井式爐爐壁砌體的優化設計

王曉紅（哈爾濱電機廠有限責任公司能源管理部，黑龍江　哈爾濱　150000）

井式爐爐壁砌體的優化設計

王曉紅
（哈爾濱電機廠有限責任公司能源管理部，黑龍江哈爾濱150000）

摘要：近年來，隨著能源供需矛盾的進一步加劇，降低熱處理加工爐中的能量損耗，在熱處理爐設計中采用新材料、新技術勢在必行，并且通過這些改進也取得了一定的社會經濟效益。本文從井式爐爐壁砌體的熱力傳遞損失問題入手分析，采用了不同方法對爐壁砌體進行優化設計，以期達到節省筑爐材料、提高生產效率的目的。

關鍵詞：井式爐；爐壁；砌體；優化；設計；計算機；數學模型

堅持開放與節約并重、努力追求能源節約是建設社會主義和諧社會、資源節約型社會、環境友好型社會的重點，也是貫徹國家節能改造指令的關鍵。鍋爐作為社會能源消耗大戶，目前我們已經對各種不同的鍋爐結構進行了改造，且這些鍋爐改造后節能效果良好。為此，我們這里有必要對井式爐爐壁砌體優化改造工作進行分析，并提出有關優化設計要點。

1　數學模型對井式爐爐壁砌體優化改造分析

目前，為了更好的解決鍋爐生產、加工中熱能量損耗大的問題，在鍋爐設計優化工作中已經采用了許多新材料、新技術，也取得了明顯的社會經濟效益。但在井式爐中效果并不明顯，究其原因是爐壁太薄而造成巨大的熱損失，這一能量損失甚至占整個井式爐能耗的1/3以上，因此為了更好的控制井式爐熱能損耗、降低生產加工成本、提高企業效益，做好井式爐熱處理爐壁優化設計迫在眉睫，也是未來工作者研究重點所在。在常規的熱處理電阻爐設計中，爐壁砌體的尺寸主要是根據鍋爐功率和工作溫度設置，然后通過鍋爐爐壁表面溫度變化值加以確定的，但是這種方法在目前僅僅適用于條件穩定的鍋爐熱處理中。事實上，時至今日很少有完全處于穩定狀態的井式爐，因此即便在鍋爐正常運行中采用連續式軋鋼、開爐、停爐以及調整井式爐蓄熱變化的方式進行控制，也不可能有效的實現完全穩定、持續運行的理想工作狀態，面對周期式作業爐，常常都是在工作之后的一個周期內，爐壁的溫度還沒有達到穩定，因此就需要我們采用一定的計算方式對熱傳遞不穩定狀態進行計算。

2　優化設計方法應用

2.1優化設計方法。優化設計方法是當今計算機技術領域廣泛采用的一種現代設計技術，這一技術在利用過程中需要根據最有原理和方法綜合處理，全面統籌、前后兼顧的利用人機互動、人機配合、人際交流和自動探索等方式進行綜合計算的模式。通常都是在計算機上采用半自動或者全自動設計的方式，利用現有的工程條件選擇出最大、最有效的設計方案。面對此情況，以有限差分熱傳計算公式進行優化效果明顯，同時這一技術和計算方法在爐壁熱損失最小值的基礎上對單層爐壁結構進行優化，從而達到一維優化計算要求。

（1）單層爐壁優化設計。單層爐壁結構的優化設計需要提前設定一個爐壁的厚度，將該厚度值應當選擇數值較小的一些，然后將爐壁的厚度分成幾個不同成分，并且給出一個標準的薄層厚度值，然后在利用上述計算方法進行計算，最終求取出最佳熱損失。這種計算方法是一種循環計算的過程，一直到求得最小熱損失厚度之后為止，這個時候我們還需要優化爐壁厚度尺寸。

（2）雙層爐壁結構優化設計。對于雙層爐壁結構，則需要選擇最優方法進行計算，這種計算方法的應用是在傳統坐標輪換法的基礎上達到一個多維無約束最優化處理模式，將多維問題轉變為一維無約束問題處理，然后利用上述方法解決。在雙層爐壁襯砌結構分析中，先給出一個耐火層的厚度值，優化并確定保溫層的厚度，這個過程與單層爐壁優化設計大致相同，然后找出總體熱損失最小值，再將這一數值進行優化，反過來計算耐火層的厚度，這樣反復進行計算，一直到優化結果給出的要求為止。

（3）優化設計計算公式。由于熱損失的計算量本身很大，且計算之中還會存在反復計算、大量運算且循環計算的過程，因此要想更好、更快的得到優化計算數值，必須要在爐壁上不同位置、不同時間衡量溫度繼續擰計算，從而求出最佳、最合理的爐壁散熱和蓄熱數值，確定熱損失與爐壁之間的具體關系。在計算中，熱損失與路壁厚度之間的關系可以用下面計算公式表示。

在公式中，Q總損失—爐墻砌體在升溫、保溫時間內總的熱損失；Q蓄—爐墻砌體在升溫、保溫時間內蓄熱熱損失；Q散—爐墻砌體在升溫、保溫時間內散熱熱損失；m—耐火層爐墻份數。n—保溫層爐墻份數；Δγm—耐火層每薄層厚度；Δγn—保溫層每薄層厚度；ρm—耐火層砌體材料的容重；ρn—保溫層砌體材料的容重；Cm—耐火層砌體材料的熱容；Cn—保溫層砌體材料的熱容；thm—耐火層第h層在工作結束時的平均溫度；thn—保溫層第h層在工作結束時的平均溫度；t0—室溫；αm—耐火層綜合給熱系數；αn—保溫層綜合給熱系數。

2.2井式爐爐壁砌體優化設計。由于在井式爐爐壁砌體優化設計中，雖然層數不同，但是具體的設計優化方法是一樣的，因此在這里我們不再對這些計算方法進行深入闡述。

3　優化結果

3.1爐墻厚度對熱損失的影響。根據上述非穩態傳熱有限差分法的計算公式，無論是對于全纖維的單層結構的爐墻，還是由不同材料所組成的雙層結構的爐墻，均可求出其總的熱損失，由此分析出爐墻厚度尺寸對熱損失影響的一般規律。

3.2爐墻厚度對界面溫度的影響。經研究，我們可適當增加保溫層的厚度和減少耐火層的厚度，其熱損失和爐外殼溫度變化不大，但界面溫度升高。在耐火層厚度一定的情況下，增大保溫層的厚度，界面溫度也隨著增加，而且增加的幅度越來越小，此時爐外壁溫度則隨著保溫層厚度的增加而不斷地下降；在保溫層厚度一定的情況下，增加耐火層的厚度，界面溫度呈下降的趨勢，爐外壁溫度與固定耐火層增加保溫層有同樣的規律，也是隨著厚度的增加而下降。

結語

總之，在非穩態傳熱的基礎上對爐墻厚度進行優化設計，可使爐墻厚度尺寸的確定科學化、最佳化，尤其是對于使用非標準尺寸的材料，優化更為重要。

參考文獻

[1]李賢君，王占軍，張文良，羅海，周亞飛.變截面向上排煙燃氣大型井式爐的研制[J].金屬熱處理，2011（07）.

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