隧道窯間壁換熱流動及傳熱特性的數值研究

全俊威 辛林斌 孫健

摘 要：間壁換熱結構是隧道窯緩冷段的重要結構，進一步了解其流動和傳熱能力具有重要意義。為了研究隧道窯間壁內流動及傳熱特性，建立了隧道窯間壁的三維物理和數學模型。并采用計算流體力學（CFD）軟件對其進行了數學模擬，研究了分層間壁結構、分層通道的大小和位置、內壁溫度、出口抽力等因素對間壁換熱流動及換熱特性的影響。結果表明，分層結構間壁可以有效提高換熱效率，其中M3-1的換熱性能最佳;在分層間壁層數一定的情況下，分層通道的大小和位置對于間壁整體的換熱性能影響不大;隨著風機抽力的增大，間壁換熱效果更佳，但間壁的分層結構對于換熱效果的影響降低，不同分層結構的間壁熱風出口溫差變小。

關鍵詞：隧道窯;間壁結構;傳熱

1 引 言

隧道窯是陶瓷生產中一種不可或缺的連續式燒成設備，在燒制一些體型較大的陶瓷，如衛浴、大型花瓶等制品方面有著獨特的優勢。間壁換熱結構作為緩冷段一種重要調整手段，對于陶瓷制品冷卻，尤其是大型制品冷卻有著較為關鍵的作用。但是長期以來，研究人員和窯爐操控者對于間壁換熱的重視程度不高，在制品冷卻方面，更多的研究集中在制品的碼放方式及密度，抽熱風口位置的布置等方面，對于隧道窯間壁換熱方面的研究較少[1～2]。

本文通過對某陶瓷隧道窯的間壁換熱的尺寸及部分熱工參量進行了測定，利用計算流體動力學軟件FLUENT，對換熱器內部的流場和溫度場進行了數值模擬。根據模擬結果得到熱風出口溫度，間壁內流速等參量及計算區域內的質點速度矢量圖、溫度場云圖等。綜合分析，符合流體流動和傳熱規律，并在此基礎上提出了間壁結構的優化，有效提高了間壁換熱的換熱性能，同時可以在一定程度上提高窯爐熱效利用率[3～5]。

2 物理模型的建立

本文選取了陶瓷隧道窯緩冷段的一節窯墻作為研究對象，模型結構的尺寸：長×寬×高=4250×1780×454 （mm），間壁的結構尺寸=3850×1005×230 （mm）。如圖1-a所示，其中圖案填充部分為窯墻，空白部分為間壁換熱流動區域。如圖1-b所示為間壁的三維模型圖，窯墻由四種耐火材料砌筑而成，由內及外所用耐火材料及耐火材料厚度分別是，輕質高鋁磚114 mm，輕質黏土磚230 mm，耐火纖維氈100 mm，硅鈣板10 mm。在間壁工作時，冷空氣由窯墻外壁上的冷空氣入口被吸入，在間壁內完成熱交換后由抽熱風機經由熱空氣出口抽出。

為了探究分層間壁結構對于間壁內流體流動及換熱特性的影響，在圖1間壁的基礎上，保持間壁的體積，窯墻材料及進出口面積，位置不變的情況，設計了兩種不同的分層間壁結構，即圖2-a、2-b和圖3-a、3-b所示。同時為了探究分層通道的大小及位置對于分層間壁內流體流動及換熱特性的影響，在圖2-a、2-b和圖3-a、3-b所示分層間壁的基礎上，提出了圖2-c、3-c和3-d三種間壁結構。為了方便后續對于模型的論述及分析，后文將用“MX-X”代表不同間壁模型，“M1”代表模型一的間壁結構，整個間壁不分層，即圖1所示;“M2”代表模型二的間壁結構，如圖2所示，整個間壁分為兩層，其中圖2-a和2-b所示的結構為M2-1，圖2-c所示結構為M2-2;“M3”代表模型三的間壁結構，如圖3所示，整個間壁分為三層，其中圖3-a和3-b所示的結構為M3-1，圖3-c所示結構為M2-2，圖3-d所示結構為M3-3。

