船舶喷涂车间顶面热水辐射供暖系统流场模拟

发布时间:2016-9-9 15:36:43

摘 要:某船舶喷涂车间配置顶面热水辐射供暖系统(辐射板表面温度为47℃,避免了可燃粉尘、可燃气体因温度过高而发生的自燃、爆炸危险)与机械通风系统。采用STAR-CCM+软件,对车间室内空气温度场、工件表面温度、车间内气流速度场进行了模拟。车间室内空气温度范围为25~27℃,主要工作区气流流速范围为0.50~0.55m/s。

关键词:船舶喷涂车间;  顶面热水辐射供暖;  温度场; 速度场

1 概述

船舶涂装贯穿于整个造船工艺流程,集化工、流体动力、热工等技术于一体,在船舶建造中,起着举足轻重的作用。良好的喷涂环境是保证喷涂质量的关键[1-2],喷涂车间大多为易燃、易爆场所,喷涂过程中高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂,既污染环境又容易引起自燃甚至爆炸[3]。

目前,对于这种在生产过程中散发可燃气体和可燃粉尘的车间,主要的供暖方式以全新风(热风)系统为主。采用这种强制对流的方式,车间内气流受扰动比较大,而且送风比较集中,易造成室内空气温度分布不均匀[4-5]。辐射供暖近年来多被高大空间所采用[6],辐射板工作的时候无吹风感,不会引起粉尘飞扬,特别是热水辐射供暖系统能满足喷涂车间特殊的防火防爆及卫生要求[7]。以发出红外线的方式向空间放热,墙壁和地板被加热后,可向室内进行二次散热,因此无论哪个位置都不会感到过热[8]。当采用热水作为供热介质时,对于喷涂车间,可避免燃气辐射或电辐射等直燃型辐射设备引起的易燃、易爆危险。本文针对顶面热水辐射供暖系统,采用STAR-CCM+软件(CFD软件的一种)建立船舶喷涂车间模型,对车间室内空气温度场、工件表面温度、车间内气流速度场进行模拟与相关分析。

2 模型建立

2.1 模型建立与网格划分

采用STAR-CCM+5.02版本中新增的3D-CAD建模功能建立模型[9],避免从外部导入模型的不匹配错误。车间的长×宽×高为80m×30m×12m,默认无门窗。喷涂工件内部结构已被简化,以简单长方体代替,长×宽×高为24m×12m×4m,置于车间中部。车间室内初始温度设定为-10℃,工件表面初始温度为-10℃,喷涂适宜的温度范围为10~35℃,气流流速推荐范围为0.2~0.5m/s。

采用机械送风(未经处理的室外空气)与顶面热水辐射供暖相结合的方式,送排风口各8个,分别布置在车间两侧80m长的墙上,一侧为送风口,另一侧为排风口,距离地面3.5m,尺寸均为115cm×115cm。换气次数为5次/h,机械通风速度1m/s。

在模拟计算供暖热负荷时,仅考虑3m高度以下的主要工作区域。喷涂车间冬季室外供暖计算温度为-9.8℃,供暖室内设计温度为23℃,设计供暖热负荷为442848W。选取14块辐射板,每块辐射板长36.5m,热水进、出口温度为93、73℃,总流量为19m3/h。辐射板表面温度为47℃,单位长度辐射板散热量为867W/m,总散热量为443100W。辐射板安装高度为11.4m,与最长的外墙平行放置,靠墙第一排辐射板距墙0.5m3。为简化计算,视每块辐射板内热水分布均一,仅在流固交界面处有温度变化。

模型采用多面体网格划分形式,与传统网格相比,因有更多的相邻单元,计算及预测结果更加准确。利用STAR-CCM+网格划分中的表面包面功能对模型进行包面,使各个面封闭,解决表面拓扑错误。另外,在生成多面体网格前对模型进行表面重构,从而减少网格数量以提高计算速度。计算模型的网格划分见图1。

2.2 边界条件的设定

采用S2S(Surface-to-Surface)辐射换热模型,忽略车间内空气对辐射板辐射能的吸收,模拟辐射板对车间内工件、地面、墙面的热辐射过程,以及车间内主要的流固耦合过程。以基尔霍夫定律为基础,由STAR-CCM+软件可直接计算各表面的反射率,从而进行辐射换热量计算。热源(即辐射板)与各固体表面边界的设定剪标1、2。

3 模拟结果分析

①室内空气温度

由于喷涂车间的温度与气流组织分布主要体现在车间内部的流体区域,因此在模拟计算前对模型进行抽取内部流体空间处理。计算结果收敛时车间横截面(中间位置)、纵截面(中间位置)的空气温度分布云图分别见图2、3。由图2、3可知,车间室内空气温度范围为25~27℃,接近热源处温度较高(在36℃左右)。沿高度方向温度梯度较小,温度分布均匀,符合辐射供暖的特点。

由模拟结果可知,随着计算的进行,车间室内空气平均温度逐渐上升。这是由于气流与工件表面、地面以及墙面发生了对流换热,在这个过程中,各固体表面在吸收了辐射热后温度升高,在与气流的流固耦合中放热,而气流区域以吸收热量为主,因此室内空气温度呈上升趋势,模拟收敛时稳定在25℃左右,满足船舶喷涂工艺的需要

②工件表面温度

计算结果收敛时工件表面温度分布云图见图4。由图4可知,计算结果收敛时工件表面温度在24~25℃,温度分布均匀,但在工件底部出现了明显的温度梯度。笔者认为是工件底部与地面接触处,受辐射角系数的影响产生了温度梯度。由模拟结果可知,工件表面平均温度呈先升高后下降的趋势。模拟开始时,以辐射板对固体工件表面的辐射作用为主,因此工件表面温度迅速升高,达到一定温度时,工件开始与周围气流发生对流换热,温度有所下降,直至计算结果收敛时,保持在24~25℃。

③气流流速

车间纵截面(中间位置)气流流速分布云图见图5。由图5可知,车间室内主要工作区气流流速为0.50~0.55m/s,相对于推荐值略高。

4 结论

①由模拟结果可知,船舶喷涂车间采用顶面热水辐射供暖系统时,室内空气温度维持在25~27℃,高度方向的温度梯度小,能满足喷涂工艺要求。

②主要工作区气流流速为0.50~0.55m/s.工作区流线分布相对稀疏,喷涂时对可燃气体、可燃粉尘等扰动小,大大降低了发生爆炸的危险。(来自网络)


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