摘要: 通過模型實(shí)驗(yàn)，對大空間中強(qiáng)熱源誘導(dǎo)含塵氣流(即二次揚(yáng)塵)控制問題進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，采用抽吸氣流的全面通風(fēng)控制二次揚(yáng)塵是可行的，找出了排氣罩形式、安裝高度和排風(fēng)量。為類似工程的設(shè)計提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)，并為相關(guān)的設(shè)計手冊提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).
關(guān)鍵詞: 強(qiáng)熱源 含塵浮射流 模型實(shí)驗(yàn) 排風(fēng)量
1.引言
在國內(nèi)外鋼鐵、焦化、機(jī)械等企業(yè)中，目前普遍存在開放式太空間中無組織排放的含塵氣體對大氣環(huán)境污染問題。比如煉鋼廠落錘倒渣間的二次揚(yáng)塵過程就是一例。目前，對此類問題的治理方法一般是采用灑、噴水抑塵，但對高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的具有較大上升梯度的揚(yáng)塵過程，這些方法都有其局限性，無法取得理想的控制效果，因此，解決此類污染的控制問題已成為當(dāng)務(wù)之急。
本模型實(shí)驗(yàn)以某煉鋼廠落錘倒渣間為實(shí)驗(yàn)原型，通過現(xiàn)場觀察和實(shí)測，發(fā)現(xiàn)在60m×40m× 25m的太空間中，當(dāng)溫度高達(dá)1000℃的鋼渣倒落到塘泥地上時，由于沖擊和擠壓作用將產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，在剪切氣流和強(qiáng)熱源的共同誘導(dǎo)下，含塵氣流由四周向上產(chǎn)生一股強(qiáng)大的浮射流.本文將其處理成從地上沖出一股環(huán)狀含塵浮射流，其高度可達(dá)20m。因此本實(shí)驗(yàn)的主要目的是要控制這般含塵浮射流，整個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臒嵩?、氣流組織、風(fēng)道設(shè)計等都是以此為中心。
由于高溫液態(tài)鋼渣傾倒到積水上時有爆炸危險，因此不能采用灑、噴水抑塵；又由于倒渣間內(nèi)有行車移動及受到其它工藝上的限制，不能在污染源上方直接設(shè)置上部排風(fēng)罩;另外，由于車間跨度太大，無法采用吹吸氣流控制。由于這些原因，對此類問題，只能采用在污染源側(cè)面設(shè)置側(cè)吸罩形成側(cè)頂吸氣流排走污染氣流的全面通風(fēng)方法。
經(jīng)過研究，上述污染控制問題在理論上可以抽象為控制太空間中，由瞬態(tài)強(qiáng)熱源誘導(dǎo)的自由紊動圓環(huán)含塵浮射流。采用側(cè)頂吸罩可以使浮射流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而將含塵氣流排出室外，由于浮射流在不同的高度具有不同的速度分布和擴(kuò)展面，因而在不同的高度設(shè)置不同的側(cè)吸罩所需要的罩口風(fēng)速和進(jìn)入側(cè)吸罩的污染氣流濃度是不一樣的。因此，采用此法的關(guān)鍵問題是找到的排氣罩形式、位置以及的排風(fēng)量。對于此類問題，目前尚未有這方面的理論成果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)例。日本學(xué)者林太郎的流量比法[4]計算排風(fēng)量，結(jié)果偏大，排風(fēng)量達(dá)到107m3／h的量級，使在工程上很難實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為，通過抽吸氣流在大空間內(nèi)形成負(fù)壓防止污染氣流外溢并有效地排走污染氣流的方法需要很大的排風(fēng)量，而且抽吸效果很難保證。因此，通過模型實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法來尋找排風(fēng)量，其結(jié)果將為有關(guān)設(shè)計手冊提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.?；O(shè)計
2．1相似理論
相似理論是模型實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，要保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊从硨?shí)際工況，必須考慮模型和實(shí)型的幾何相似、流動相似、熱力相似和傳質(zhì)相似[2]。在本實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)是研究強(qiáng)熱源誘導(dǎo)的含塵浮射流的流動規(guī)律以及如何控制這股含塵浮射流，所以本實(shí)驗(yàn)主要考慮射流的流動相似和熱源的熱力相似同時得到滿足.
