紡織車間定向均流送風口結構設計及其送風性能

高藝華, 錢付平, 王曉維, 汪虎明, 高 杰, 陸 彪, 韓云龍

(1. 安徽工業大學 建筑工程學院, 安徽 馬鞍山 243002; 2. 安徽工業大學 能源與環境學院,安徽 馬鞍山 243002; 3. 江蘇精亞集團有限公司, 江蘇 無錫 214426)

紡織行業規模的快速發展,產能高速增長導致的能耗大幅增加,極易帶來不可持續發展的問題,為節能降耗,紡織車間多會采用大小環境送風的方式[1-3]。相關研究表明,紡織產品的質量和纖維回潮率密切相關,紡紗區域的溫、濕度取決于紡織車間的空調系統,并通過該區域內合理的氣流分布形式來實現調節[4]。細紗和絡筒工序是紗線質量保證的關鍵,影響細紗和絡筒工序回潮率的主要因素是工作區域溫、濕度分布的均勻性,故需對其所在車間的氣流進行重點研究。

近年來,國內外學者將計算流體力學技術(CFD)應用于工業車間的氣流運動研究,對工程實際應用具有參考意義[5-7]。Thongsri[8]采用數值模擬的方法對某工廠通風系統氣流進行了數值模擬并根據結果提出優化方案,更節約能耗。王曉維[9]采用數值模擬的方法對織造車間定向送風口結構進行優化設計,并與車間實際運行數據進行對比,證明了在織造車間進行CFD模擬的可行性。目前應用于紡織車間的送風口主要有散流器和混流送風口兩類。楊瑞梁等[10]開發了混流分布器,主要從風量調節和出風口導葉片結構兩方面進行優化,改進后混流送風口改善了附著射流長度及送風范圍。而后,夏強[11]提出了一種復合式混流送風口,通過改進導流板形狀及設置送風孔進行氣流運動優化,該送風口可增強溫濕度的均衡性,減小氣流的流動性因素,有利于提高成品質量。然而,上述送風口多用于細紗車間或絡筒車間,隨著紡織行業的結構轉型,細特紗線、高檔面料不斷涌現,生產工藝對于車間的溫濕度等空氣環境條件要求也越來越嚴格[12]。當車間配備細絡聯傳輸系統時,細紗機和絡筒機會位于同一區域,其設備布局與傳統車間存在差異,現有送風口結構下的氣流運動是否還滿足工藝需求,目前相關研究甚少,因此,針對不同車間機器布置情況,為滿足其工藝需求、營造優良氣流運動,需對紡織空調送風口的結構做出對應調整。

本文提出了適用于細絡聯車間的定向均流送風口結構,基于CFD技術對不同區域氣流組織進行數值模擬,分析該送風口在紡織車間形成的氣流分布特性,與相同工況下的復合式混流送風口模擬結果進行對比。并搭建實驗臺,引入溫濕度均勻性指標來判斷2種送風口的送風效果,為實際工程設計提供一定的技術指導。

1 物理模型

圖1(a)示出提出的定向均流送風口裝置,利用送風箱內的可調整對開式葉片及出風口處的導流機構對風量進行均分及引導輸送,均流導板轉動角度均為70°,布置間距為12 mm。細紗機-絡筒機模型對開式葉片轉動角度為22°,全絡筒機與全細紗機的對開式葉片轉動角度為15°。復合式混流送風口如圖1(b)所示。本文設備布置假設為細紗機-絡筒機、全細紗機、全絡筒機3種情況。細紗工序中纖維具有放濕特性,其相對濕度要求為55%～60%;絡筒工序中纖維具有吸濕特性,相對濕度要求為60%～70%[13]。

1—對開式葉片1;2—方桿;3—條形均流板;4—對開式葉片2;5—送風箱;6—懸吊支架;7—側擋板;8—均流導板。圖1 定向均流送風口及復合式混流送風口幾何模型圖Fig. 1 Geometric models of directional uniform flow inlet(a) and composite type mixed flow inlet(b)

2 數值計算模型

2.1 氣相控制方程

考慮到紡紗車間機器散熱造成上升熱羽流,其與空調送風的強制對流形成典型的混合流,對精度要求較高,因此湍流模型選用Realizablek-ε雙方程模型[14-15]。其基本氣相控制方程為:

(1)

(2)

(3)

2.2 物質輸運模型

在模擬熱濕交換時,需遵循組分質量守恒定律。具體表述[16]如下:

(4)

式中:mi為水蒸氣的組分i的質量分數;Di為組分i的擴散系數,其由Chapan-Enskog公式[17]計算可得;Si為組分i的源項。相對濕度與水蒸氣的質量分數關系式如下:

(5)

(6)

