基于碼坯工藝的燒結磚流固耦合傳熱分析

王曉偉，任孟斌，林朵朵，牛景瑞

(山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

碼坯及磚坯預熱工藝是燒結磚生產過程中至關重要的工藝環節[1]，對生產裝備的控制及燒結磚質量具有決定性作用。其中，碼坯工藝決定了窯車可以承運的磚坯數量，并直接影響磚坯干燥效率與燒制質量，而坯垛碼法對窯內溫度、氣流分布以及傳熱面積等有著重大影響。當前，碼坯及磚坯預熱環節存在的問題主要是因碼坯工藝參數設置不合理而導致在預熱過程中坯垛內部出現較大溫差，當其進入焙燒帶后會產生急劇升溫，并造成磚坯內部結構破壞而出現裂紋[2]，不僅嚴重影響產品質量，而且造成資源浪費。

學者們一般采用相似模擬法或數值模擬法等方法對碼坯及磚坯預熱相關問題展開研究，ABOUZIYAN[3]建立了1∶4的燒結磚隧道窯空氣動力學實驗模型，研究了在恒定熱流通量情況下6種不同磚坯擺放形式的平均對流換熱系數和壓力損失；若松盈等[4]建立了1∶10比例尺的實驗隧道窯研究其熱力學模型，研究了城市煤氣在實驗隧道窯內部燃燒時氣體速度場以及溫度場的分布。王雪峰[5]利用流體仿真軟件Fluent模擬在隧道窯冷卻帶中不同風速、碼磚形式及不同孔隙率對磚塊流固耦合散熱的影響；晏云飛[6]基于Fluent數值模擬了燒結磚隧道窯冷卻帶氣固兩相流及燒成帶燃燒行為，研究在不同碼磚形式下冷卻帶粉塵濃度及燒成帶一氧化氮濃度變化；劉曉紅[7]根據隧道窯的實際運行狀況及蜂窩陶瓷的燒成要求確定了窯車的裝載方式，并利用Fluent軟件分析窯車在不同裝載層數時窯內溫度場的變化情況。目前，企業一般僅根據生產經驗微調碼坯形式，而就碼坯工藝對后期焙燒效果影響及溫度控制中準確數據的系統研究較少。

文章通過系統分析碼坯工藝過程中的編組、坯垛穩定、碼坯密度及氣流通道等關鍵質量控制因素，提出了相應的優化控制方法與措施，并以關于碼坯工藝質量控制的研究分析為基礎，運用Fluent軟件對兩種碼坯形式進行流固耦合傳熱的數值模擬研究，模擬坯垛不同結構、不同寬度氣流通道等對磚坯預熱效果的影響，根據模擬結果分析各坯垛單元的溫度場分布以及影響磚坯預熱效果的因素，并提出了減小磚坯預熱溫差的相關措施，為碼坯形式今后的結構改進提供指導。

1 碼坯關鍵工藝分析與質量控制方法

坯垛碼法對窯內溫度制度、氣流分布以及傳熱面積等有重要影響，合理設置碼坯工藝參數不僅可以提高磚坯預熱及窯燒質量而且還能提高生產效率、降低生產成本。

1.1 編組質量控制

磚坯編組是指通過編組裝置將切割成型的磚坯編排成與干燥、焙燒相適應的坯體方陣[8]。編組質量是影響碼坯質量及碼坯速度的關鍵因素，提高裝置的編組精度及其裝置與碼坯裝置的配合程度是提高碼坯質量和碼坯速度的重要舉措之一。

1.2 坯垛穩定性及提高措施

為使坯垛具有良好的穩定性，坯垛上、下層磚坯間應整齊劃一和交錯壓縫，保證氣流能在坯垛中暢通無阻的流動和坯垛上、下層磚坯之間受力面積大且受力均勻、接觸點平而穩[9]，其結構如圖1所示。

圖1 磚坯交錯壓縫示意圖

當坯垛層數較高時，為防止底部磚坯因承受壓力過大而造成壓裂并最終導致塌坯事故的發生，應先將濕坯碼放至底部磚坯能夠承受的層數，在自然環境中放置一段時間，使其脫去部分水分，在強度增加后繼續在其上部碼放磚坯至最終所需層數[10]。若坯垛層數較高且各垛體間距離較小時，為了提高坯垛的穩定性，應采取在坯垛頂部的第1、2層或第1、2、3層設置拉條坯的措施。

