高鐵時(shí)代窯爐隔熱能力分析

萬(wàn)鵬　賴日東　宋旭

摘 要：本文對(duì)高鐵時(shí)代型輥道窯耐火材料、保溫材料和側(cè)板組成窯體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及其傳熱機(jī)理進(jìn)行研究，并模擬了三種不同形式側(cè)板在高溫段輥道窯墻體及面板的傳熱特性。結(jié)果表明：該款輥道窯的成功開發(fā)，不僅是因?yàn)槠鋼碛泻?jiǎn)潔大氣、科技感的外觀，視覺和體感舒適度更上一層，同時(shí)也得益于其具備功能優(yōu)良的絕熱隔熱材質(zhì)組合和優(yōu)化人機(jī)關(guān)系的側(cè)板系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高鐵時(shí)代；輥道窯；外側(cè)板；數(shù)值模擬；傳熱分析

1 引言

目前市場(chǎng)上所出現(xiàn)的陶瓷輥道窯外側(cè)板設(shè)計(jì)主要分成平面式和立體式兩類。平面式輥道窯側(cè)面一些功能性的結(jié)構(gòu)如燃燒器（噴槍）、調(diào)節(jié)閥門、燃?xì)夤?、助燃風(fēng)管、觀察孔等都裸露在外側(cè)板之外，外觀看上去比較繁雜，外側(cè)板直接貼近安裝在窯爐框架立柱上或嵌入在框架立柱間，外側(cè)板總體上呈平面狀態(tài)，市場(chǎng)上70%以上的輥道窯屬于這一類，其特點(diǎn)是外觀相對(duì)復(fù)雜零散，外側(cè)板拆卸不方便，側(cè)板溫度偏高，容易被煙熏或高溫烤壞，導(dǎo)致操作環(huán)境較差。

立體式外側(cè)板形式特征在于外側(cè)板安裝時(shí)通常離開窯爐框架外側(cè)一段距離，框架立柱橫梁基本上都被隱藏，筆者公司于多年前推向市場(chǎng)的一款立體式直線或折線結(jié)構(gòu)造型，有一定量的管線跨接在窯爐外側(cè)板的外側(cè)，這款設(shè)計(jì)包括風(fēng)格相近的一些直線條外觀設(shè)計(jì)在立體式外側(cè)板風(fēng)格中市場(chǎng)占比較大，自推出后一直成為市場(chǎng)上高端窯爐的代表，近年來已經(jīng)開始出現(xiàn)同質(zhì)化現(xiàn)象，要擺脫這種競(jìng)爭(zhēng)局面，最好的做法是用更好的產(chǎn)品來替代?；诖?，高鐵時(shí)代系列窯爐誕生。本文通過對(duì)比三種典型陶瓷輥道窯側(cè)板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析，形象生動(dòng)地再現(xiàn)熱傳導(dǎo)過程，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

2 高鐵時(shí)代型輥道窯計(jì)算機(jī)傳熱模擬

2.1 模型建立

建立模型采用gambit繪制2D網(wǎng)格，整個(gè)熱傳導(dǎo)過程不會(huì)受到影響，并且能較快較好地得出傳熱效果云圖及窯體周邊熱空氣對(duì)流矢量圖。本文建立三個(gè)模型，分別代表平面型、立體型和高鐵時(shí)代型窯爐典型高溫區(qū)模段的耐材和側(cè)板二維圖。圖1為三種形式的側(cè)板與爐體結(jié)合，以地面和有限空間作為網(wǎng)格劃分的外邊界。

2.2 材料屬性及邊界條件

邊界條件及假設(shè)如下：

1）空氣采用boussinesq假設(shè)，考慮傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射傳熱；

2）重力方向豎直向下；

3）環(huán)境溫度30 ℃；

4）爐體取窯爐最高燒成溫度且保持恒溫1250 ℃；

5）由于主體是考慮耐材及側(cè)板的熱傳導(dǎo)，因此簡(jiǎn)化并刪去輥棒傳動(dòng)系統(tǒng)和鋼架結(jié)構(gòu)。

2.3 求解條件

求解參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[2]等。

3 數(shù)值傳熱模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)

fluent是專業(yè)的流體分析軟件，是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)。對(duì)于高鐵側(cè)板，本文結(jié)合傳熱機(jī)理分析方法及數(shù)學(xué)模型建立2D傳熱模型，分別是側(cè)板與爐體緊貼型、SP帶導(dǎo)向型側(cè)板與爐體和高鐵時(shí)代型側(cè)板與爐體，以下為三種側(cè)板的效果分析。

