玻璃熔窯蓄熱室格子磚的熱分析

陳國平

(陜西科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

格子磚是指蓄熱室格子體的耐火磚材，用于熱工設(shè)備煙氣的余熱回收。玻璃熔窯的蓄熱室可采用標(biāo)準(zhǔn)磚砌成西門子式、李赫特式、編籃式等格子體，也可用八角筒形、十字磚形格子磚砌成的格子體。蓄熱室在熱煙氣流入時格子磚處于加熱期，煙氣以輻射和對流方式傳熱。蓄熱室在冷空氣流入時格子磚處于冷卻期，主要以對流方式預(yù)熱空氣。格子磚的壁面與中心的溫度與格孔內(nèi)氣流的溫度和速度、格子磚厚度、格子磚材質(zhì)、換向時間(冷卻或加熱時間)等因素有關(guān)[1]。

因蓄熱室格子體在加熱期和冷卻期的傳熱為非穩(wěn)態(tài)傳熱，解析計(jì)算過程較為復(fù)雜，而采用數(shù)學(xué)模擬具有一定的優(yōu)勢。蔡建祥[2]對玻璃熔窯蓄熱室進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分析了改變格子磚厚度、格子磚材質(zhì)、換向時間等因素對格子體溫度與傳熱的影響。

ANSYS Workbench具有強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁及其相互耦合分析功能。其中的熱分析遵循能量守恒定律的平衡方程，用于計(jì)算系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，包括三種熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，還能分析相變、接觸熱阻及有內(nèi)熱源等問題。利用ANSYS Workbench非穩(wěn)態(tài)傳熱模型求解玻璃熔窯蓄熱室的格子磚傳熱非常有意義[3]。本文基于ANSYS Workbench熱分析模擬軟件，分析玻璃熔窯蓄熱室冷卻期時格子磚在不同厚度、換向時間、材質(zhì)的溫度分布，并與解析計(jì)算結(jié)果對比，取得了有益的結(jié)論。

1 格子磚傳熱解析計(jì)算

1.1 計(jì)算問題背景

針對一座玻璃熔窯蓄熱室格子磚在冷卻期非穩(wěn)態(tài)條件下的傳熱計(jì)算。格子磚的厚度為65和40 mm。格子磚的材質(zhì)為鎂磚和粘土磚，冷卻期時間為20和30 min，冷卻期格子體上部的格子磚初始溫度為1 125 ℃，空氣溫度設(shè)為900 ℃，磚表面的對流換熱系數(shù)為9.0 W/(m2·K)。冷卻期格子體下部的空氣溫度設(shè)為312.5 ℃，磚表面的對流換熱系數(shù)為7.2 7 W/(m2·K)。

1.2 解析計(jì)算的簡化與設(shè)定

格子磚傳熱計(jì)算可看作一維溫度場在第三類邊界條件下的不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，導(dǎo)熱微分方程可簡化為[4]

(1)

采用過余溫度θ的概念來表示物體在任何瞬間的溫度，即物體在任何瞬間的溫度t與介質(zhì)溫度tf之差：

θ=t-tf

(2)

由于介質(zhì)溫度為常數(shù)，式(1)可改寫為

(3)

初始條件：當(dāng)τ=0時,θ=θ′

邊界條件：當(dāng)x=0或l處，有

(4)

對于式(1)可采用過余溫度準(zhǔn)數(shù)Θ、傅里葉準(zhǔn)數(shù)Fo、畢渥準(zhǔn)數(shù)Bi查閱有關(guān)無量綱圖求解出。

對無限大平壁在恒溫介質(zhì)中的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，可通過上述準(zhǔn)數(shù)，得出壁面和中心處的過余溫度準(zhǔn)數(shù)式Θw，Θo，進(jìn)而求得壁面溫度tw和中心處的溫度to。

2 格子磚傳熱模擬分析

格子磚傳熱模擬分析是利用ANSYS Workbench熱分析軟件，包括3個過程：①前處理，創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格；②加載和求解，施加材料載荷、邊界條件并求解計(jì)算；③后處理，基本數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。主要利用穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬時傳熱模型聯(lián)立求解。