3 間壁換熱的數學描述

3.1? 控制方程

進行數值模擬時，簡化計算模型并做出假設：

（1）對于穩定運行的隧道窯，窯內溫度場和速度場不隨時間變化，研究其穩定狀態下間壁內溫度場和速度場分布。

（2）流體為不可壓縮牛頓流體，耐火材料的導熱系數及比熱容為定值或與溫度成一次線性關系、無內熱源，具體物性參數如表1所示。

（3）在工程問題中利用空氣對流進行強制換熱時均為湍流流動，在本研究中空氣在間壁內的流動也為三維穩態湍流運動。

迪卡爾直角坐標系三維定常不可壓湍流流動控制方程如下[7～8]：

其中，i，j=1，2，3，分別表示表示坐標軸x，y，z方向;Fi 為體積力;T 為溫度;ρ，μ，λ，Cp 分別為流體密度、運動黏度、導熱系數、比熱。

本文計算模擬采用Realizable k-ε模型進行模擬，也使用了壁面函數。為使模型的控制方程容易進行分析計算，即建立其通用形式，通用方程的表達式如下[6]。

式中：? ? 是通用變量。可代表u、v、w、T等求解變量;? ? 是廣義擴散系數; S是廣義源項。

Realizable k-ε模型中的k 和ε 的方程如下：

3.2? 邊界條件

在計算中，除窯墻內外壁面外，其余窯墻外壁面均視為絕熱壁面。

3.3? 網格劃分和模型的求解

3.3.1 網格的劃分

采用控制容積法將控制方程離散化，用ANSYS ICEM軟件繪制網格。圖4為計算模型整體網格，采用六面體結構化網格。為了使得計算結果更加準確，對流體進口，出口及整個流體域進行加密處理。如圖4-b所示，由于窯墻材料厚度跨度較大，窯墻最外層材料僅有10 mm，為了保證網格質量和計算結果的準確性，在Z軸方向網格劃分時對該部分也進行了加密處理，加密結果如圖4-c所示。

3.3.2 模型的求解

選用不可壓縮粘性流體的三維、穩態、湍流流動與傳熱模型作為間壁內流體流動和傳熱的物理模型。數學模型中的控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程。利用FLUENT軟件對間壁內流場及溫度場進行數值模擬，模擬采用3D雙精度求解器，湍流模型選用Realizable k-ε雙方程模型，壓力修正選用SIMPLE算法，除湍流能量和湍流耗散率選用一階迎風式外，其余各項均采用二階迎風式。當連續性方程、動量方程和能量方程變量殘差均小于且不發生變化時，認為計算收斂。

3.3.3 邊界條件及物性參數的設置

本文選取了隧道窯緩冷段的一段窯墻進行研究，因此除了窯墻內外壁面外，窯墻側面全部設定為絕熱邊界層。同時，為了使得模擬更加準確，將熱空氣出口設置為壓力出口邊界條件，冷空氣進口設置壓力入口邊界條件。模型中所涉及的材料物性參數如表1所示。

4 數值模擬與結果分析

為了探究分層通道的大小和位置對于同一種分層間壁換熱流動及傳熱特性的影響，本文對M2和M3兩種分層間壁的四個結構在內壁溫度為773K的工況下進行了數值計算，表2是不同結構模型的熱風出口溫度。對于M2模型而言，M2-1和M2-2溫差始終約為1 K，分析其原因是當間壁層數為兩層時，開口的大小和位置對于間壁內流體流動的擾流效果并不明顯，因此換熱效果基本一致;對于M3結構而言，M3-1、M3-2和M3-3三者溫差約在3～4K，其中M3-3模型換熱效果最佳，M3-1和M3-2換熱效果基本一致。綜合考慮換熱效果和窯爐的施工砌筑，M2-1和M3-1結構較為簡單，且換熱效果也較好，是同一分層結構中的最優結構。

