熱風(fēng)爐出風(fēng)嘴優(yōu)化設(shè)計(jì)

林 杉，高 文，尹識謀，夏 晶

(中國電科第43研究所-合肥恒力裝備有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

熱風(fēng)爐進(jìn)出口結(jié)構(gòu)、加熱件熱物性對于加熱件本身升溫速度和溫度均勻性有著明顯影響。利用仿真軟件建立熱風(fēng)爐數(shù)值模型，并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。通過數(shù)值模型分析不同工況下加熱件的溫度變化情況和爐體內(nèi)流場分布，為熱風(fēng)爐出風(fēng)嘴的設(shè)計(jì)方案提供參考[1]。

1 模型建立

1.1 物理模型

環(huán)境條件如圖1所示。

爐內(nèi)起始溫度為500℃，產(chǎn)品起始溫度為100℃；熱風(fēng)從上往下吹，溫度 500℃，風(fēng)速 10 m/s；加熱件為陶瓷材料，熱物性見表1。

表1 加熱件熱物性參數(shù)表Tab.1 Heater thermal property parameter table

加熱體從上至下存在方形孔，網(wǎng)格尺寸1.5 mm×1.5 mm，壁厚0.2 mm。加熱件導(dǎo)熱率未知，通過條件1下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

為了方便敘述，將升溫曲線分為三段。以測溫點(diǎn)3為例，試驗(yàn)開始時，熱量還未傳導(dǎo)至測溫點(diǎn)，該點(diǎn)溫度基本不變，為起步段；當(dāng)熱流來向的加熱件溫度升高以后，測溫點(diǎn)3得熱增多，溫度快速上升，為上升段；當(dāng)溫度較高以后，測溫點(diǎn)3得熱減少，溫度變化減緩，緩慢上升至500℃，為穩(wěn)定段[3]。利用校驗(yàn)后的模型仿真不同條件下，加熱件的溫度變化情況和爐體內(nèi)流場分布，不同工況如下圖3所示。

模型中加熱件為分布均勻的實(shí)心固體，孔隙對傳熱的影響通過改變熱物性及邊界條件模擬。針對熱風(fēng)爐建模并劃分網(wǎng)格，由于加熱體周圍溫度梯度大[4]，流場變化快，針對加熱體附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，如圖4所示。

加熱件軸向即為計(jì)算域的Y向，徑向在計(jì)算域X0Z平面上。

1.2 物性參數(shù)及邊界條件

（1）比熱容

加熱件為多孔結(jié)構(gòu)，孔邊長 1.5 mm，壁厚0.2 mm，孔隙率 75%左右；堇青石比熱容約為1000 J/kg*K，考慮到加熱件兩頭孔隙率更小，等效比熱容取300 J/kg*K。

（2）加熱件邊界條件

加熱件側(cè)面為光滑表面，不做特殊處理；加熱件上表面有氣流通過，加熱件上表面通過的熱流包括對流傳熱及氣流帶入的熱量，所以上表面等效對流傳熱系數(shù)應(yīng)遠(yuǎn)大于實(shí)際對流傳熱系數(shù)，通過擬合曲線確定等效對流傳熱系數(shù)[5]。加熱體下表面為熱風(fēng)尾流，加上底部風(fēng)扇，傳熱系數(shù)較小。

以輸入?yún)?shù)的條件 1為例，通過調(diào)整參數(shù)確定各面等效傳熱系數(shù)，見表 2；其他條件的傳熱系數(shù)以條件1參數(shù)為基礎(chǔ)隨工況變化。

表2 條件1加熱件各面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Tab.2 Condition 1 heat transfer coefficient on each side of heating element

（3）導(dǎo)熱率

考慮多孔材料的特性，加熱件的徑向和軸向?qū)崧嗜〔煌担簭较蛉】諝夂筒牧系牡刃?dǎo)熱率；軸向上考慮材料、空氣的等效導(dǎo)熱率以及氣流流動的傳熱。

2 驗(yàn)證模型—條件1

針對多孔材料特性建立導(dǎo)熱率各向異性且隨溫度變化的模型，導(dǎo)熱率詳情如下。

表3 軸向(y方向)導(dǎo)熱率隨溫度變化情況Tab.3 Axial (y direction) thermal conductivity changes with temperature

400℃—500℃之間，需要考慮氣流流動及陶瓷燒結(jié)完成時的熱物性變化，導(dǎo)熱率變化較大，確定導(dǎo)熱率的迭代過程。利用確定好的參數(shù)體系仿真條件1的工況下加熱件溫度變化曲線[6]。

2.1 溫度場仿真結(jié)果

不同時間點(diǎn)爐內(nèi)溫度分布如下圖5所示，產(chǎn)品的中心溫度隨著時間的推移越接近爐內(nèi)溫度，在18 min左右接近于爐內(nèi)溫度。

2.2 風(fēng)速場仿真結(jié)果

T=10 min，爐體內(nèi)風(fēng)速矢量及風(fēng)速云圖如圖6和圖7。

3 驗(yàn)證結(jié)果

T=5 min時，測溫點(diǎn)1溫度為475℃，T=10 min時，測溫點(diǎn)2溫度為450℃，T=18 min時，測溫點(diǎn)3溫度為500℃。測溫點(diǎn)1、2、3到達(dá)450℃的時間分別為1.15 min、10.48 min及12.12 min。

仿真模型與試驗(yàn)結(jié)果主要差距為：仿真中，溫度點(diǎn)1在初始段緩慢變化的過程很短，與試驗(yàn)結(jié)果不符，可能是材料存在結(jié)晶水等氣化吸熱，溫度變化較慢。加熱過程中，各測溫點(diǎn)之間、測溫點(diǎn)與氣流之間均存在溫差，無法在加熱過程中達(dá)到 500℃，各點(diǎn)到達(dá)穩(wěn)定溫度的時間與試驗(yàn)結(jié)果不同[7]。

利用模型仿真不同條件下各測溫點(diǎn)溫度變化曲線，得到各點(diǎn)到達(dá)450℃的時間，如下表4所示。

表4 各測溫點(diǎn)到達(dá)450℃時間Fig.4 Time for each temperature measurement point to reach 450℃

4 結(jié)論

六種工況中，條件4中各點(diǎn)升溫速度最快。仿真結(jié)果表明，通過改變出風(fēng)嘴風(fēng)道，將氣流集中后射向加熱件上端面的中心點(diǎn)附近，可以有效提升加熱速率。對熱風(fēng)爐腔體的設(shè)計(jì)提供了有效參考。