射流流動相似保證Re和Ar相等，由于本實(shí)驗(yàn)研究的是紊流問題，所以Re處于自模區(qū)，因此只要保證Ar數(shù)相等即可。
熱源熱力相似保證Re和Ra＝PrGr相等，因?yàn)镽e處于自模區(qū)，所以只要保證Ra相等即可。
在實(shí)際模擬時，要保證Ar和Ra同時相等是不可能的，因此，本實(shí)驗(yàn)將設(shè)法使Ra處于自模區(qū)。
2．2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則的處理
限據(jù)現(xiàn)場觀察和實(shí)測，考慮把實(shí)際問題處理成圓環(huán)浮射流。
圓環(huán)浮射流如圖1所示。
根據(jù)現(xiàn)場觀察和實(shí)測，得出原型的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：
(1) 射流出口外徑d0＝6m，
內(nèi)徑d1=4m;
射流初速度v0＝6m／s
射流極角a＝30o；
射流溫度t0＝160℃；
環(huán)境溫度te＝30℃。
(2) 熱源溫度tw＝1000℃
對射流，取特征長度為d0，特征速度為V0，特征溫度為t0。
此時，Re＝1.2×106＞O.5×104，說明實(shí)型Re處于自模區(qū)。
Re´＝2.88×104＞O.5×104，說明模型Re´也處于自模區(qū)。
以上各式中，不帶“´”的表示實(shí)型，帶“´”的表示模型。
對熱源，取特征長度為1＝O．9d0，特征溫度為 為了保證模型及實(shí)型中熱源和氣流溫度場的統(tǒng)一，取熱源C△t＝C△t0，此時
說明實(shí)型和模型的Ba均處于自模區(qū)，即在上述比例尺設(shè)定下，實(shí)型與模型能自動達(dá)到熱力相似。因此，整個模型中的其它比例尺將只與流動相似，即與Ar數(shù)有關(guān)。從而有效地簡化并解決了相似問題。
2．3相似比例尺確定
(1)幾何尺寸比例尺：Cl＝O．0833
(2)溫度比例尺：C△Te，＝C△I＝O.5，C△T0＝0.85
(3)速度比例尺：Cv＝0.221
(4)風(fēng)量比例尺：CG＝CvC12＝0.00153
(5)換氣次數(shù)比例尺：Ca＝CGCl-3＝2.64
(6)氣流熱量和熱強(qiáng)度比例尺:
(7)熱源熱量和熱強(qiáng)度比例尺(末考慮輻射換熱)
2．4模型設(shè)計與實(shí)驗(yàn)裝置
在實(shí)驗(yàn)中，用電爐模擬鋼渣，由風(fēng)道輸送熱風(fēng)通過電爐絲，形成圓環(huán)射流，在射流側(cè)上方設(shè)置排風(fēng)罩浦集污染氣流，含塵氣流用C02作為示蹤氣體模擬。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，先要求出實(shí)型的熱源發(fā)熱量、射流風(fēng)量、排風(fēng)罩風(fēng)量等，然后用相似比例尺確定模型的熱源功率、圓環(huán)射流的出口風(fēng)速、排風(fēng)罩的大小和風(fēng)量以及相應(yīng)風(fēng)管的尺寸。通過模型實(shí)驗(yàn)，可以求出由排風(fēng)罩誘導(dǎo)的環(huán)境氣流對浮射流產(chǎn)生影響引起的溫度場、速度場和濃度場，熱源設(shè)計、射流設(shè)計和風(fēng)機(jī)風(fēng)量確定如下。
2.4.1熱源設(shè)計
在實(shí)型中，鋼渣的熱強(qiáng)度很大，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袩o法達(dá)到此熱強(qiáng)度，但考慮模擬鋼渣的換熱，熱源的換熱主要有以下兩部分：
2.4.1.1對流換熱量Qc
在實(shí)型中，由于鋼渣倒落時對空氣形成擠壓作用，并形成一圓環(huán)浮射流，故空氣與熱源之間是一強(qiáng)制對流換熱過程，其換系數(shù)無可查詢，因此，我們考慮用空氣的溫升得熱來計算對流換熱量，即：
上式中，F(xiàn)0為圓環(huán)射流出口面積，m2；v0為射流出口風(fēng)速，m/s；C0為射流出口風(fēng)量;ρo、CP對應(yīng)于射流出口溫度160℃的密度和定壓比熱；ΔT為射流出口溫度與環(huán)境溫度之差，℃.