1.3 碼坯密度及控制方法

普通實心磚(外形尺寸為240 mm×115 mm×53 mm)的常規碼坯密度為230～240塊/m3，在確定多孔磚的碼坯密度時，應先按其外形體積為普通實心磚的倍數(折普通磚系數)換算為普通實心磚的數量，再計算出碼坯密度[11]。對于多孔磚，因其本身具有孔洞，相比于實心磚可增大通風面積，故其折標計算的碼坯密度在280～300塊/m3較為合適[12]。

碼坯形式與碼坯密度決定了內燃料在窯內各部位的分布情況，為了創造良好的熱交換條件，使氣流在坯垛及磚坯間均勻分布，以及使坯體中燃料燃燒的熱量充分用于磚坯的燒成，內燃燒磚須遵循“上密下稀、邊密中稀”的局部碼坯原則[13]。上密下稀的局部碼坯原則可均衡坯垛上下氣流，使上、下火行速度基本一致，從而減小斷面溫差，提高焙燒質量[14]；邊密中稀的局部碼坯原則可使熱量在坯垛中分布更加均勻，避免邊部磚坯欠燒、中部磚坯過燒的現象發生。

1.4 通道設置及參數確定

碼坯示意圖如圖2所示。其中h為頂隙間距，mm；d1、d2為側隙間距，mm；t1、t2、t3、t4、t5為氣流通道的不同間距，mm。

圖2 碼坯示意圖

1.4.1 側隙和頂隙

為防止坯垛在隨窯車移動過程中與兩側窯墻及窯頂發生刮擦而導致倒垛事故，需保證坯垛與兩側窯墻和窯頂之間留有一定寬度的通道，分別是“側隙”和“頂隙”，如圖2中所示。側隙和頂隙間距合理的取值范圍為50～80 mm[12]。

空隙系數是K空根據側隙和頂隙評價坯垛性能的一個重要指標，表達式由式(1)表示為

式中F側為坯垛與隧道窯兩側墻之間形成的空隙面積，m2；F頂為坯垛與隧道窯窯頂之間形成的空隙面積，m2；F孔為坯垛斷面上可通過氣體的孔道面積總和，m2。

在不考慮磚坯因焙燒發生收縮而對側隙和頂隙大小產生影響的情況下，空隙系數應≤0.5。為最大限度的減小空隙系數，應合理設計碼坯形式，增加坯垛自身有效斷面的孔道面積，減小因側隙和頂隙對磚坯焙燒產生的不利影響。

1.4.2 坯垛通道

坯垛斷面設置的氣流通道中，中間通道最寬，兩邊通道漸窄，直至將氣流通道寬度遞減至側隙寬度，且中間氣流通道的寬度應等于或略大于兩邊側隙之和[12]，如圖2所示，t1為中間通道，t2、t3、t4、t5為兩側通道，其大小關系可表示為:t1≥d1+d2且t1＞t3＝t4＞t2＝t5。通過合理設置氣流通道寬度還可實現內燃燒磚生產工藝中“邊密中稀”碼坯原則的要求，有利于提高焙燒質量。

在隧道窯預熱帶中，為防止煙氣排出受阻而導致出現“凝露”和“回潮”現象，碼放至窯車的坯垛還應設置橫向氣流通道，形成縱橫氣流通道，有助于煙氣快速順暢地排出至窯外。

1.4.3 坯間通道

相鄰磚坯之間氣流通道寬度可根據“邊密中稀”原則靈活設置，如常見的兩種磚坯碼放形式如圖3所示，均遵循交錯壓縫的碼坯原則。圖3(a)為三壓二的磚坯碼放形式，坯間通道均為105 mm；圖3(b)為五壓三的磚坯碼放形式，兩側坯間通道為105 mm、中間兩坯間通道為30 mm。

圖3 磚坯間距示意圖/mm

上述坯垛通道和坯間通道的設置是為了保證在坯垛斷面上留有足夠的通風面積。坯垛斷面上可以通過氣流的孔道面積之和不僅應大于坯垛總面積的30%，還應大于坯垛與窯頂及兩側窯墻之間的通道面積之和[14]。

