燃气辐射供暖设备对于近距空间和物体的温度影响模拟与分析.pdf
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1、燃气辐射供暖设备对于近距空间和物体的温度影响模拟与分析张海桥李建民(中国航空国际建设投资有限公司,北京)摘要:为分析燃气辐射供暖设备在高大空间场景使用时,对于辐射管下方近距物体的温度影响,本文选取某飞机维修机库作为分析对象,采用 技术进行模拟。为减小近距小尺度空间分析的误差,辐射管的边界条件以设备尾气流动的实际原理和数据为依据,同时兼顾应用场景的实际情况。结果表明:研究对象场景下,辐射管表面温度随着尾气流动方向沿程逐渐降低,出口温度为 ,外表面平均温度为 ;在设备极端满负荷运行的稳态下,辐射管下方处钢结构杆件表面最高温度为 ,在近距空间内杆件表面随间距变化呈基本线性变化。关键词:燃气辐射供暖;
2、模拟;钢结构;近距温度场张海桥,男,年生,硕士研究生,高级工程师 北京市西城区德外大街 号 :收稿日期:引言燃气辐射供暖与传统对流供暖相比具有构造简单、发热量大、热效率高、设备投资低、运行费用少等优点,被广泛应用在高大空间供暖场景中。在高大空间的工业厂房项目中,建筑物顶部经常配有吊车等工艺设备,为避免影响工艺设备的运行,在实际项目中燃气辐射供暖设备的高温辐射管经常会敷设在网架内。随着应用场景的高度增加和辐射管的运行温度升高,悬挂在网架内部的高温辐射管附近也会形成较高的温度场,辐射管下部的近距温度场具体数值为多少,辐射管对于正下方近距物体(如刚结构杆件)温度的影响是怎样的,这些问题在工程设计阶段
3、应充分考虑,但目前尚没有定量分析。为解决上述问题,需要在模型中对辐射管的发热原理和发热量有比较合理和准确的描述。王志刚、赵丹、张大英对燃气辐射供暖系统进行了 模拟研究。上述 模拟研究对于辐射管边界条件的设置以燃气辐射供暖设备发生器的发热功率值为基础,而发生器发热功率是燃烧器的理论供热能力,是设计选型的参考参数,与辐射管在真实使用场景中的实际发热量并不相同。因此,在分析辐射管下部近距温度场时,上述模拟研究方法与实际情况是有偏差的。本文将根据某项目的实际应用场景建模,充分考虑实际高大空间场景中的问题。同时,为使靠近辐射管的小尺度空间分析尽量准确,辐射管发热量边界条件按照辐射管中高温尾气实际运行原理
4、和参数设定边界条件进行计算,再结合实际项目场景进行相应的模拟和分析。这种模拟分析方法及针对辐射管的实际供热量计算结果亦可指导类似应用场景的设计优化。物理模型研究对象为某飞机维修机库大厅,面积约为万,建筑高度为 。燃气辐射管采用形管,宽度为,安装高度约为 ,设计安装 组额定发热量为 的燃气红外辐射供暖设备。在不影响计算结果的前提下,对模型进行适当简化。辐射管简化成与实际有效辐射面积相同的宽度为 的矩形薄壁,并将其均匀布置于距离地面 处的平面。为解决大空间微尺度的网格划分问题,将门窗缝隙等效为与实际缝隙面积相等的 个开口,开口均匀分布在机库大门上,个位于门底部,个位于门上部。采用 软件建立物理模型
5、并进行网格划分,对冷风渗透进出口等关键位置进行网格加密,总体网格数量为 万个,六面体网格最小正交质量为 ,质量较好,物理模型如图所示。图三维物理模型边界条件 围护结构边界条件外围护结构与室外环境对流换热,采用第三类热边界条件给定传热系数及外界流体温度。机库大厅与辅助用房之间的隔墙属于内围护结构,由于辅助用房供暖,两者温差较小可以忽略其传热,因此内围护结构采用第二类热边界条件,设定热流密度为,即绝热。地面热边界根据负荷计算设定为第二类热边界,给定热流密度。各围护结构边界条件如表所示。表围护结构热边界条件对流换热系数()室外空气温度热流密度()表面发射率外墙 外门 外窗 内墙 地板 屋顶 冷风渗透
6、边界条件暖通空调 年第 卷增刊 供暖供热高大空间应用场景中对于室内温度场和辐射管供热影响较大的因素为冷风渗透。冷风渗透包括两部分:一部分为由于机库内外热压差引起的机库内外空气流通;另一部分为由于室外风压作用导致室外空气通过门窗缝隙等渗透进入机库内部。机库内外热压差计算公式如下:()()式中为机库内外热压差,;为自由落体加速度,;为进出口高差,;为室外空气密度,对应室外温度 时空气密度为 ;为室内空气密度,对应室内设计温度 时的密度为 。根据式()计算得机库内外热压差为 。机库内外风压差计算公式如下:()式中为机库内外风压差,;为风压系数,此处取;为室外风速,此处取建筑所在地冬季室外最多风向平均
7、风速,为。根据式()计算得到机库内外风压差为 。综上,机库室内外总压差为 。由压差引起的渗透风量是室内外压差和缝隙面积的函数,计算公式如下:()式中为机库内外压差引起的渗透风量,;为流量系数,取;为门窗缝隙面积,。根据式()计算得到机库冷风渗透风量为 。针对冷风渗透这一影响因素,笔者所在公司也在其他项目中有过实测数据验证,经过比对分析,本研究对象按照此参数设定边界条件是适宜的。综上,模型冷风渗透入口风速为 ,温度为室外空气温度,渗透出口为自由出流边界。辐射管边界条件为较为准确地描述辐射管下方的近距空间温度场,本次研究通过先建立实际辐射管模型,模拟计算尾气与辐射管内壁之间的对流和辐射换热,确定辐
8、射管表面温度,再将计算结果作为实际应用场景中的输入边界条件。辐射管为一组长 、直径 的形管,一端作为高温烟气入口,另一端为烟气出口,辐射管壁采用金属材质,导热性能良好,忽略内外壁面之间的温差。模型如图所示。根据主流供应商的实验室数据及样册参数,在标准运行工况下辐射管烟气入口温度为 ,烟气入口流量为 ,辐射管内烟气流速为,管内流态为湍流。辐射管烟气流动总路程长度为 ,远远大于烟气流入口段长度,流动和换热已充分发展,因此烟气出口设定为充分发展的自由出流边界。根据以上的模型选择及边界条件的确定,计算得到辐图燃气辐射管物理模型射管内烟气流动及辐射管换热结果,如图所示。由图可以看出,随着烟气流动,辐射管
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