輥道窯窯內溫度場變化研究

摘 要：由于輥道窯斷面溫度均勻、傳熱效率高、能耗低，已成為建陶企業普遍采用的燒成設備。目前，隨著建陶企業的產量越來越大，窯爐也越建越長、截面愈來愈寬，但窯內溫度也越來越難以控制，而由于窯內溫度不均勻造成的諸如變形、色差等燒成缺陷也日趨嚴重。因此，如何均勻窯內溫度、減小斷面溫差成為建陶企業最關心的問題之一。

關鍵詞：輥道窯；溫度均勻器；數值模擬；溫度場

1 輥道窯溫度均勻器的應用

輥道窯溫度均勻器是一種新型窯內溫度均勻裝置，能有效地改善窯內（尤其是橫斷面）溫度的均勻性，減少制品變形、色差等缺陷。溫度均勻器如何能達到改善窯內溫度的均勻性？了解這一點，對合理操作溫度均勻器很有必要。

圖1為窯體模型結構示意圖。輥道窯溫度均勻器一般安裝在燒成帶中的輥上（或輥下）空間。安裝時先在燒成帶窯墻兩側開圓形的孔洞，再放入調節器， 最后將其位置調平，調節器伸出窯外通過金屬圓盤連接，其在窯墻間的空隙用耐火棉填實，以防止漏氣。其中一端的圓盤通過軸承與軸承座固定，另一端圓盤通過軸承連接一手柄，調節器由兩根輥棒組成。通過手柄調節改變裝置上兩輥棒在窯內的相對位置，改變窯內氣流流動狀態，從而改變溫度分布，達到均勻窯溫的目的。

2 物理結構模型及網格劃分

2.1物理結構模型的簡化

本文主要是研究輥道窯燒成帶內垂直放置溫度均勻器后，溫度均勻器對窯內附近空間煙氣溫度場的影響。因此，窯體物理模型的長度只需在一、兩節窯長范圍內選取即可，而模型的高度和寬度以一般輥道窯的內高和內寬選取。本文中窯體模型結構尺寸為：長×內寬×內高=4000mm×2500mm×800mm。另外，考慮到窯內制品除離兩側窯墻有一定的間距（一般為100～200mm）外，它們之間的縱向和橫向間隙很小，故可將其簡化為一塊長為窯長，寬為窯內寬減去兩倍離窯墻間距的制品大整體，將窯內氣流空間分成輥上、輥下兩部分，其尺寸為：長×寬=4000mm×2300mm。由于溫度均勻器裝置中除輥棒外，其他部件對研究窯內氣體流場沒有任何影響，故模型中其他部件可忽略。均勻器輥棒結構尺寸為：長×直徑=2500mm×50mm。經合理簡化后，加入溫度均勻器后的窯體模型結構如圖2所示。

2.2網格劃分

模型計算區域采用四面體非結構網格。窯內煙氣經過溫度均勻器的輥棒時會發生繞流，附近煙氣速度場較大變化會導致溫度場的變化。為了更合理地模擬放置溫度均勻器后煙氣的溫度場，先對兩輥棒四個圓端面的圓周曲線生成線網格，然后再生成體網格，實現對輥棒周圍的網格局部加密，最后生成的網格總數為171029個。

3 窯內流動與換熱的數學模型

窯內流動與換熱的數學模型主要由基本控制方程、模型方程和邊界條件等組成。另外，由于燒成帶溫度高（一般大于900℃），輻射換熱占較大比例，故能量方程中的輻射源項S需要用輻射模型來模擬。

3.1基本控制方程

3.2紊流粘性模型和熱輻射模型

紊流粘性模型采用標準κ-ε兩方程紊流模型，該模型簡單且計算方便，目前廣泛應用在工程數值模擬計算中。紊流動能κ和紊流動能耗散率ε分別由下面輸運方程（4）、（5）計算得到。另外，紊流粘度可表示成和的函數，即方程（6）。

其中：C=0.09，c1=1.44，c2=1.92，[k=1.0，\\]=1.3。由于模型的幾何結構不是很復雜，故熱輻射模型采用計算機內存耗費不大且計算精度又能保證的P-1輻射模型，其模型方程如方程（7）：