2 流固耦合傳熱數學模型

在預熱帶內磚坯與窯內高溫煙氣接觸并通過對流換熱方式傳遞熱量，磚坯表面溫度首先升高然后通過傳導傳熱方式升高磚坯內部溫度。在高溫煙氣與磚坯進行流固耦合傳熱過程中遵循3大守恒方程，即質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程[15]。隧道窯預熱帶內熱空氣的流動可看做黏性不可壓縮的湍流流動，湍流模型采用標準的k-ε模型，其表達形式由式(2)和(3)表示為

式中ρ為流體密度，kg/m3；k為湍流動能，m2/s2；ε為湍流動能耗散率；t為熱空氣流過預熱帶的時間，s；ui為x、y、z3個方向流體速度的分量，m/s；xi、xj為方向分量；μ為分子擴散造成的動力黏性，N·s/m2；μt為湍流黏度，N·s/m2；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，σk及σε為常數項，C1ε＝1.44、C2ε＝1.92、σk＝1.0、σε＝1.3[16-17]。

文章數值模擬采用有限體積法離散控制方程，其具有計算效率高、占用計算機內存少等優點[18]，并采用目前應用最為廣泛的壓力耦合方程組的半隱式(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，SIMPLE)算法求解每個體積單元上離散后的控制方程組[5]。

3 燒結磚流固耦合傳熱分析

3.1 坯垛幾何建模

以山東某燒結磚生產企業的兩種碼坯形式中邊垛坯垛單元作為研究對象，生產產品為240 mm×115 mm×90 mm的DP1內燃型燒結多孔磚，兩種邊垛形式如圖4所示。

圖4 磚坯間距示意圖/mm

利用機械設計SolidWorks軟件為兩種碼坯形式中邊垛的坯垛分析單元建立幾何模型，并應用幾何直接建模工具ANSYS SCDM前處理軟件為其設置相同的流場空間。采用流體仿真前處理工具Fluent Meshing對模型進行多面體網格劃分，當網格質量滿足模擬計算要求后，導入Fluent軟件中開展數值模擬計算研究工作[19]。

3.2 模型參數設定及邊界條件設置

將入口邊界定義為速度入口，熱空氣速度方向與流場空間入口截面垂直；熱空氣與磚坯相互作用后向出口流動，其在出口處的壓力和流速均是未知量，因此將出口邊界定義為自由出流[20]。流場空間的四周壁面設為絕熱壁，不考慮磚坯之間及磚坯與流場壁面之間的輻射傳熱影響。流場空間內部與坯垛實體外部區域設為流體區域，流場空間內熱空氣的流動在連續穩定的生產過程中視為穩態流動，熱傳遞視為穩態傳熱。

為減少計算工作量及提高運算效率，仿真計算磚坯的關鍵升溫階段即120～300℃的升溫過程，因此設置熱空氣的溫度為300℃、其密度為0.935 kg/m3，熱空氣不可壓縮，以1.5 m/s的速度從速度入口吹向流場空間；DP1型燒結磚磚坯密度為1000 kg/m3、比熱容為750 J/(kg·K)、導熱系數為0.69 W/m·K，流場四周壁面的對流輻射表面換熱系數為15.54 W/(m2·K)、磚坯的對流導熱系數為1.2 W/(m2·K)、磚坯表面與流場壁面的初始溫度均設為120℃。

3.3 數值模擬結果與分析

磚坯的初始溫度為120℃，向流場空間以1.5 m/s的速度吹入300℃的熱空氣，逐漸加熱磚坯，直至坯垛分析單元的平均溫度穩定在300℃，得到每種坯垛分析單元流固耦合系統在不同時刻的溫度場。

3.3.1 坯垛升溫過程分析

邊垛1與邊垛2坯垛單元平均溫度升溫過程曲線如圖5所示，可以看出預熱時耦合系統的溫度場存在如下規律:

