衛生瓷隧道窯通過窯車漏風量的計算機仿真

楊根華 胡國林 胡亮

（1.景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333000；2.江西金輝鍋爐制作有限公司，江西新干331300）

1 引言

隧道窯是陶瓷生產中普遍應用的重要熱工設備，然而，由于隧道窯的運載工具為活動的窯車，它們之間的間隙及窯車與窯體間的間隙，不可避免地會造成漏入漏出風，從而影響隧道窯的燒成工況，也就直接影響到陶瓷產品的質量和能耗。本文通過對衛生瓷隧道窯的漏氣量的計算機仿真，分析并找出影響隧道窯漏氣量的因素，以期在一定程度上指導陶瓷窯爐改進，實現陶瓷生產的低能耗、低成本、高效率。

2 仿真對象與簡化假設

本文選取山東某廠年產110萬件衛生瓷的隧道窯作為研究的仿真對象，該窯尺寸參數如下：

全窯共長為110m，分為55個標準節，每節長2000mm。根據燒成曲線，預熱帶取17節，燒成帶取16節，冷卻帶取22節，則各帶長及其比例為：

預熱帶長=2×17=34（m），占總長的34/110=30.9％

燒成帶長=2×16=32（m），占總長的32/110=29.1％

冷卻帶長=2×22=44（m），占總長的44/110=40.0％

窯內寬B為3600mm，制品裝載尺寸為：寬×高=3400× 760mm；制品離兩側窯墻尚有100mm。寬體窯應采用吊頂結構，窯車臺面距棚板面高300mm，為避免上部燒嘴火焰直接沖擊制品，考慮到上部燒嘴的安裝尺寸，制品裝載頂面離窯頂內表面取239mm，因此，窯內高為：300+760+239=1299mm

為保證模擬結果可靠而不致失真，我們進行如下簡化假設：

（1）盡管實際生產中，隧道窯各車位的車封、曲封和沙封的嚴密程度（氣密性）是不同的，為了簡化，在模擬時我們假設全窯各車位氣密性相同，而且恒定不變。

（2）將燒成曲線簡化為幾個關鍵溫度點的折線關系，其他時刻的溫度與時間成線性關系，該線性關系的兩端點由它所處時刻的兩個相鄰的關鍵溫度點確定。

（3）窯車接縫由兩條曲折的邊組成，簡化為以窯內寬為其長，其間隙寬為寬的窯車接縫；曲封與沙封則簡化為以窯長為其長，設定一個當量寬代表其寬的縫隙。

3 數學模型的建立[1]

一般地說，隧道窯預熱帶處于負壓，燒成帶處于微正壓，冷卻帶處于較大的正壓。當無壓強平衡系統時，車下空間壓強視為1個大氣壓，即車下表壓為零壓。此時預熱帶壓強小于窯車下壓強，窯車兩側沙封及窯車接縫處并不嚴密，車下空氣會漏入窯內；而燒成帶特別是冷卻帶壓強大于車下壓強，因而窯內熱氣體將通過沙封及窯車接縫處向車下泄漏。

隧道窯窯車接縫和沙封漏氣量的模擬應當區別開來。窯車接縫系橫向縫隙，窯車上下壓差對每一條接縫來說是常數；而曲封和沙封系縱向縫隙，窯車上下壓差隨窯長而變，而且阻力性質也不相同。然而窯車接縫和沙封漏氣都有一個共同的特點，就是漏氣不論從里到外，還是從外到里，都是垂直流動。因此，在模擬時應顧及到幾何壓頭對流動的作用。

根據氣體力學原理，第i車位窯車接縫處的漏風阻力為：

式中，ρa0、ρf0為外界空氣及漏風的標態密度，kg/Nm3）；Ta為外界空氣溫度，K；H為窯車接縫厚度（m），g為重力加速度（m/s2）。

綜合（1）（2）式，第i車位窯車接縫處的上下壓差為：

均溫度，K。

考慮到窯車接縫中的幾何壓頭：

由（3）式可求出第i車位窯車接縫處漏風量：

對于窯車兩側曲封和沙封的漏風，由于沿窯長方向窯內壓強是變化的，因此窯車上下壓差不是常數而是變量，需用積分方法計算漏風量。其次，窯車兩側裙板埋入沙封深淺很難確定，而且沙封的沙粒的顆粒組成、形狀以及堆積的緊密程度也都是難于確定的。可以簡化假設為窯車裙板距沙封表面有一當量距離。此距離形成的阻力等價于裙板埋入沙封中的阻力。取第i車位在距窯車接縫x處dx長，其阻力為：