3.3邊界條件和數值方法

3.3.1邊界條件

入口邊界條件：給定煙氣的流速（按經驗設為0.2m/s）和溫度（t=1200℃）。出口邊界條件：給定煙氣的表壓（按經驗設為3Pa）和溫度（t=1190℃）。壁面及磚坯的邊界條件：壁面和磚坯的流動條件設定為無滑移邊界條件。輥道窯燒成帶一般都采用隔熱保溫效果好的輕質耐火材料，故窯內壁熱邊界條件可設為絕熱條件;而制品的設為熱耦合熱邊界條件，只需設定一個參數：磚坯內部發射率（取ε=0.9）。

3.3.2數值方法

方程求解采用SIMPLEC方法。為增加計算精度，選用二階迎風格式作為控制方程的離散格式，其中各方程的松弛因子采用默認值。所有參數設定完畢后，最后對方程迭代求解。

4 計算結果與分析

4.1垂直放置溫度均勻器前后窯長方向的速度和溫度分布

輥上空間垂直放置溫度均勻器后，沿窯長方向的煙氣流速較放置均勻器前的流速要小一點，但流速分布卻比放置溫度均勻器前的要均勻得多。這主要是因為輥上放置溫度均勻器后，當煙氣沿窯頭方向流動經過均勻器輥棒時，煙氣接觸均勻器輥棒后發生繞流。在輥棒的后半部分，煙氣的流動處在減速增壓區，附面層發生分離，由于燒成帶煙氣流動為紊流，在輥棒的后端形成兩個旋轉方向相反的相對旋渦，并且不斷地交替釋放出來。從圖4的速度分布圖中看到，旋渦對周圍的煙氣產生不同程度的擾動，在輥棒后半部分煙氣的下游附近，擾動尤為明顯，這使得煙氣之間和煙氣與制品之間的對流換熱得到進一步的加強，可以縮短燒成時間。另一方面，由于溫度均勻器對煙氣的擾動，使得窯內煙氣的流速和溫度分布更均勻，這對制品的受熱均勻、減少色差和變形等缺陷是有好處的。

4.2垂直放置溫度均勻器前后窯橫斷面速度和溫度分布

由于煙氣沿窯寬和窯高方向的流動受兩側窯墻、窯頂和制品的限制，當煙氣流經均勻器輥棒發生繞流時，產生的氣流旋渦對煙氣在這兩方向上的流動干擾更劇烈，使得均勻器附近斷面上的溫度和速度分布較放置均勻器前更均勻，有效地減小了窯寬方向上的溫差，這對減少沿窯寬方向上的制品色差等燒成缺陷是有幫助的，尤其是寬斷面輥道窯中的制品和大規格制品。另外，因制品離窯兩側的間距較窯內寬小很多，輥道空間被制品分成上下兩個連通性較小的氣流空間，結果均勻器對輥下空間煙氣的溫度和速度分布影響較小。因此，為了加強制品下表面氣流與制品之間的對流換熱和斷面溫度的均勻性，可在輥下也放置均勻器。但均勻器放置較多會增大煙氣的流動阻力，加大排煙設備的動力消耗，因此放置的均勻器數量要適當，不可過多。

由于煙氣經過均勻器輥棒發生繞流產生的旋渦強度有限，它只能對周圍一定距離煙氣的速度和溫度起到比較明顯的均勻作用，而對離它較遠的氣流速度和溫度分布影響很小。

5 結 論

（1）數值模擬結果反映了垂直放置溫度均勻器前后窯內溫度場的變化和均勻器對不同方向溫度和速度分布的影響；

（2） 放置均勻器后，煙氣流過均勻器發生繞流產生的旋渦對周圍的煙氣擾動劇烈，加強了煙氣之間和煙氣同制品之間的對流換熱，同時還使得窯內附近煙氣的速度和溫度分布更均勻，有助于減少色差等燒成缺陷；

（3） 由于繞流產生的氣流旋渦強度有限，均勻器只能對周圍一定距離的煙氣速度和溫度起到比較明顯的均勻作用，而對離它較遠的煙氣速度和溫度分布影響很小；

（4） 為了加強制品下表面氣流與制品之間的對流換熱和斷面溫度的均勻性，可在輥下也放置均勻器。但均勻器放置較多會增大煙氣的流動阻力，加大排煙設備的動力消耗，因此放置的均勻器數量要適當，不可過多。

參考文獻

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