核化工項目廠房典型設備室傳熱CFD模擬分析

中國核電工程有限公司 劉思涵 魏 剛 閆 征

0 引言

核化工項目廠房中有一類設備室內設有蒸發用熱設備，根據工藝要求，蒸發器往往不保溫，導致大量熱量散失在設備室內。一方面蒸發器等用熱設備需要一個高溫環境減少熱損失，另一方面為使混凝土圍護結構不超過耐溫限值需要排熱。隨著保溫材料和技術的發展，新型快速拆裝的保溫材料[1]和保溫結構為解決以上矛盾提供了解決方案。

本文針對設備室內發熱設備的不同保溫形式，對保溫前后的散熱情況、通風形式和效果進行模擬分析和方案比較。

1 模型建立

以某核化工項目廠房中的一個設備室為研究對象建立模型，對實際設備進行了適當簡化。模型中設備室簡化成一個長8.165 m、寬8.650 m、高17.000 m的長方體(如圖1所示)。設備室外面是混凝土層，內部設蒸發器和泡罩塔，空氣經進風管穿過設備室北側混凝土墻進入設備室，經排風管穿過南側混凝土墻排出房間。房間及設備具體位置尺寸見圖2、3。

圖1 物理模型

圖2 模型俯視圖

圖3 模型主視圖

空氣(密度1.12 kg/m3，導熱系數2.596 W/(m·K)，比熱容1 013 J/(kg·K)，黏度1.680 8×10-5kg/(m·s))以一定的流量從上側進風口進入房間，經下側排風管排出房間。房間內高溫設備與周圍空氣進行對流換熱，與混凝土墻進行輻射換熱，進而使得周圍空氣溫度升高。

在實際工程中，房間內蒸發器、泡罩塔等設備溫度較高，與周圍空氣及混凝土墻體之間存在熱交換。為了使混凝土墻體溫度不超過最高耐受溫度，需要采取一定的措施使混凝土墻體壁面溫度維持在一定范圍內。例如：將房間內設備外表面包裹玻璃棉(具體材料屬性見表1)、調整進排風口位置、加大進風量等。利用Fluent軟件對4種不同工況(如表2所示)下房間溫度場進行模擬，得到了房間及混凝土墻體的溫度分布，并將不同保溫方案的模擬結果進行對比，探討最佳保溫方案，并進一步模擬研究進排風口位置與進風量對溫度場的影響。

為了保證模擬結果與實際物理過程相符，本文以某實際項目為模型設置邊界條件。模擬的邊界條件如表3所示。

表1 固體材料屬性參數

表2 4種工況參數

表3 邊界條件

本文選用穩態模型，湍流模型選用標準K-ε雙方程模型，輻射選擇DO模型。利用ICEM軟件對模型進行結構化網格劃分，網格總數約為130萬。模擬采用SIMPLE算法，動量和能量方程按二階迎風格式離散，湍流動能、湍流耗散率按一階迎風格式離散。

2 模擬結果分析

2.1 設備保溫對房間溫度場的影響

圖4給出了工況1(蒸發器不保溫，泡罩塔不保溫)下的房間溫度分布。如圖4a所示，當蒸發器和泡罩塔都不進行保溫時，房間內氣體溫度基本維持在321～342 K之間，平均溫度約為337 K。設備附近的空氣由于設備表面溫度較高，氣體溫度偏高。由圖4c可知，混凝土左墻體內側壁面最高溫度可達336 K，溫度接近混凝土最高耐受溫度(338.15 K)。此時設備室的進風量偏大，造成能源浪費。為了保證混凝土溫度低于耐受溫度，需要對設備采取一定的保溫措施，并降低設備室的通風量，達到節能減排的目的。

圖4 工況1(蒸發器不保溫，泡罩塔不保溫)房間溫度分布

圖5給出了工況2(蒸發器保溫，泡罩塔不保溫)房間溫度分布。由于對蒸發器表面采用包裹玻璃棉的保溫措施，使得蒸發器表面溫度維持在333.15 K，房間的進風量比工況1有所降低，根據規范[2]中要求的換氣次數計算進風量為2 300 m3/h。如圖5a所示，房間內空氣溫度在316～335 K之間，平均溫度為324 K左右，與工況1相比房間內溫度整體下降13 K。對比圖4c與圖5c可知，當蒸發器保溫后，混凝土左墻體內側壁面最高溫度約為334 K，基本滿足混凝土最高耐受溫度。

圖5 工況2(蒸發器保溫，泡罩塔不保溫)房間溫度分布

工況2～4模擬結果如表4所示。

表4 工況2～4模擬結果 K

從模擬結果可以看出：泡罩塔左側保溫和不保溫對于房間內平均溫度影響不大，而工況3混凝土左墻體內側壁面最高溫度比工況2下降了6 K左右；工況4房間內空氣平均溫度321.85 K，與工況2相比下降了約2 K，與工況3相比下降了約3 K，混凝土左墻體內側壁面最高溫度為323.98 K，與工況2泡罩塔不保溫相比下降了10 K左右。