2.1 幾何模型

蓄熱室本身是由許多平行排列的通孔格子磚組成，而格子磚的對稱性較好，因此格子磚傳熱模型做如下的假設(shè)[5]：

(1)高溫?zé)煔夂皖A(yù)熱空氣在格子體截面上的氣流分布均勻且流速相等，各孔內(nèi)傳熱相同；

(2)格子磚及氣體熱物性僅為溫度的函數(shù)，不考慮磚內(nèi)相變過程；

(3)氣流在格孔內(nèi)與格子磚的傳熱主要是邊界層傳熱，而氣流平行方向孔格內(nèi)的導(dǎo)熱省略。

幾何模型簡化為二維長方形(見圖1)，分為65 mm厚和40 mm厚兩種模型。

圖1 幾何模型圖

2.2 材料加載數(shù)據(jù)

鎂磚體積密度為3 040 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為3.7～4.3 W/(m·K)，比熱容為0.94～1.22 kJ/(kg·K)。耐火粘土磚密度為2 070 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.835～1.488 W/(m·K) ，比熱容為0.84～0.914 kJ/(kg·K)。

2.3 網(wǎng) 格

模型采用四邊形主導(dǎo)網(wǎng)格劃分(見圖2)。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.4 邊界條件

邊界條件是獲取熱分析結(jié)果的定解條件，邊界條件有初始溫度、對流換熱系數(shù)、冷卻介質(zhì)溫度等，邊界條件與實(shí)際情況的近似程度對分析結(jié)果將產(chǎn)生很大影響。

計(jì)算前需先確定格子磚的初始溫度、換熱系數(shù)，即確定窯內(nèi)壁表面溫度，換熱系數(shù)以及外壁的環(huán)境溫度。這些屬于第三類邊界條件。圖3 為模型邊界設(shè)置圖。

圖3 模型邊界設(shè)置圖

3 后處理分析

3.1 非穩(wěn)態(tài)傳熱結(jié)果

圖4、圖5分別為經(jīng)過30 min冷卻期后，格子體上部65 mm和40 mm厚格子磚的溫度分布。

圖4 65 mm厚格子體上部溫度分布

圖6、圖7分別為經(jīng)過30 min冷卻期后，格子體下部65 mm和40 mm厚格子磚的溫度分布。

圖5 40 mm厚格子體上部溫度分布

圖6 65 mm厚格子體下部溫度分布

圖7 40 mm厚格子體下部溫度分布

3.2 非穩(wěn)態(tài)傳熱結(jié)果分析

(1)格子磚厚度。格子磚在不同厚度時的中心與壁面溫度見表1。從表1可看出，解析計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果十分接近，說明ANSYS Workbench熱分析時適用的。格子磚厚度較小時壁面和中心溫度降低較多。結(jié)合圖4～圖6結(jié)果可知格子磚中心溫度大于壁面溫度，冷卻期時厚度減少壁面冷卻較快。

表1 不同厚度格子磚的中心和壁面溫度 ℃

圖8和圖9為利用ANSYS Workbench熱分析制作的材料瞬時溫度變化曲線圖。可直觀得出格子磚在不同厚度時隨時間變化的溫度曲線， 有利于掌握蓄熱室格子磚的運(yùn)行狀況。從圖8～圖9可知，格子磚厚度減小時中心與壁面的溫度差較小。格子磚厚度減小將使蓄熱室的單位格子體換熱面積增大，余熱利用效率增高，提高空氣的預(yù)熱溫度，增加窯爐火焰的溫度。

圖8 65 mm厚格子體上部中心與壁面隨時間變化的溫度曲線

圖9 40 mm厚格子體上部中心與壁面隨時間變化的溫度曲線

(2)換向時間。表2為格子體上部鎂質(zhì)格子磚換向時間分別為30 min和20 min時的中心與壁面溫度的模擬結(jié)果。換向時間越長，中心與壁面的溫度越低。冷卻時間過長，空氣預(yù)熱溫度下降較多，將降低窯爐火焰溫度，影響玻璃熔制生產(chǎn)。

表2 不同換向時間格子磚的中心與壁面溫度 ℃

(3)格子磚材質(zhì)。表3為格子體上部格子磚分別采用粘土磚和鎂磚格子磚時，中心與壁面溫度模擬結(jié)果。從表3中溫度值看出，鎂磚的中心與壁面溫度降低較少，表明鎂磚的蓄熱能力超過粘土磚。

表3 不同材質(zhì)時格子磚中心與壁面溫度 ℃

4 結(jié) 論

(1)結(jié)果表明，用ANSYS Workbench熱分析模擬結(jié)果與解析計(jì)算結(jié)果十分接近， 適用于格子磚傳熱計(jì)算。且模擬出瞬態(tài)溫度變化有利于掌握蓄熱室運(yùn)行情況。

(2)換向時間越長，格子磚厚度越小，冷卻期的格子磚溫度降低越大。