式中:w為水蒸氣質量分數,%;d為含水量,kg/kg;φ為相對濕度,%;p為大氣壓,Pa;esd為干球溫度對應的飽和蒸氣壓,Pa。

2.3 數值計算方法與邊界條件設置

模擬工作利用商業流體力學計算軟件ANSYS Fluent,采用穩態3-D分離隱式求解器,對控制方程采用有限體積法進行離散化處理,通過壓力-速度耦合方程的SIMPLE算法求解離散方程組,對流項離散選取二階迎風離散格式。采用速度入口、自由出流邊界條件,各壁面均為無滑移壁面。收斂判別標準為:殘差值達到并穩定在10-3以下。

細紗機-絡筒機、全細紗機、全絡筒機模型的氣流入口速度分別設為2、2.2、1.9 m/s;細紗機-絡筒機、全細紗機模型的送風相對濕度為90%,全絡筒機模型的送風相對濕度為95%。送風溫度 24 ℃, 壁面設恒溫為30 ℃;回風口為負壓150 Pa出流。

據廠家提供資料,單臺細紗機功率為 18.2 kW, 單臺絡筒機的功率為13.5 kW,機器發熱量的計算公式如式(7)所示,系數取值參考棉紡織工廠的經驗數據:

Q=N·n·k1·k2·k3·α

(7)

式中:Q為機器發熱量,kW;N為電動設備的安裝功率,kW;n為機器臺數,臺;k1為安裝系數或利用系數,是電動機最大實耗功率與安裝功率之比,k1=0.9;k2為同時使用系數,k2=0.9;k3為電動機負荷系數,為小時平均實耗功率與最大實耗功率之比,k3= 0.85;α為熱遷移系數,細紗機α=0.9,絡筒機α=1.0。計算可得細紗機總發熱量為22.56 kW,單位面積散熱量為127.14 W/m2;絡筒機總發熱量為18.59 kW,單位面積散熱量為107.99 W/m2。

2.4 網格無關性驗證

本模型采用非結構化網格實現計算域離散,并對細紗機、絡筒機及送回風口等處進行局部加密,為排除網格數量對數值計算準確性的影響,對不同網格數量的距地面1.2 m處平面的氣流平均速度進行無關性驗證后,選取405萬網格作為計算網格數。模擬取值是在兩絡筒間距中點、細紗機與絡筒間距中點處,分別距地面1.5 m、2 m高度,沿絡筒機長度方向均勻布置5個測點,共20個測點。

3 實驗平臺

為驗證模擬結果的正確性,且對定向均流送風口和復合式混流送風口的送風效果進行直觀比較,本文設計了如下實驗。采用TES-1341熱線式風速計測量各測點的速度、溫度瞬時值,并取多次測量的均值進行定量分析。本實驗在Y=-0.4 m處,條形均流板和均流導板的正下方各設2組測點,水平線上每間隔280 mm布置測點,每條水平線共布置 6個, 共24個測點(1～24),(1-1,…,1-6;…,4-1,…,4-6)。1～2組測點對應兩側細紗機區域,3～4組測點對應中間絡筒機區域,詳情見圖2。

圖2 豎直面及水平面4組測點位置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of four sets of measuring points on vertical plane and horizontal plane

4 結果與分析

4.1 系統流場均勻性評價指標

針對系統內送風口送風效果及氣流分布狀況,引入分布偏差系數K,通過比較不同工況下的K值可以判斷特定位置的流場均勻性[18]。溫度分布偏差系數(速度分布偏差系數計算方法同)表達式為:

(8)

(9)

4.2 2種送風口模擬結果對比

復合式混流送風口的出流方向多為兩側,經過整流格柵的氣流部分被卷入兩側條形導流板出口的高速氣流中,以致不能直接送達絡筒區域,如圖3(a) 所示;定向均流送風口的對開式葉片起到了風量調節的作用,氣流方向更加分散,出流速度為2～3.2 m/s, 保證了氣流射程能滿足至工作區域的要求,如圖3(b)所示。

圖3 Z=1 m截面送風口速度矢量圖Fig. 3 Vector diagram of velocity of air outlet in Z=1 m section. (a) Composite type mixed flow inlet; (b) Directional uniform flow inlet

復合式混流送風口由于氣流不分散,風量未合理調節,在設備散熱量不同的情況下,導致速度分布不均,特別是細紗區域的速度波動幅度大,速度差值達0.25 m/s,從而造成了溫度、相對濕度的分布也存在相應較大的波動,如圖4所示。均存在局部區域的溫、濕度過高或過低現象,細紗機區域的相對濕度偏高將對生產具有不利影響,如圖5、6所示。而定向均流送風口下的速度場分布均勻,且大部分速度值均在0.4～0.6 m/s范圍內,各區域的溫濕度總體滿足所需的環境要求,波動范圍不大。

4.3 定向均流送風口模擬結果分析

a: 細-絡模型距地面1.5 m處; b: 細-絡模型距地面2.0 m處; c: 全細紗機模型距地面2.0 m處; d: 全絡筒機模型距地面1.5 m處圖7 3種計算模型不同高度的水平面溫度分布云圖Fig. 7 Horizontal surface temperature distribution at different heights for three calculation models

