值模擬

3.1廠房建模與網(wǎng)格劃分

本文以湖南岳陽某造紙廠房作為模擬的對象，廠房長200米，寬28米，高16.9米.根據(jù)造紙廠房實(shí)際尺寸及空間造型對廠房進(jìn)行適當(dāng)簡化，建立幾何模型如圖1所示.造紙廠房操作側(cè)共有22個(gè)送風(fēng)口，風(fēng)口長3.5米，寬0.4米;傳動(dòng)側(cè)共有8個(gè)送風(fēng)口，風(fēng)口長0.8米，寬0.4米;屋頂共有16個(gè)直徑為1米的圓形排風(fēng)機(jī);屋頂自然通風(fēng)器長30米，寬3米;傳動(dòng)側(cè)前干部側(cè)墻、濕部側(cè)墻、操作側(cè)濕部側(cè)墻分別有6個(gè)直徑為1米的圓形局部排風(fēng)機(jī).本文采用四面體網(wǎng)格，對局部區(qū)域進(jìn)行加密，如進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口附近區(qū)域及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等熱流量變化較大的區(qū)域，廠房中上部網(wǎng)格相對稀疏，網(wǎng)格邊長最小為100毫米，網(wǎng)格總數(shù)為2382165個(gè).這樣在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，大大減少了網(wǎng)格數(shù)量，縮短了計(jì)算周期.

圖1 造紙廠房幾何模型

Fig.1 Geometric model of paper-making plant

3.2邊界條件及模擬工況

地面、房間墻壁、車間支柱、機(jī)器表面及天窗均采用壁面(Wall)邊界條件.對于近壁面的邊界條件有一下幾種處理方法:壁面函數(shù)法;低雷諾模型等.本模擬采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法.課題組采用了QDF RHTF-I型熱流/溫度表和EN880系列無紙記錄儀對造紙車間側(cè)墻，窗，屋面的內(nèi)外表面溫度及熱流進(jìn)行了測量，根據(jù)實(shí)測結(jié)果，冬季工況下造紙車間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱流量設(shè)置如表1所示.

造紙廠房不僅散濕，而且散熱.因此對于廠房內(nèi)部源項(xiàng)的處理包含兩個(gè)方面，一個(gè)是添加熱源，另外一個(gè)是添加濕源.在進(jìn)行熱源與濕源設(shè)置時(shí)，進(jìn)行了適當(dāng)簡化:廠房內(nèi)部人體的散熱散濕與造紙機(jī)械的高強(qiáng)度的散熱散濕相比忽略不計(jì);濕部散熱或者散濕狀態(tài)在時(shí)間分布上是穩(wěn)定的、連續(xù)的，而且在數(shù)值上是定值.在模擬壁面結(jié)露過程中，相對于紙機(jī)產(chǎn)生的熱量，冷凝過程本身兩相變化產(chǎn)生的熱量微小，故沒有考慮.

送風(fēng)口空氣入流條件對廠房的空氣流動(dòng)情況影響很大.對于工業(yè)廠房送風(fēng)，我們需要知道送風(fēng)參數(shù)的詳細(xì)情況以正確描述入流邊界條件，而實(shí)際的送風(fēng)口幾何形狀卻很復(fù)雜，種類也比較多，如縫形風(fēng)口、方形散流器、百葉風(fēng)口等.對以上問題的處理方法是簡單的將風(fēng)口送風(fēng)速度取為平均速度，以避免因?yàn)榭紤]送風(fēng)參數(shù)細(xì)節(jié)而導(dǎo)致網(wǎng)格過密的問題.

課題組利用畢托管配傾斜式微壓計(jì)測量了通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)管道流量，QDF系列熱球式風(fēng)速儀測量了風(fēng)口風(fēng)速，利用Testo 608-H1型溫濕度計(jì)測量了送排風(fēng)溫濕度.根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)置四種通風(fēng)工況對造紙廠房進(jìn)行模擬，分析各工況下廠房結(jié)露情況，如表2所示.