4.1? 溫度場分析

如圖5所示，是M1、M2-1和M3-1模型在抽力為100 Pa，內壁溫度為773 K 工況下，間壁中心的溫度云圖。圖5-a可以看出M1模型的間壁中心溫度分布較為均勻，在靠近出口上部的溫度較高約在330 K，其他大部分區域溫度約為315 K，溫度最低的位置在靠近冷空氣入口位置，間壁的平均溫度;從圖5-b可以看出M2-1模型的換熱效果較好，間壁中心大部分區域溫度約為320 K，比M1模型中心溫度高出約5 K。間壁的高溫區域在上層間壁的最左側，間壁內最大溫差約為25 K，間壁的平均溫度;圖5-c和5-d可以看出M3-1模型的溫度分布均勻，上中下三層沒有明顯溫差，僅在上層靠近出口的位置溫度較高，比其他位置高出約10 K，間壁的平均溫度。由此可以得出，M3-1結構的間壁，換熱性能最好，換熱均溫性也最好。

4.2? 流場分析

如圖6所示，是M1、M2-1和M3-1模型在抽力為100 Pa，內壁溫度為773 K工況下，間壁中心的流場圖。從圖6-a可以看出M1的流場整體流速較小，空氣擾動也不明顯，僅在流場的中上部，出現兩個速度較低的小型渦流;從圖6-b可以看出M2-1流場較M1而言更為復雜，流場中出現了多個渦旋區，空氣擾動較為明顯。同時由于分層結構的影響，流體在通過分層通道時，流速明顯增大，進一步加強了空氣擾動;從圖6-c和6-d可以看出M3-1流場的流速整體分布較為均勻，沒有出現較為明顯的渦流區和低速區，流速相較與M1、M2-1也明顯較大。從流場的流速大小和速度分布的綜合情況可以看出，M3-1的流場更加穩定且流速更大，進一步證明M3結構性能優于其它兩種結構，這與溫度場分析結論一致。

4.3? 換熱性能分析

如圖7，8所示，是M1、M2-1和M3-1模型在不同工況下，熱風出口溫度和間壁內平均努賽爾數隨風機抽力的變化情況。隨著風機抽力的增大，平均努塞爾增數大，間壁的整體換熱效果更佳，但是由于流量的增大，導致熱風出口溫略有下降;同時三種模型之間的平均努塞爾數和熱風出口溫度之間的差值不斷變小，這是因為隨著風機抽力的不斷增大間壁內的紊流程度不斷增強，間壁的分層結構對流體擾動的影響逐漸變小。

從熱風出口溫度來看，在相同的壁溫和風機抽力的工況下，M3-1結構的間壁熱風出口溫度高于M1和M2-1結構的間壁熱風出口溫度;對于M2結構的間壁，內壁溫度為973 K和773 K時，其換熱性能較M1更佳;當內壁溫度為573 K時，其換熱效果與M1基本一致。

5 結? 論

通過對隧道窯間壁換熱內部溫度場和流場數值模擬結果的分析可以得出以下結論：

（1）分層結構間壁可以有效增強間壁換熱效果，其中三層結構的M3-1間壁模型換熱效果最優，熱風出口溫度較M1結構間壁提高了約20K。

（2）在分層結構一定的情況下，改變分層通道的位置和大小對于間壁換熱的整體換熱效果影響不大，熱風出口溫差約在3K。

（3）風機抽力對換熱效果有著顯著影響，當風機抽力從80Pa增大至16Pa時，熱風出口溫差由最大近20K減小至約1K，此時間壁的分層結構對于間壁換熱效果的影響較小。

參考文獻

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[2] 許寧，王雪峰，張柱銀，王君，黃建軍，肖慧，郅曉.隧道窯冷卻帶流-固耦合散熱數值模擬[J].中國陶瓷工業，2016，23（02）：26-30.

[3] 李杰，胡國林，孫健，朱永紅.某隧道窯煙氣換熱器換熱性能的研究[J].陶瓷學報，2013，34（04）：482-486.

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[7] 《數值傳熱學》陶文銓編著.數值傳熱學[M]. 西安交通大學出版社 ， 2001

[8] 楊世銘， 陶文栓. 傳熱學[M]. 北京： 高等教育出版社，2006.