圖5 坯垛單元平均溫度升溫過程曲線圖

(1)磚坯的熱慣性取決于磚坯本身的比熱容和質量大小，由于熱慣性作用，耦合系統的溫度場需要經過一定時間才能達到穩定狀態。從邊垛1坯垛單元平均溫度升溫曲線中可以看出，在0～2000 s起始階段，坯垛單元平均溫度迅速升高，在2000～3000 s時間段，溫度仍呈上升趨勢，但上升趨勢明顯比起始階段平緩很多，3000 s以后的時間里，坯垛單元平均溫度變化很小，溫度場已趨于穩定；從邊垛2坯垛單元平均溫度升溫曲線中可以看出，在0～3000 s起始階段，坯垛單元平均溫度迅速升高，在3000～4000 s時間段，溫度仍呈上升趨勢，但上升趨勢明顯比起始階段平緩很多，4000 s以后的時間里，坯垛單元平均溫度變化很小，溫度場已趨于穩定。這是由于開始吹入熱空氣時，磚坯與熱空氣存在較大溫差，傳熱迅速，隨著磚坯溫度的不斷升高，與熱空氣的溫差逐漸減小，傳熱速度逐漸減慢，直至坯垛單元達到穩定的溫度場。

(2)未吹入熱空氣時，磚坯的初始溫度均為120℃，隨熱空氣對磚坯的持續加熱，各坯垛單元溫度按照各自規律逐漸升高，在整個溫度升高過程中各坯垛單元溫度高低規律與穩態溫度場的規律相同。邊垛1與邊垛2的坯垛單元中磚坯數量不同，但從升溫過程曲線的對比中可以看出，若熱空氣可以持續穩定地加熱磚坯，坯垛單元中磚坯數量對坯垛整體溫度高低規律及穩態溫度場規律沒有影響。

3.3.2 溫度場分布

邊垛坯垛單元在加熱至5300 s時，其溫度場已基本穩定且坯垛單元的平均溫度已升高至300℃，因此選取邊垛坯垛單元在其穩定加熱至5300 s時的溫度場分布作為研究對象，分析其溫度分布規律，各坯垛單元在其穩定加熱后的溫度分布如圖6所示。

圖6 坯垛單元5300 s時溫度分布圖

各坯垛單元溫度分布圖中顏色越深代表其溫度越高，沿熱空氣流動方向，坯垛升溫速度逐漸減慢。熱空氣在坯垛單元迎風面的各通道中流速較快，對流作用較強；而在坯垛單元的背風面，即沿流場空間寬度方向的通道中流速較慢。磚坯溫度隨熱空氣的持續加熱而逐漸升高，但因坯垛單元中各磚坯碼放方式及位置不同而導致不同位置的磚坯內部溫度差異較大。此外，兩坯垛單元在加熱至5300 s時，邊垛2的溫差大于邊垛1，因此邊垛1的預熱效果優于邊垛2。

3.3.3 坯垛溫差分析

在仿真計算中，每間隔500 s記錄1次坯垛單元平均溫度，并根據溫度分布得出各時刻的坯垛單元溫差，各坯垛單元溫差隨預熱時間變化情況如圖7所示。

圖7 坯垛單元溫差對比曲線圖

由圖7可以看出，在預熱初始階段邊垛1與邊垛2的坯垛單元溫差值相差較小，隨著預熱時間的增加，兩個坯垛單元的溫差都在逐漸減小，但邊垛2坯垛單元的溫差減小速度相對較慢，且在每一時刻的溫差值均大于邊垛1坯垛單元的溫差值。這是因為熱空氣在單位時間內提供的熱量是一定的，而邊垛2比邊垛1坯垛單元中的磚坯數量多，對坯垛單元整體而言，升高相同溫度所需熱量值不同，因此邊垛2坯垛單元其升溫速度及溫差減小速度較慢。說明在窯燒預熱初始階段，坯垛單元溫度差異隨坯垛單元中磚坯數量增加而增大。

磚坯預熱的理想狀態是在較短時間內使坯垛整體平均溫度達到熱空氣的溫度，且坯垛內部不存在溫差，但在實際的窯燒過程中基本無法實現。燒結磚生產企業為提高生產效率，減少生產成本，在磚坯預熱階段只需坯垛平均溫度基本達到熱空氣溫度就會結束預熱，進入焙燒帶進行燒制。因此，坯垛單元平均溫度達到熱空氣溫度時即可認為其溫度場基本穩定，由圖7中邊垛1與邊垛2坯垛單元平均溫度升溫過程曲線可以看出，在5300 s時其溫度場均已基本穩定，但此時邊垛2坯垛單元的溫差仍大于邊垛1坯垛單元的溫差，可見此時坯垛單元中磚坯數量不再是影響溫差的主要因素。