2．4．1．2輻射換熱量Qr
Qr＝EF＝4209．4kW
對應(yīng)的模型輻射換熱量為:
Qr′＝CEECFF＝4.30kW
若用電爐模擬鋼渣熱源，因電爐溫度低于1000℃，熱強(qiáng)度將達(dá)不到要求，所以本實(shí)驗(yàn)用電爐模擬全部輻射熱和部分對流熱，其它對流熱由空氣加熱器提供。算得模型熱源的輻射換熱量4.30kw，對流換熱量6.57kW，根據(jù)計算，電爐的對流換熱量和輻射換熱量在本實(shí)驗(yàn)的條件下保持已定比例，約為1：1，故取電爐功率為8kW，預(yù)計用于加熱空氣和向周圍環(huán)境輻射的熱量為4kW，從而滿足了熱源輻射換熱量Qr′的要求。為了加熱空氣所需的其它熱量2.57kW通過空氣加熱器預(yù)熱取得。
關(guān)鍵詞: 強(qiáng)熱源 含塵浮射流 模型實(shí)驗(yàn) 排風(fēng)量
1.引言
在國內(nèi)外鋼鐵、焦化、機(jī)械等企業(yè)中，目前普遍存在開放式太空間中無組織排放的含塵氣體對大氣環(huán)境污染問題。比如煉鋼廠落錘倒渣間的二次揚(yáng)塵過程就是一例。目前，對此類問題的治理方法一般是采用灑、噴水抑塵，但對高溫?zé)嵩串a(chǎn)生的具有較大上升梯度的揚(yáng)塵過程，這些方法都有其局限性，無法取得理想的控制效果，因此，解決此類污染的控制問題已成為當(dāng)務(wù)之急。
本模型實(shí)驗(yàn)以某煉鋼廠落錘倒渣間為實(shí)驗(yàn)原型，通過現(xiàn)場觀察和實(shí)測，發(fā)現(xiàn)在60m×40m× 25m的太空間中，當(dāng)溫度高達(dá)1000℃的鋼渣倒落到塘泥地上時，由于沖擊和擠壓作用將產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切力，在剪切氣流和強(qiáng)熱源的共同誘導(dǎo)下，含塵氣流由四周向上產(chǎn)生一股強(qiáng)大的浮射流.本文將其處理成從地上沖出一股環(huán)狀含塵浮射流，其高度可達(dá)20m。因此本實(shí)驗(yàn)的主要目的是要控制這般含塵浮射流，整個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臒嵩?、氣流組織、風(fēng)道設(shè)計等都是以此為中心。
由于高溫液態(tài)鋼渣傾倒到積水上時有爆炸危險，因此不能采用灑、噴水抑塵；又由于倒渣間內(nèi)有行車移動及受到其它工藝上的限制，不能在污染源上方直接設(shè)置上部排風(fēng)罩;另外，由于車間跨度太大，無法采用吹吸氣流控制。由于這些原因，對此類問題，只能采用在污染源側(cè)面設(shè)置側(cè)吸罩形成側(cè)頂吸氣流排走污染氣流的全面通風(fēng)方法。
經(jīng)過研究，上述污染控制問題在理論上可以抽象為控制太空間中，由瞬態(tài)強(qiáng)熱源誘導(dǎo)的自由紊動圓環(huán)含塵浮射流。采用側(cè)頂吸罩可以使浮射流發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而將含塵氣流排出室外，由于浮射流在不同的高度具有不同的速度分布和擴(kuò)展面，因而在不同的高度設(shè)置不同的側(cè)吸罩所需要的罩口風(fēng)速和進(jìn)入側(cè)吸罩的污染氣流濃度是不一樣的。因此，采用此法的關(guān)鍵問題是找到的排氣罩形式、位置以及的排風(fēng)量。對于此類問題，目前尚未有這方面的理論成果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程實(shí)例。日本學(xué)者林太郎的流量比法[4]計算排風(fēng)量，結(jié)果偏大，排風(fēng)量達(dá)到107m3／h的量級，使在工程上很難實(shí)現(xiàn)。一般認(rèn)為，通過抽吸氣流在大空間內(nèi)形成負(fù)壓防止污染氣流外溢并有效地排走污染氣流的方法需要很大的排風(fēng)量，而且抽吸效果很難保證。因此，通過模型實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法來尋找排風(fēng)量，其結(jié)果將為有關(guān)設(shè)計手冊提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
2.?；O(shè)計
2．1相似理論
相似理論是模型實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，要保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芊从硨?shí)際工況，必須考慮模型和實(shí)型的幾何相似、流動相似、熱力相似和傳質(zhì)相似[2]。在本實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)是研究強(qiáng)熱源誘導(dǎo)的含塵浮射流的流動規(guī)律以及如何控制這股含塵浮射流，所以本實(shí)驗(yàn)主要考慮射流的流動相似和熱源的熱力相似同時得到滿足.