圖4 2種送風口下各測點速度分布Fig. 4 Velocity distribution of each measuring point under two types of air supply outlets

距地面1.5 m高是絡筒機主要工作區域,距地面高2.0 m是細紗機主要工作區域。絡筒機區域的溫度較低且分布均勻,平均溫度僅為30 ℃,這是由于對開式葉片可以進行送風量調節,以滿足絡筒工序的高濕環境需求如圖7(a)。其平均溫度為 34 ℃, 中間溫度偏低,此位置正處于送風管下方平行位置,送達風量偏多,如圖7(b)所示。由于設備總體散熱量大于細紗機-絡筒機的散熱量,為維持工作環境溫度為30 ℃左右,增大了送風量,如圖 7(c) 所示。模擬結果顯示主要工作區域的溫度為 29～34 ℃, 且各區域平均溫度均在31 ℃左右。如圖7(d) 所示,設備全為絡筒機時的散熱量較小,送風量小,圖中兩側的溫度較中間溫度偏高,整體溫度為29～33 ℃,滿足生產環境溫度要求。

圖5 2種送風口下各測點溫度分布Fig. 5 Temperature distribution of each measuring point under two types of air supply outlets

圖6 2種送風口下各測點相對濕度分布Fig. 6 Relative humidity distribution of each measuring point under two types of air supply outlets

絡筒機表面的相對濕度整體高于細紗機表面,且具有明顯的分層效果,由于回風口的負壓作用導致氣流集中,距地面越近相對濕度越高,如圖8所示。絡筒機主要工作區域相對濕度為62%～67%,細紗機主要工作區域相對濕度為50%～58%,因此該送風口結構下的相對濕度分布能夠滿足工藝需求。中間位置的細紗機工作區域的相對濕度為54%～59%,兩側細紗機相對濕度低于中間位置,工作區域相對濕度為50%～55%,相對濕度分布較均勻。兩側絡筒機表面相對濕度分布比中間更均勻,工作區域的相對濕度為63%～67%,滿足生產需求。

a: 細-絡模型絡筒機; b: 細-絡模型細紗機; c: 全細紗機模型中間位置細紗機; d: 全細紗機模型兩側位置細紗機;e: 全絡筒機模型中間位置絡筒機; f: 全絡筒機模型兩側位置絡筒機。圖8 設備表面相對濕度分布云圖Fig. 8 Relative humidity distribution on surface of equipment

4.4 2種送風口送風效果實驗對比分析

定向均流送風口下的風速呈兩端低、中間高的趨勢,曲線較平緩。在送風速度v0=3 m/s的工況下,測點速度的最大差值僅為0.33 m/s,而復合式混流送風口的速度值波動較大,最大差值為 0.61 m/s, 如圖9所示。定向均流送風口在絡筒機區域的速度值明顯高于細紗機區域,證明了其具有小環境風量分配的作用,復合式混流送風口由于送風管正下方氣流被兩側的氣流卷吸,故風速分布為兩端高、中間低。

圖9 測點在不同送風速度下的速度值Fig. 9 Velocity values of the measuring point at different air supply speeds

由于在實驗過程中,相鄰測點之間溫度會互相影響,所以溫度變化值比速度變化值小,復合式混流送風口的溫度變化更大。定向均流送風口的細紗機區域溫度高于絡筒機區域,這與數值模擬結果中溫度分布情況一致,說明了4.2節中關于定向均流送風口的氣流組織模擬研究結果是正確的如圖10所示。

復合式混流送風口和定向均流送風口的速度分布偏差系數均值分別為0.209 3和0.088 9,溫度分布偏差系數均值分別為0.015 2和0.008 3。復合式混流送風口的速度、溫度分布偏差系數相對于定向均流送風口的差值分別為57.52%、45.39%,定向均流送風口的送風效果更好。若其實際應用到車間時,雖然會受設備散熱產生的熱流、自然通風等其他因素影響,但是由于氣流分布足夠均勻,相對濕度的分布受影響較小,依然可以滿足工藝環境需求。

5 結 論

1) 定向均流送風口的氣流組織較復合式混流送風口更均勻,各區域的溫濕度總體滿足所需的環境要求,且變化區間不大。

2) 當定向均流送風口應用在不同設備布置情況的小環境送風時,模擬結果表明可通過調節對開式葉片角度實現風量的調節,從而實現相對濕度的量調節以達到工藝需求,可通過轉動均流導板將氣流送至目標區域,實現對設備區域的定向送風。

3) 復合式混流送風口和定向均流送風口的速度分布偏差系數均值分別為0.209 3和0.088 9,溫度分布偏差系數均值分別為0.015 2和0.008 3,定向均流送風口在工程應用中的送風效果會更好。