熱風爐水平運風結構設計及仿真優化

閤海峰 高文 吳洋 蔡傳輝

摘 要：針對熱風爐在多層卡夾載具下存在換熱效果差、熱效率較低等問題，本文從熱風爐原始結構上進行了設計和改進，提出了一種新型水平循環運風結構，并分析了在該運風結構下爐膛內氣流的壓力損失問題。同時采用數值仿真軟件Fluent對實際的熱風爐運風結構模型進行了局部優化計算，模擬結果表明該結構滿足設計要求和性能指標。

關鍵詞：熱風爐;水平運風;結構設計;結構優化

Abstract： In this paper， the existing the problem of the hot air circulation furnace is not sufficient convective heat transfer and heat transfer effect is poor under the muli-layer clamp. Based on the design and improvement of the original structure model of horizontal circulation air transport is put forward. At the same time， the pipe resistance of horizontal transport air flow in the furnace chamber is analyzed. The standard k-ε turbulence model of Fluent software is used to simulate the actual structure model. The result shows that the structure meets the design requirement and performance indexes.

Key Words： Fluent; horizontal transport air flow; structure design; structure optimization

1 概述

近年來，隨著科學技術的發展，對能源的高效利用和節能減排技術提出了迫切的需求。其中，熱風循環爐作為一種高效的能源利用設備，一直備受關注。因為熱風循環爐采用風機循環送風方式，保持熱風在爐膛內循環再利用，可以有效實現熱風循環對產品進行干燥和加熱目的，達到了能源高效利用。而目前的熱風循環爐大多數是上下送風結構，對于多層載具產品而言，上下送風方式不能有效的對每層產品進行充分換熱，從而出現上面產品換熱充分而下面產品換熱不足的現象，導致裝置熱效率較低、內部溫度均勻差等問題。針對目前熱風循環爐結構上存在的不足，本文提出了一種新型水平循環運風結構，并分析了在該結構下熱風爐內部的氣流壓力損失，同時根據爐膛內氣流特性，開展了熱風爐出風口結構的優化設計。針對熱風爐多層卡夾載具產品而言，該水平循環運風結構可有效解決爐內換熱效率低、換熱成本高的技術問題。

2 結構設計

水平循環運風風道循環結構如下圖1所示。風機帶動多益風輪的旋轉將風甩出，經過加熱管加熱后的熱風進入進風板，再進入爐膛內部與產品進行充分對流換熱。換熱后的熱風一部分由出風板進入上腔體進行循環利用，另一部分經過排氣管道排出。由于熱風在爐內循環流動過程中會產生壓力損失，以及影響爐膛內腔的溫度均勻性。因此，熱風電機帶動多益風輪甩出風的風量和風壓能否滿足爐內氣流壓力損失和爐膛內腔的溫度均勻性，將是本文分析的重點內容。

2.1壓力損失分析

氣流在循環風道內的流動阻力包括導流裝置，各個加熱元件、爐料、料架等各個局部阻力和摩擦阻力。在本文中主要分析了氣流在熱風爐中的損失主要分為以下部分，風道經過上腔體加熱，有一個沿程損失hm1，由上腔體到進風板有一個直角拐彎，產生一個局部損失hj1。之后到達進風板后有一個沿程損失hm2，由進風板到達爐膛內腔，有一個局部損失hj2。爐膛內腔有一個沿程損失hm3，爐膛內腔到出風板有一個hj3。出風板內有一個沿程損失hm4，出風板到上腔體有一個局部損失hj4，如圖1（b）所示。

其中為通道內氣體流速（m/s），為氣體密度（kg/m3），t為氣流溫度（℃），為局部阻力摩擦系數，可查工業爐設計手冊，L為通道長度（m），d為通道換算直徑（m），為摩擦阻力系數，光滑金屬通道為0.025，有氧化皮金屬通道摩擦系數為0.035～0.045，切磚通道為0.05。

2.2電機及風輪選型

氣流和對流換熱系數有著密切的關系，氣流速度大，更有利于爐溫均勻性的提高。為了更好的反應爐溫均勻性，以氣流在爐膛內的循環次數來反應爐膛內的溫度均勻性。爐溫均勻度要求越小，氣流在爐膛內每秒中流動周期數要越小，對于普通的鋁合金淬火爐要滿足爐溫要求±3～±5℃，循環次數為0.8～1.0。循環次數一定時，氣流流動的路途越長，則需要的風量也越多，所以對于熱風循環爐而言，選取合適的風量和風壓至關重要。若選取電機風量為Q，風壓為P。即爐膛平均速度為

V=Q/A（3）

通過爐膛內平均速度V計算得到全壓P1，若P1

針對爐膛內水平運風結構，本文對風量和風壓的選取做了如下計算，如圖2所示，表明爐膛內的管阻與風量的關系。當風量增大是，選取的風壓也應該隨之增大，若風量為2000m3/h，則選取電機的風壓應該大于250Pa，只有當電機風量大于250Pa時，才能滿足爐膛內的管阻壓力損失。

3 仿真分析

3.1模型建立及網格劃分

本文用Inventor建立熱風爐結構三維模型，采用ICEM對模型進行結構化網格劃分，劃分結果如圖2所示。

3.2 仿真結果

設置仿真分析參數，進行仿真分析，本文對出風板小孔結構進行優化設計，其中主要仿真了兩種出風板小孔結構，第一種結構為同種腰孔，第二種結構為腰孔形狀不一致，上大下小結構。在給定流量入口情況下進行計算。經過仿真發現第二種流速每一排平均流速比第一種結構較好。對爐膛溫度均勻性的控制更有利，故選用第二種小孔結構來控制上腔體氣流到爐膛內風速的均勻性，從而獲得更好的溫度均勻性。

如圖5所示，腰型孔上大下小結構更能調節風速均勻性的原因是在于，從爐膛上腔體吹到出風板時，出風板內的上部氣流都往下積累，從而造成最上一排孔風流速度較小，最下一排孔氣流較大，為了緩解氣流的均勻分配，采用上大下小結構的腰型孔，來均衡氣流速度的不均勻性。所以上大下小結構的腰型孔對比同種腰型孔來說，可以更好的來調節爐膛氣流，使爐膛溫度均勻性滿足設計的要求。

4 實驗結果

為了驗證爐膛溫度均勻性是否滿足性能指標和要求，對其進行了實驗測試。發現爐膛的溫度均勻性在±3℃范圍內，滿足熱風循環爐的性能指標。

5 總結

（1）本文對熱風爐在水平運風結構下的氣流壓力損失進行了分析計算，并提出選用電機和多益風輪的風量和風壓方法;

（2）為了更好控制溫度均勻性，本文采用Fluent仿真分析軟件，對出風板兩種結構進行了分析，結果表明本文設計的上大下小腰孔結構，可以滿足爐膛溫度均勻性的要求。

（3）為了驗證水平運風結構的合理性，本文對實際熱風爐內的溫度均勻性進行了實驗測試，實驗結果表明爐膛溫度曲線滿足性能和要求。

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作者簡介：

閤海峰，（1995-），男，碩士，機械工程專業，主要從事工業窯爐設計和研發。

（中國電子科技集團公司第43研究所合肥恒力裝備有限公司，安徽 合肥 230088）