考慮到窯車側面的幾何壓頭

同理，可由（6）、（7）式得出第i車位距窯車接縫x處dx長的沙封漏風量為：

對于一個窯車位（長L）窯內壓強可視為線性變化，即：

于是有：

通過積分可得第i車位兩側沙封總漏風量為：

即：

式中

式中，曲封與沙封漏風阻力系數可按下式近似計算：

式中，δs為沙封當量縫隙寬度，m，一般可取經驗數據0.003；δ為曲封縫隙寬度，m。

4 程序設計[2-3]

根據建立的漏風量數學模型編程如圖1。

圖1 程序流程圖Fig.1 Programm ing process

5 仿真結果與分析

其他條件保持不變，分別模擬出在曲封間隙大小20mm，30mm，40mm的三種情況下窯內的漏氣量，如圖2所示（負的表示從窯內漏出熱風）。

從圖2可以看出，隨著曲封大小的增大，同一車位的總漏風量也增大，從窯頭到預熱帶結束，車位漏風量是減小的，而在燒成帶的車位漏風量基本上變化不大，而且漏出的風量也相對較小。這樣的模擬結果與實際測量的漏風量是基本相符的。將預熱帶各車位通過沙封和曲封漏入風總量和燒成帶漏出風總量模擬結果示于表1。

從上面的模擬結果可以看出，曲封間隙改變對漏入漏出的風量影響比較大，該窯的理論空氣量及理論煙氣量均約為3100～3500Nm3/hr，當曲封間隙較大時，從預熱帶漏入風總量可達排出煙氣量的2/3以上，不僅造成預熱帶的上下溫差，還大大增加了能耗。因此，選擇合適的耐火材料，精心施工，控制窯體曲封與窯車間的間隙，以減少隧道窯漏風，達到改善窯內斷面溫度均勻性、節能的目的。

表1 不同曲封間隙的漏風總量Tab.1 Totalair leakage volume dependent on the sizeof the gap between the car and the kiln wall

圖3顯示的是不同壓力制度下窯內各車位漏入氣體量。圖上壓強制度1指的是窯內料垛阻力為1pa/m，2是窯內料垛阻力為1.5pa/m，3是窯內料垛阻力為2pa/m，零壓點均取在預熱帶與燒成帶分界處。

如圖3所示，隨著料垛阻力的增加，預熱帶的負壓也增大，同一車位的漏入風量也隨著負壓的增大而增大，這個趨勢也與實際的相符。比較圖2和圖3還能看出，料垛阻力的改變相比曲封間隙大小的改變對漏入風量的影響更顯著。因此，適當的稀碼以減少料垛阻力，是減少漏風量的關鍵。

6 結論

（1）漏入隧道窯預熱帶的冷空氣是產生預熱帶上下溫差的重要原因，建立合適的數學模型用計算機模擬方法來研究隧道窯的漏風是可行的。

（2）模擬結果表明，曲封間隙的大小是影響漏風量的重要因素，在窯爐的設計中應盡量減小曲封間隙，選擇硬質曲封材料，高質量地施工，以盡量減少漏入預執帶的冷風及燒成帶漏出的熱風，起到節能的效果。

（3）適當的稀碼以減少料垛阻力，從而減小預熱帶的負壓，可以顯著減少漏風量，對改善隧道窯的工作狀況起著關鍵性作用。

1宋耑，蔣欣之.陶瓷窯爐熱工分析與模擬.北京：中國輕工業出版社，1993

2龔沛曾，陸慰民，楊志強.Visual Basic程序設計教程.北京：高等教育出版社，2001

3蕭楓，堯遠.visualbasic實用技術精粹.北京：人民郵電出版社，1999