3.1 緊貼壁面?zhèn)劝逍?/p>

圖2為溫度云圖，從圖2可以清楚地看到整個(gè)熱傳遞過程。由于溫度梯度變化較大，將溫度尺度進(jìn)行調(diào)整后能更好觀察貼壁側(cè)板空氣側(cè)的溫度變化云圖，因此，把溫度上限調(diào)到60 ℃（如圖3所示），可明顯看到右側(cè)空氣邊的溫度云圖變化。

側(cè)板附近溫度分布（側(cè)板的平均溫度為157 ℃），側(cè)板的總吸收熱量為663 W，其中輻射傳熱為130.8 W。

圖4是把顯示上限設(shè)為1250 ℃時(shí)的緊貼型整體傳熱云圖。

圖5是緊貼型整體速度分布矢量圖，從圖5可以看到在窯爐側(cè)墻處并無(wú)明顯的對(duì)流出現(xiàn)。

3.2 SP型側(cè)板

圖6為SP型爐體及側(cè)板傳熱溫度云圖，從圖6可以清楚地看到整個(gè)熱傳遞過程。由于溫度的梯度變化較大，將溫度尺度進(jìn)行調(diào)整后能更好觀察貼壁側(cè)板空氣側(cè)的溫度變化云圖，因此，把溫度上限調(diào)到60 ℃（如圖7所示），可明顯觀察到右側(cè)空氣邊的溫度云圖變化。

側(cè)板附近溫度分布（側(cè)板的平均溫度為45 ℃），側(cè)板的總吸收熱量為247 W，其中輻射傳熱為47 W。

圖8是SP型整體速度矢量圖分布，從圖8可以看出，由于SP型側(cè)板之間留有50 mm距離的通道，并且側(cè)板設(shè)計(jì)成導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與側(cè)板之間有明顯的對(duì)流產(chǎn)生，但由于通道較為狹窄，相對(duì)速度高，對(duì)溢出窯爐的熱氣有較好的引導(dǎo)作用，相應(yīng)帶走的熱量比貼壁型高很多，因此其側(cè)板溫度也較低。

3.3 高鐵時(shí)代側(cè)板

高鐵時(shí)代型爐體及側(cè)板傳熱溫度云圖如圖9所示。將溫度上限調(diào)到60 ℃，如圖10所示。

通過數(shù)值模擬得知，側(cè)板附近溫度分布為：側(cè)板的平均溫度為38 ℃，側(cè)板的總吸收熱量為150 W，其中輻射傳熱為25 W。圖11是高鐵型整體速度矢量圖分布，從圖11可以看出，高鐵側(cè)板的設(shè)計(jì)不但簡(jiǎn)潔大氣，外側(cè)板拆卸方便，而且在上升浮力的帶動(dòng)下側(cè)板從外界吸入冷空氣并在側(cè)板內(nèi)部形成一套自冷卻循環(huán)系統(tǒng)，使側(cè)板不易被煙熏或高溫烤壞，優(yōu)化了操作環(huán)境和人機(jī)關(guān)系。

高鐵時(shí)代外側(cè)板的設(shè)置，充分改善了爐體表面的熱對(duì)流情況，并對(duì)這些熱輻射起到有效的隔離作用，操作環(huán)境溫度大幅度降低。圖12是高鐵型側(cè)板現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度圖，當(dāng)窯爐環(huán)境溫度（地面溫度）為30 ℃時(shí)，窯爐工作時(shí)高溫區(qū)內(nèi)部工作溫度超過1200 ℃，而該處噴槍附近外側(cè)板溫度只有37 ℃，在觀察孔打開封蓋的情況下，外側(cè)板附近溫度也只有40 ℃，溫升不超過10 ℃，大大低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的35 ℃環(huán)境溫升值，而且測(cè)量點(diǎn)在窯爐靠車間內(nèi)部一側(cè)，處高火保溫區(qū)位置，這在以前的輥道窯中是不可想象的。

4 高鐵時(shí)代型輥道窯傳熱機(jī)理分析

工業(yè)窯爐的傳熱現(xiàn)象，均可劃分為導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射三種基本傳熱方式，熱量從高溫側(cè)到低溫側(cè)傳遞的速度和品質(zhì)取決于許多因素， 位于熱傳遞區(qū)域中的耐火材料和隔熱材料層會(huì)阻止熱量的傳遞和損失。

4.1 優(yōu)良隔熱材料傳熱作用機(jī)理

根據(jù)《傳熱學(xué)》的基本原理可知，材料的導(dǎo)熱系數(shù)是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱能力的一個(gè)指標(biāo)，一般來說，導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料的隔熱性能越好。高鐵時(shí)代系列窯爐的最高溫段側(cè)墻使用進(jìn)口納米微孔板，納米微孔材料是一種基于納米微孔原理的絕熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)陶瓷纖維類保溫隔熱材料的1/10左右。其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為低熱導(dǎo)率（在800 ℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.025 W/（m·k））、低熱容量、抗熱震和熱穩(wěn)定性好、外形規(guī)整、砌筑后縫隙小和減少熱量損失。