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比

課題組采用ZDR-20/ZDR-20j型溫濕度記錄儀對造紙廠房沿縱截面與橫截面溫濕度進(jìn)行了測試，進(jìn)而得到大空間廠房溫度場，濕度場、垂直分布數(shù)據(jù)及曲線.對比實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的溫濕度分布曲線，用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性.在濕部附近X=16m截面上不同高度處選取兩條直線作為研究比較對象，高度分別為3米和6米(150m≤Z≤180m)，分析這兩條條直線上的溫度、相對濕度的變化情況.

圖2 廠房濕部溫度實(shí)測值與模擬值對比

Fig.2 Comparison of measured and simulated temperature in wet department

圖3 廠房濕部相對濕度實(shí)值與模擬值對比

Fig.3 Comparison of measured and simulated relative humidity in wet department

圖2與圖3顯示了造紙車間模擬值和實(shí)測值的溫度分布情況和相對濕度分布情況.可以看到，3米處溫度實(shí)測值和模擬值都分布在300.6K~302.7K之間，6米處溫度值分布在301.5K~303.8K之間，3米處相對濕度值分布在45.0%~55.0%之間，6米處相對濕度值分布在54.5%~65.0%之間.6米處溫度值與相對濕度值比3米處的值大，在垂直高度上溫度、相對濕度分層明顯.實(shí)測值和模擬值吻合的比較好，趨勢一致，因而根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)設(shè)置邊界條件以及對廠房模型適當(dāng)簡化的數(shù)值模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確.

3.3.2 不同工況溫濕度對比

為了對比在不同工況下的溫濕度分布曲線，選出最優(yōu)工況，以截面X=16m和截面Z=160m(0m≤Y≤6m)的交線(設(shè)為LINE)為研究對象，分析不同氣流組織的溫度、相對濕度沿LINE的變化.

圖4 4個(gè)CASE沿直線LINE溫度變化

Fig.4 Temperature variation along LINE of 4 CASEs

圖5 4個(gè)CASE沿直線LINE相對濕度變化

Fig.5 Relative humidity variation along LINE of 4 CASEs

根據(jù)四種送風(fēng)形式在LINE處溫度及相對濕度和含濕量的對比，如圖4、圖5所示，可知CASE3的溫度在LINE處的溫度最高，CASE1其次，說明CASE3 與CASE1的熱量散失慢，同時(shí)CASE1在LINE處的相對濕度最高，達(dá)到65%，說明側(cè)墻無局部排風(fēng)的情況下，濕部散熱散濕都比較慢.CASE4在車間濕部紙機(jī)6米以內(nèi)的的相對濕度及溫度是4種送風(fēng)形式中最小的，在相同送風(fēng)參數(shù)的條件下，說明CASE4散熱快，除濕快.

3.3.3 不同工況結(jié)露區(qū)域分析

圖6 CASE1墻體邊界層露點(diǎn)溫度及內(nèi)表面溫度分布

Fig.6 Boundary layer dew point temperature and inner surface temperature distribution in CASE1

圖7 CASE2墻體邊界層露點(diǎn)溫度及內(nèi)表面溫度分布

Fig.7 Boundary layer dew point temperature and inner surface temperature distribution in CASE2

圖8 CASE3墻體邊界層露點(diǎn)溫度及內(nèi)表面溫度分布

Fig.8 Boundary layer dew point temperature and inner surface temperature distribution in CASE3

圖9 CASE4墻體邊界層露點(diǎn)溫度及內(nèi)表面溫度分布

Fig.9 Boundary layer dew point temperature and inner surface temperature distribution in CASE4

當(dāng)墻壁或天窗的溫度低于靠近墻壁邊界層露點(diǎn)的溫度，那么該區(qū)域就非常容易結(jié)露.CASE1為傳動(dòng)側(cè)濕部、烘干部與操作側(cè)濕部都不加局部排風(fēng)的的氣流組織方式.如圖6所示，傳動(dòng)側(cè)外墻在濕部160m≤Z≤180m的區(qū)域中，邊界層的露點(diǎn)溫度較大，接近294K，部分區(qū)域的墻壁溫度已經(jīng)接近露點(diǎn)溫度，在296K附近，因此濕部傳動(dòng)側(cè)墻成為了結(jié)露可能發(fā)生的地方.