由上述分析可知，窯燒預熱初始階段，坯垛單元溫度差異隨坯垛單元中磚坯數量增加而增大，而坯垛單元中磚坯相互位置是影響坯垛單元最終溫度差異的決定性因素。邊垛2預熱溫差大于邊垛1的預熱溫差，因此邊垛1的磚坯預熱效果優于邊垛2。

3.3.4 局部溫差分析

沿熱空氣流動方向，邊垛1坯垛單元中有7.5、105 mm兩種寬度的通道，邊垛2坯垛單元中有7.5、30、105 mm 3種寬度通道，邊垛1和邊垛2各通道左右兩側的磚坯截面溫度分布情況如圖8、9所示。

圖8 邊垛1坯垛單元在各通道處兩側磚坯截面溫度分布圖

圖9 邊垛2坯垛單元在各通道處兩側磚坯截面溫度分布圖

由圖8和9的各截面的溫度分布圖可以看出，沿熱空氣流動方向，坯垛單元中各截面的前端預熱效果最好，磚坯溫度已基本達到熱空氣溫度，從坯垛單元前端向后，磚坯預熱溫度逐漸降低。在邊垛1坯垛單元各通道兩側溫度的分布圖中，低溫區域主要出現在兩塊順坯貼合面的外壁處以及第2塊順坯的中心位置。在邊垛2坯垛單元各通道兩側的溫度分布圖中，低溫區域主要出現在兩順坯貼合面的外壁處以及第2塊和第3塊順坯的中心位置。這是由于兩磚坯貼合面處是兩塊磚坯外壁厚度之和，與順坯中其他位置相比其厚度最大，造成該處傳熱速度較慢。此外，熱空氣單向流動，且兩順坯貼合面的外壁處溫度低于其他位置，造成在兩順坯貼合面處后端的磚坯中心區域溫度較低。因此，磚坯的低溫區域主要出現在兩順坯貼合面的外壁處及其后端順坯的中心位置。

兩坯垛單元中各通道截面溫差見表1。邊垛1坯垛單元在2個7.5 mm通道處兩側磚坯的平均溫差分別為1.7、1.8℃，邊垛2坯垛單元在2個7.5 mm通道處兩側磚坯的平均溫差分別為4.25、5.25℃。因此，沿熱空氣流動方向，在通道寬度相同時，坯垛單元中順坯數量是影響截面溫差的主要原因，且截面溫差隨順坯數量增多而增大。由上述分析可知，邊垛2比邊垛1坯垛單元順坯中的低溫區域面積及截面溫差值都要大。因此，在實際生產中，應盡量減少各結構坯垛中沿熱空氣流動方向的順坯數量。

表1 坯垛單元中各通道截面溫差表

此外，由表1還可以看出，邊垛1與邊垛2坯垛單元中各截面溫差都隨通道寬度的增加而減小，這是因為隨通道寬度增加，流過該通道及穿過順坯孔洞的熱空氣增多，對流作用增強而使截面溫差減小。因此，設計碼坯形式時，應在遵循各項碼坯原則的前提下，加大各磚坯間的氣流通道寬度，減小磚坯預熱溫差，提高預熱質量。

4 結論

分析后得到以下結論:

(1)邊垛2(六壓三)預熱溫差大于邊垛1(四壓二)的預熱溫差，即邊垛1的磚坯預熱效果優于邊垛2。因此，從邊垛角度出發，在實際生產中應采用邊垛1所在的磚坯碼放形式。

(2)沿熱空氣流動方向，坯垛單元中順坯數量是影響截面溫差的主要原因，且截面溫差隨順坯數量增多而增大。因此，碼坯形式的設計或調整應盡量減少各結構坯垛中沿熱空氣流動方向的順坯數量。

(3)邊垛1與邊垛2坯垛單元中各截面溫差都隨通道寬度的增加而減小。因此，在遵循各項碼坯原則的前提下，應加大各磚坯間的氣流通道寬度，以此減小預熱溫差，提高預熱質量。