在固體、 液體和氣體中的傳導(dǎo)是材料的一種分子級(jí)熱運(yùn)動(dòng)，通過原子和分子之間的動(dòng)能碰撞來傳遞。平均自由行程是指空氣分子在碰到另一個(gè)分子之前需要經(jīng)過平均距離，在納米微孔材料中氣體分子平均自由行程大約是90 nm，微孔材料具有的氣孔包含在微小的單元或者是孔隙中，它們的平均尺寸比空氣分子的平均自由行程還要小。因此氣體分子碰撞被阻隔，能量在氣體間的傳導(dǎo)急劇減小。

4.2 側(cè)板對(duì)流換熱作用機(jī)理

窯爐在廠房?jī)?nèi)的自然對(duì)流換熱，可認(rèn)為是在無(wú)限空間中的自然對(duì)流換熱。在高溫壁面?zhèn)鳠岬淖饔孟拢諝馔腆w壁面直接接觸式對(duì)流換熱，這個(gè)過程既包括空氣夾層因不均勻的溫度場(chǎng)造成不均勻的密度場(chǎng)導(dǎo)致流體上升引起的位移，又包括流體分子間的導(dǎo)熱作用。高鐵側(cè)板的作用就在于：當(dāng)空氣沿著熱表面向上流動(dòng)時(shí)，流體不斷從墻面吸取熱量，溫度繼續(xù)升高，并加熱其鄰近的流體，也使之上升，從而使向上流動(dòng)的流體層沿墻面自下而上地逐漸增厚。若將該流體層視為流動(dòng)邊界層，在墻的下端流動(dòng)邊界層處于層流狀態(tài)，其厚度沿墻的高度方向逐漸增大，然后經(jīng)由過渡狀態(tài)發(fā)展成為湍流。另外在上升浮力的帶動(dòng)下下側(cè)板從外界吸入冷空氣并在側(cè)板內(nèi)部形成一套自冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

4.3 輻射傳熱作用機(jī)理

斯蒂芬-波爾茨曼定律說明，受體材料的輻射力與其開始溫度的四次方成正比。在窯爐燒成高溫區(qū)輻射會(huì)變?yōu)闊醾鬟f的主要模式， 并且會(huì)隨著溫度的進(jìn)一步升高迅速增加。納米微孔絕熱材料中的礦物氧化粉末的微小顆粒在納米板內(nèi)被均一地分散， 通過紅外線在顆粒表面的折射來工作， 并改變其方向。散射發(fā)生的有效性， 意味著納米微孔材料可以有效地阻止紅外線的傳遞， 也是其在高溫下具有顯著絕熱效能的原因。另外，側(cè)板采用藍(lán)白兩種冷色調(diào)烤漆進(jìn)一步降低了側(cè)板受體的黑度，從而更利于保持低溫。

總之， 三種熱傳導(dǎo)機(jī)理同時(shí)作用， 由此實(shí)現(xiàn)高鐵時(shí)代系列窯爐的熱傳遞效果。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用fluent專業(yè)流體仿真數(shù)值模擬軟件對(duì)用于高鐵時(shí)代型的輥道窯側(cè)板以及耐火材料、隔熱材料進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了不同種類側(cè)板的典型窯爐高溫段表面的熱呈現(xiàn)特征，研究表明：

（1）SP型窯爐側(cè)板附近溫度分布為：板的平均溫度為45 ℃，板的總吸收熱量為247 W，其中輻射傳熱為47 W。側(cè)板設(shè)計(jì)成導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與側(cè)板之間有明顯的對(duì)流產(chǎn)生，相對(duì)速度高但由于通道較為狹窄，帶走熱量有限；

（2）高鐵時(shí)代型側(cè)板附近溫度分布為：板的平均溫度為38 ℃，板的總吸收熱量為150 W，其中輻射傳熱為25 W。獨(dú)到的面板設(shè)計(jì)使側(cè)板內(nèi)部形成一套自冷卻循環(huán)系統(tǒng)。

（3）高鐵時(shí)代系列窯爐的最高溫段側(cè)墻使用進(jìn)口納米微孔板，導(dǎo)熱系數(shù)低，在高溫下具有顯著的絕熱效能。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)鵬.窯爐能耗現(xiàn)狀分析及節(jié)能能力定級(jí)設(shè)想[J].佛山陶瓷，2014年增刊.

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[3] 萬(wàn)鵬.高鐵時(shí)代型輥道窯產(chǎn)品開發(fā)與實(shí)踐[J].佛山陶瓷，2016，4.