CASE2為在傳動(dòng)側(cè)濕部加局部排風(fēng)的氣流組織形式.從圖7中可以看出，在0m≤Z≤200m的區(qū)域中，外墻大部分溫度超過了可能造成此處結(jié)露的最大溫度292K，但是在靠近和屋頂墻角的區(qū)域以及鋼制支撐結(jié)構(gòu)附近，外墻壁溫為293K，接近露點(diǎn)溫度，極易結(jié)露，因此在墻角的部分應(yīng)該作為防止結(jié)露重點(diǎn).

CASE3為在傳動(dòng)側(cè)烘干部加局部排風(fēng)的氣流組織形式.從圖8中可以看出，在0 m≤Z≤200 m的區(qū)域中，外墻大部分壁溫都超過了可能造成此處結(jié)露的最大溫度292K，但是在靠近屋頂墻角的區(qū)域，墻壁溫度為293K，接近結(jié)露溫度，此時(shí)極易結(jié)露.

CASE 4為在濕部操作側(cè)加局部排風(fēng)的氣流組織形式.從圖9中可以看出，在0m≤Z≤200m的區(qū)域中，外墻大部分壁溫都超過了可能造成此處結(jié)露的最大溫度290K， 露點(diǎn)溫度比外墻壁溫大概低10℃左右，不易結(jié)露.

同樣可以對比CASE1~CASE4屋面與玻璃窗邊界層露點(diǎn)溫度與內(nèi)表面溫度，發(fā)現(xiàn)屋面除濕部部分區(qū)域外，內(nèi)表面溫度大都高于邊界層露點(diǎn)溫度，結(jié)露現(xiàn)象不明顯，這是因?yàn)槲菝鏌嶙栎^大，保溫效果較好.而CASE1~CASE4中大多數(shù)玻璃窗內(nèi)表面溫度比邊界層露點(diǎn)溫度低1.0~3.0℃，尤其是濕部側(cè)窗與天窗結(jié)露嚴(yán)重，主要原因是濕部散熱散濕量很大且窗戶為單層玻璃，熱阻小，受廠外氣溫影響大，因此需加強(qiáng)這些區(qū)域的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫.

4結(jié)論

采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對高溫高濕造紙廠房圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露特性進(jìn)行了分析.廠房屋頂和側(cè)墻交界區(qū)域、導(dǎo)熱系數(shù)相對較大的鋼制支撐結(jié)構(gòu)附近、濕部屋面與側(cè)墻側(cè)窗及天窗等區(qū)域容易發(fā)生結(jié)露，因此加強(qiáng)上面幾個(gè)區(qū)域的保溫及減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)玻璃窗數(shù)量，能減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露現(xiàn)象.廠房通風(fēng)方式對排除造紙過程中產(chǎn)生的大量熱與濕影響很大，在側(cè)墻無局部排風(fēng)、傳動(dòng)側(cè)側(cè)墻在濕部位置加局部排風(fēng)、傳動(dòng)側(cè)烘干部加局部排風(fēng)以及操作側(cè)側(cè)墻在濕部加局部排風(fēng)的四種通風(fēng)方式中，第四種通風(fēng)方式散熱除濕效果好，圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)露區(qū)域小，是最優(yōu)的氣流組織形式.與只在屋頂設(shè)排風(fēng)的通風(fēng)方式相比，在廠房側(cè)墻加局部排風(fēng)能有效加強(qiáng)排熱除濕，有助于解決墻壁結(jié)露問題，建議設(shè)計(jì)人員在造紙廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)中加以考慮.

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