工業建筑電解鋁車間通風器設計選型

陳 海

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001)

電解車間的電解鋁就是通過電解法得到鋁，世界上的鋁都是用電解法在電解槽內生產出來的。

隨著目前工藝電解槽型的不斷改進增大和優化，電解的電流強度也由過去的300 kA，發展到現在的420 kA，500 kA甚至是600 kA，鋁電解生產過程中產生大量的熱，煙氣，雖經凈化系統回收處理，廠房內仍存有大量的熱量、煙塵以及氟化氫等氣體需從廠房天窗排出室外，這樣廠房的自然通風就顯得非常重要了。

要對電解鋁車間進行通風設計，首先要對所設計的對象進行一個地域區劃分析，包括它所處的地理位置、總圖布置、氣候分區、風向、風速等數據的搜集和分析。

興仁工業園巴鈴重工區所處地勢相對平坦，比較開闊，區域結構穩定。其主要氣象參數如下：

歷年平均氣溫:15.2 ℃;極端最高氣溫:33.7 ℃；

極端最低氣溫:-7.8 ℃;最熱月平均氣溫:22.1 ℃；

歷年平均風速:1.9 m/s;瞬時最大風速:19.0 m/s；

年盛行風向為:E,NE;年平均氣壓:861.3 hPa。

貴州興仁電解鋁車間共1 352.3 m長，35.6 m寬，共有2條廠房，總圖布置根據工藝流程、物料流向、車間的形式以及功能分區，將電解生產區(電解鋁車間)布置在廠區的中部，并南北向布置。但廠區內年盛行風向是 E,NE，歷年平均風速為1.9 m/s，風速較小，這并不利于廠房的通風，好在該地區的歷年平均氣溫15.2 ℃，最熱月平均氣溫22.1 ℃,溫度偏低。

在對所設計的對象進行數據的搜集和分析后，這就需要建筑專業充分的考慮電解鋁車間的進風和出風形式，這決定了建筑通風設計的成敗。

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電解鋁車間的進風問題并不難解決，從鋁電解鋁車間進風口設計的幾十年發展歷程來看，在南方地區經歷了在操作面出鋁面端(大面)采用垂直懸轉窗、通風罩、敞開式擋雨片的幾個階段，目前無論從經濟上還是進風效果來看，出鋁面端(大面)采用敞開式擋雨片的進風方式比較成熟，并且在本案的煙道端(小面)采用了可根據風向自動調節開啟角度的百葉窗，相對進風，電解鋁車間的出風問題則較為復雜。

首先工業建筑電解鋁車間的出風口即天窗架形式多種多樣，主要有弧型通風器以及薄型通風器兩種形式，在經濟性和美觀度上薄型通風器要優于弧型通風器，在通風效果上誰更優或者說誰更物美價廉，誰在通風效果上占有絕對優勢，這就是決定設計上是采用薄型通風器還是弧型通風器的一個重要條件，為此我們模擬建立了興仁電解鋁車間自然通風三維仿真幾何模型來更好的說明這個問題。

1 建立物理模型

興仁電解鋁車間出鋁端設置大擋雨板，大面積窗進風，煙道端設置小百葉窗進風，并以弧型通風器及薄型通風器分別作自然通風計算，對比兩種通風器下鋁電解車間通風效果。

結合電解、通風、結構及建筑等專業的設計圖紙，再通過三維建模軟件SolidWorks 平臺下建立了包括電解槽、槽周母線、立柱母線、廠房通風器、母線墩、電解槽基礎、擋風架等主要元素的鋁電解鋁車間自然通風三維仿真幾何模型。

2 確定網格劃分

幾何模型完成之后，需要對其進行網格劃分，網格劃分質量的好壞直接影響到仿真計算是否收斂、整個仿真過程是否成功。本文中采用網格畸變度(skewness)來衡量網格質量的好壞，其取值范圍從0到1，越趨向0網格質量越好，流體網格計算時網格畸變度一般控制在0.86以內。經過多次調整網格劃分的算法，獲得了良好的網格模型，網格畸變度在0.8以內。

3 輸入邊界條件

1)出鋁端空氣入口；2)煙道端空氣入口；3)廠房頂部通風器排風口；4)電解槽相關面；5)母線相關面；6)地面、墻面。其中環境溫度按興仁地區7月平均最高溫度22 ℃計算。

4 計算模型

1)質量守恒、動量守恒、能量守恒；

2)采用Realizable k-epsilon模型模擬氣流湍流流動；

3)采用Discrete Ordinates輻射模型模擬電解槽、母線等廠房熱源的熱輻射。

5 計算結果

1)廠房內氣流流動情況如圖1,圖2所示。

圖1，圖2為仿真計算出的不同通風器形式下廠房內氣流流動速度矢量，從圖中可以看到，在兩種通風器形式下，電解槽周圍的熱氣流均在浮升力及廠房頂部通風器負壓作用下向廠房頂部流動，在上升過程中，熱氣流不斷吸卷周圍空氣，帶動周圍空氣向廠房頂部流動，由此在電解鋁車間內部形成壓差，從而不斷抽吸室外新鮮空氣進入廠房內，從感官上來看弧型通風器比薄型通風器帶出的熱量大。

2)廠房內操作平臺附近溫度分布。

電解鋁車間內，電解工人大多數的工作點位于廠房內的操作平臺上，為了更好的了解該區域內的環境溫度，在廠房內立面標高5 m(操作面以上1.5 m)高度，從出鋁端到煙道端，設置了不同的溫度值觀測點，仿真計算后，分別提取了弧型通風器和薄型通風器形式下各設置點處的溫度值并形成溫度、位置坐標曲線。

在兩種不同通風器形式下的鋁電解鋁車間內部，均為電解槽附近環境溫度最高，溫度可達到309 K(36 ℃)左右，而在靠近出鋁端及煙道端側，廠房內環境溫度相對較低，溫度保持在297 K(24 ℃)左右，比電解槽附近最高溫度低了12 ℃左右，且297 K(24 ℃)左右的環境溫度幾乎和本文仿真計算情況下的廠房外環境溫度(22 ℃)相當，說明此處通風良好，而此處是電解鋁車間內大多數工人的生產操作環境，通風良好則說明電解工人的操作環境得到了一定的改善,通過兩種不同通風器形式下鋁電解鋁車間溫度曲線對比可以看出，廠房內同一位置，薄型通風器形式下的溫度偏高。

6 結語

通過我們模擬建立的興仁電解鋁車間，自然通風三維仿真幾何模型計算出的結果，無論從氣流流動速度矢量來看，還是從出鋁端到煙道端溫度分布上，弧形通風器排煙降溫性能都要優于薄型通風器。在實際工作中，貴州興仁電解鋁車間建筑的通風設計在對比了弧型通風器與薄型通風器的性能參數、防水性能，同時結合中鋁國際大力推動鋁運用的戰略指導思想，最終設計建成了中國鋁電解行業內第一座9 m豁口全鋁合金弧型通風器。