建筑裝飾玻璃窯爐蓄熱室的模擬優(yōu)化設(shè)計

崔 蒙

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

玻璃作為一種無機(jī)礦物材料在建筑裝飾、景觀設(shè)計、汽車制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，尤其隨著近些年來建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，玻璃的需求量也逐年攀升[1-3]。玻璃的制造工藝對于玻璃成品的質(zhì)量至關(guān)重要，20世紀(jì)70年代我國才開始自主掌握玻璃冶煉的工藝，建立玻璃燃燒系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，我國的玻璃產(chǎn)量及產(chǎn)品品質(zhì)已處于世界頂尖水平[4-5]。

玻璃窯爐是玻璃生產(chǎn)的主要冶煉設(shè)備，設(shè)計合理的玻璃窯爐對于降低玻璃成品中氣泡含量、提升窯爐的使用壽命、提高玻璃產(chǎn)量都有著很大的影響。近些年，隨著綠色環(huán)保理念的深入，如何使傳統(tǒng)的玻璃窯爐變得更加節(jié)能環(huán)保也成為相關(guān)研究的重點(diǎn)[6-7]。蓄熱室是玻璃窯爐進(jìn)行熱交換及熱循環(huán)的主要腔室，燃燒后產(chǎn)生的廢氣會在此進(jìn)行熱量的回收利用，因此對蓄熱室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是減少熱損耗的重要途徑。本文采用數(shù)值模擬方法對玻璃窯爐蓄熱室內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行模擬研究，以此為基礎(chǔ)為玻璃窯爐蓄熱室的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 計算模型與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

1.1 蓄熱室?guī)缀文Ｐ?/h3>

圖1為蓄熱室的平面結(jié)構(gòu)示意圖，蓄熱室從上到下可以分為三個部分：頂部腔室、格子磚蓄熱體、底部腔室[8]。工作原理是：由玻璃窯爐內(nèi)產(chǎn)生的高溫廢氣由上而下通過小爐口和空氣、燃?xì)馔ǖ肋M(jìn)入蓄熱室，將蓄熱室內(nèi)的格子體加熱，格子體被逐漸加熱，當(dāng)熱量積蓄到一定程度時將進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換，助燃空氣和燃?xì)庥上露辖?jīng)蓄熱室底煙道進(jìn)入蓄熱室時，蓄熱室內(nèi)的格子體用積蓄的熱量來預(yù)熱空氣和煤氣，此時格子體的溫度逐漸降低。蓄熱室工作時，來自于煙氣和空氣交換所產(chǎn)生的熱量會在中間的格子轉(zhuǎn)處進(jìn)行熱傳導(dǎo)和蓄熱，這樣可以保證熱量均勻傳導(dǎo)、減少散熱損失。整個蓄熱室設(shè)置有兩對進(jìn)口和出口分別對接燃燒室和煙氣室。整個蓄熱室高度大約11.66 m。

圖1 蓄熱室平面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

建立蓄熱室的幾何模型，采用ANSYS自帶的建模和網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型整體采用混合網(wǎng)格，在窯爐上下腔室與格子磚接觸部分對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。圖2為蓄熱室的幾何模型和網(wǎng)格劃分圖。

圖2 幾何模型及網(wǎng)格劃分圖

2 模擬結(jié)果與分析

圖3為空氣流動下和廢氣流動下腔室內(nèi)溫度分布云圖，從圖3中可以看出整個蓄熱室中頂部的溫度較高(1 500 K)，越往下溫度呈梯度的下降。氣體在熱量作用下向上，燃燒后產(chǎn)生的煙氣粉塵會再次通過底部腔室進(jìn)入到燃燒室內(nèi)進(jìn)行熱量的再次利用。

圖3 空氣流動下和廢氣流動下腔室內(nèi)溫度分布云圖

圖4顯示了典型腔室結(jié)構(gòu)的空氣和廢氣的流動軌跡圖，從圖4中可以清楚地看到蓄熱室內(nèi)部的垂直方向流動是如何進(jìn)行。以流場的壓力值作為區(qū)分色填充于流線圖中即為壓力流線圖，從壓力流線圖不僅可以獲得流體的流動軌跡，同時可以清晰判別不同位置處氣體流動壓力。從廢棄和空氣的壓力流線圖可以看出在上下腔室廢氣的壓力梯度為120 Pa，空氣的梯度約為60 Pa。從空氣循環(huán)來看，整體腔室內(nèi)的流動是比較平穩(wěn)的，未出現(xiàn)強(qiáng)烈的回流和渦流現(xiàn)象，腔室內(nèi)出現(xiàn)的局部回流是由固體結(jié)構(gòu)引起的。在廢氣中循環(huán)，頂部壓力流線較為復(fù)雜，這種較強(qiáng)的再循環(huán)會破壞腔室內(nèi)流動均勻性。這就需要在蓄熱室的設(shè)計中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計穩(wěn)定其內(nèi)部的流場。

圖4 壓力和速度的流線圖

為了對蓄熱室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)理論的模擬，本文對蓄熱室的煙氣流動進(jìn)行了局部調(diào)整，如圖5所示。首先增加整個蓄熱式腔體的寬度，以保證氣體可以最大限度在流出排煙口時得到充分循環(huán)，降低助燃?xì)怏w的進(jìn)口速度，從而減弱煙氣對頂部的沖刷，最后增加格子體的布置密度，縮小格子體寬度，保證煙氣的交換更加均勻。由圖5可以看出，經(jīng)過調(diào)整后腔室內(nèi)的壓力和速度明顯更加均勻，其局部的高壓高速區(qū)域也在縮小，這對于熱量的有效分布收集、延長蓄熱室的使用壽命有著積極的意義。

圖5 腔室內(nèi)部優(yōu)化設(shè)計后速度和壓力云圖

本文采用數(shù)值模擬的方法對生產(chǎn)建筑裝飾玻璃的蓄熱室內(nèi)發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行研究，通過對溫度場、壓力場及流動軌跡的研究結(jié)果進(jìn)一步完成了對蓄熱室的優(yōu)化設(shè)計，從優(yōu)化后的模擬結(jié)果可以看出優(yōu)化后蓄熱室內(nèi)部壓力和氣體流速都更加均勻。