射流流動相似保證Re和Ar相等，由于本實(shí)驗(yàn)研究的是紊流問題，所以Re處于自模區(qū)，因此只要保證Ar數(shù)相等即可。
熱源熱力相似保證Re和Ra＝PrGr相等，因?yàn)镽e處于自模區(qū)，所以只要保證Ra相等即可。
在實(shí)際模擬時，要保證Ar和Ra同時相等是不可能的，因此，本實(shí)驗(yàn)將設(shè)法使Ra處于自模區(qū)。
2．2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則的處理
限據(jù)現(xiàn)場觀察和實(shí)測，考慮把實(shí)際問題處理成圓環(huán)浮射流。
圓環(huán)浮射流如圖1所示。
根據(jù)現(xiàn)場觀察和實(shí)測，得出原型的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：
(1) 射流出口外徑d0＝6m，
內(nèi)徑d1=4m;
射流初速度v0＝6m／s
射流極角a＝30o；
射流溫度t0＝160℃；
環(huán)境溫度te＝30℃。
(2) 熱源溫度tw＝1000℃
對射流，取特征長度為d0，特征速度為V0，特征溫度為t0。
此時，Re＝1.2×106＞O.5×104，說明實(shí)型Re處于自模區(qū)。
Re´＝2.88×104＞O.5×104，說明模型Re´也處于自模區(qū)。
以上各式中，不帶“´”的表示實(shí)型，帶“´”的表示模型。
對熱源，取特征長度為1＝O．9d0，特征溫度為 為了保證模型及實(shí)型中熱源和氣流溫度場的統(tǒng)一，取熱源C△t＝C△t0，此時
說明實(shí)型和模型的Ba均處于自模區(qū)，即在上述比例尺設(shè)定下，實(shí)型與模型能自動達(dá)到熱力相似。因此，整個模型中的其它比例尺將只與流動相似，即與Ar數(shù)有關(guān)。從而有效地簡化并解決了相似問題。
2．3相似比例尺確定
(1)幾何尺寸比例尺：Cl＝O．0833
(2)溫度比例尺：C△Te，＝C△I＝O.5，C△T0＝0.85
(3)速度比例尺：Cv＝0.221
(4)風(fēng)量比例尺：CG＝CvC12＝0.00153
(5)換氣次數(shù)比例尺：Ca＝CGCl-3＝2.64
(6)氣流熱量和熱強(qiáng)度比例尺:
(7)熱源熱量和熱強(qiáng)度比例尺(末考慮輻射換熱)
2．4模型設(shè)計與實(shí)驗(yàn)裝置
在實(shí)驗(yàn)中，用電爐模擬鋼渣，由風(fēng)道輸送熱風(fēng)通過電爐絲，形成圓環(huán)射流，在射流側(cè)上方設(shè)置排風(fēng)罩浦集污染氣流，含塵氣流用C02作為示蹤氣體模擬。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中，先要求出實(shí)型的熱源發(fā)熱量、射流風(fēng)量、排風(fēng)罩風(fēng)量等，然后用相似比例尺確定模型的熱源功率、圓環(huán)射流的出口風(fēng)速、排風(fēng)罩的大小和風(fēng)量以及相應(yīng)風(fēng)管的尺寸。通過模型實(shí)驗(yàn)，可以求出由排風(fēng)罩誘導(dǎo)的環(huán)境氣流對浮射流產(chǎn)生影響引起的溫度場、速度場和濃度場，熱源設(shè)計、射流設(shè)計和風(fēng)機(jī)風(fēng)量確定如下。
2.4.1熱源設(shè)計
在實(shí)型中，鋼渣的熱強(qiáng)度很大，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袩o法達(dá)到此熱強(qiáng)度，但考慮模擬鋼渣的換熱，熱源的換熱主要有以下兩部分：
2.4.1.1對流換熱量Qc
在實(shí)型中，由于鋼渣倒落時對空氣形成擠壓作用，并形成一圓環(huán)浮射流，故空氣與熱源之間是一強(qiáng)制對流換熱過程，其換系數(shù)無可查詢，因此，我們考慮用空氣的溫升得熱來計算對流換熱量，即：
上式中，F(xiàn)0為圓環(huán)射流出口面積，m2；v0為射流出口風(fēng)速，m/s；C0為射流出口風(fēng)量;ρo、CP對應(yīng)于射流出口溫度160℃的密度和定壓比熱；ΔT為射流出口溫度與環(huán)境溫度之差，℃.
2．4．1．2輻射換熱量Qr
Qr＝EF＝4209．4kW
對應(yīng)的模型輻射換熱量為:
Qr′＝CEECFF＝4.30kW
若用電爐模擬鋼渣熱源，因電爐溫度低于1000℃，熱強(qiáng)度將達(dá)不到要求，所以本實(shí)驗(yàn)用電爐模擬全部輻射熱和部分對流熱，其它對流熱由空氣加熱器提供。算得模型熱源的輻射換熱量4.30kw，對流換熱量6.57kW，根據(jù)計算，電爐的對流換熱量和輻射換熱量在本實(shí)驗(yàn)的條件下保持已定比例，約為1：1，故取電爐功率為8kW，預(yù)計用于加熱空氣和向周圍環(huán)境輻射的熱量為4kW，從而滿足了熱源輻射換熱量Qr′的要求。為了加熱空氣所需的其它熱量2.57kW通過空氣加熱器預(yù)熱取得。