熱風爐出風嘴優化設計

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

熱風爐進出口結構、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爐數值模型，并用試驗結果進行校驗。通過數值模型分析不同工況下加熱件的溫度變化情況和爐體內流場分布，為熱風爐出風嘴的設計方案提供參考[1]。

1 模型建立

1.1 物理模型

環境條件如圖1所示。

爐內起始溫度為500℃，產品起始溫度為100℃；熱風從上往下吹，溫度 500℃，風速 10 m/s；加熱件為陶瓷材料，熱物性見表1。

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

加熱體從上至下存在方形孔，網格尺寸1.5 mm×1.5 mm，壁厚0.2 mm。加熱件導熱率未知，通過條件1下的試驗結果進行校驗，試驗結果如圖2。

為了方便敘述，將升溫曲線分為三段。以測溫點3為例，試驗開始時，熱量還未傳導至測溫點，該點溫度基本不變，為起步段；當熱流來向的加熱件溫度升高以后，測溫點3得熱增多，溫度快速上升，為上升段；當溫度較高以后，測溫點3得熱減少，溫度變化減緩，緩慢上升至500℃，為穩定段[3]。利用校驗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。針對熱風爐建模并劃分網格，由于加熱體周圍溫度梯度大[4]，流場變化快，針對加熱體附近網格進行加密，如圖4所示。

加熱件軸向即為計算域的Y向，徑向在計算域X0Z平面上。

1.2 物性參數及邊界條件

（1）比熱容

加熱件為多孔結構，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應遠大于實際對流傳熱系數，通過擬合曲線確定等效對流傳熱系數[5]。加熱體下表面為熱風尾流，加上底部風扇，傳熱系數較小。

以輸入參數的條件 1為例，通過調整參數確定各面等效傳熱系數，見表 2；其他條件的傳熱系數以條件1參數為基礎隨工況變化。

表2 條件1加熱件各面傳熱系數Tab.2 Condition 1 heat transfer coefficient on each side of heating element

（3）導熱率

考慮多孔材料的特性，加熱件的徑向和軸向導熱率取不同值：徑向取空氣和材料的等效導熱率；軸向上考慮材料、空氣的等效導熱率以及氣流流動的傳熱。

2 驗證模型—條件1

針對多孔材料特性建立導熱率各向異性且隨溫度變化的模型，導熱率詳情如下。

表3 軸向(y方向)導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完成時的熱物性變化，導熱率變化較大，確定導熱率的迭代過程。利用確定好的參數體系仿真條件1的工況下加熱件溫度變化曲線[6]。

2.1 溫度場仿真結果

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

2.2 風速場仿真結果

T=10 min，爐體內風速矢量及風速云圖如圖6和圖7。

3 驗證結果

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

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

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

表4 各測溫點到達450℃時間Fig.4 Time for each temperature measurement point to reach 450℃

4 結論

六種工況中，條件4中各點升溫速度最快。仿真結果表明，通過改變出風嘴風道，將氣流集中后射向加熱件上端面的中心點附近，可以有效提升加熱速率。對熱風爐腔體的設計提供了有效參考。