圖6給出了不同保溫情況下設備散熱量、房間排熱量和墻體吸熱量對比。由圖6可知，在進風量相同(工況2～4)的情況下，設備包裹保溫層面積越大，設備散熱量越少、室內排熱量越少、混凝土墻體的吸熱量越少，混凝土墻體壁面整體溫度越低。綜合對比混凝土左墻體內側壁面最高溫度與整個混凝土墻體最高溫度可以看出，工況2(即蒸發器保溫，泡罩塔不保溫)基本可以滿足混凝土墻體的耐受溫度。因此，本文后續討論以工況2為基本工況。

圖6 工況1～4下熱量對比

2.2 進排風口位置對溫度場的影響

為了研究進排風口位置對房間內溫度分布的影響，在工況2的基礎上，將進排風口位置互換(工況5)，形成一個下進上排的流動模式。2種氣流組織的模擬結果如表5所示，混凝土左墻體內側壁面溫度分布如圖7所示。

由表5可知，工況5房間空氣平均溫度為324.88 K，與工況2相比升高了0.76 K，而混凝土左墻體內側壁面最高溫度為337.39 K，比工況2升高了3 K。且當進排風口位置互換后，出口平均溫度有所下降。主要是因為下進上排的風口設置使設備室內氣流在泡罩塔附近擾動較小，相較于上進下排不利于設備散熱量的排出。而下進上排，排風口在高處，距離設備較遠，熱量未完全擴散至排風口，導致出口溫度降低。從圖7中可以看出，工況2混凝土左墻體內側壁面高溫區集中在左下，而工況5混凝土左墻體內側壁面高溫區集中在中間，該區域與未保溫的泡罩塔位置基本吻合，與熱氣流向上流動的實際情況相符。

表5 工況2與工況5模擬結果對比 K

圖8顯示了2種氣流組織下設備散熱量、房間排熱量和墻體吸熱量對比。由圖8可知，工況5出口溫度降低，房間排熱量減少，混凝土左墻體內側壁面溫度升高。為了防止混凝土結構溫度過高，選用上進下排氣流組織更有利于設備室的散熱。

圖8 2種氣流組織下熱量對比

2.3 進風量對溫度場的影響

為探究滿足熱環境時的進風量，本文以工況2為基準，對進風量2 000、1 700、1 400 m3/h 3種工況(工況6～8)進行模擬，并將模擬結果與進風量2 300 m3/h(按規范換氣次數計算的進風量)進行對比，見表6。

表6 工況2及工況6～8的模擬結果對比 K

由表6可以看出，當進風量逐漸減小時，房間內平均溫度上升，混凝土墻體整體溫度逐漸上升，最高溫度達到338.13 K。這是由于進風量減小，發熱設備與空氣的輻射對流換熱量減少，空氣所帶走的熱量減少。

圖9顯示了不同進風量下設備散熱量、房間排風量與墻體吸熱量的對比。由于進風量減小，使得排風口溫度降低，帶走熱量減少，墻體吸熱增多。當進風量降低至1 400 m3/h時，混凝土左墻體內側壁面溫度達到338.13 K，若進風量繼續減小，則會超過338.13 K，對整個混凝土結構有較大的影響。從以上模擬結果可以推斷出，當蒸發器保溫、泡罩塔不保溫且設備室處于上進下排流動模式時，可以將1 400 m3/h作為滿足熱環境需求的最小進風量，保證混凝土溫度不超過338.13 K。這個最小進風量表明規范[2]中按換氣次數計算的進風量較保守，當蒸發器保溫、泡罩塔不保溫且設備室處于上進下排的流動模式時，可以適當減小進風量，以達到節能減排的目的。

圖9 不同進風量熱量對比

根據2.2節分析可知，當設備室采用下進上排的氣流組織、進風量2 300 m3/h時混凝土左墻體內側壁面最高溫度已經達到337.39 K。因此，針對下進上排的氣流組織，2 300 m3/h可能是滿足熱環境的最小進風量。同時也側面說明了上進下排的氣流組織滿足熱環境所需的最小進風量遠小于下進上排的氣流組織。因此，在工程設計中采用上進下排可有效地為設備室散熱，保護混凝土墻體。

3 結論

1) 設備外表面包裹保溫材料可以減少設備室內散熱所需的通風量，包裹保溫材料面積越大，設備散熱量越少，混凝土墻體的吸熱越少，混凝土墻體壁面整體溫度越低。綜合考慮混凝土左墻體內側壁面最高溫度與整個混凝土墻體最高溫度可以看出，蒸發器保溫、泡罩塔不保溫的情況下基本可以滿足混凝土結構的耐受溫度。

2) 進排風口位置不同，設備室內溫度分布也不同，在其他條件相同的情況下，上進下排氣流組織更有利于設備室的散熱。

3) 規范中按換氣次數計算的進風量相對保守，當設備室進風量逐漸減小時，房間內平均溫度上升，混凝土整體溫度逐漸上升。在蒸發器保溫、泡罩塔不保溫且設備室采用上進下排氣流組織時，1 400 m3/h可以作為滿足熱環境的最小進風量。