設(shè)有噴風(fēng)裝置的輥道窯預(yù)熱帶內(nèi)氣流速度分布特征

童劍輝

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

設(shè)有噴風(fēng)裝置的輥道窯預(yù)熱帶內(nèi)氣流速度分布特征

童劍輝

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

根據(jù)實(shí)際尺寸構(gòu)建了設(shè)有噴風(fēng)裝置的輥道窯預(yù)熱帶窯體模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論的Fluent軟件,選用標(biāo)準(zhǔn)K- 兩方程湍流模型，對預(yù)熱帶內(nèi)氣流速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，模擬計(jì)算結(jié)果能較好的體現(xiàn)窯內(nèi)氣體流動特征，可為輥道窯熱工操作提供理論指導(dǎo)。

CFD；數(shù)值模擬；輥道窯預(yù)熱帶；噴風(fēng)裝置；速度場

0 引 言

輥道窯屬于連續(xù)性生產(chǎn)式窯爐，按陶瓷制品在窯內(nèi)燒成過程分為預(yù)熱帶、燒成帶和冷卻帶三帶。一般將窯頭至900 ℃左右作為預(yù)熱帶[1]。為了加強(qiáng)預(yù)熱帶溫度調(diào)節(jié)，保證制品按燒成曲線升溫，部分輥道窯在預(yù)熱帶排煙段后幾節(jié)的輥上窯墻上設(shè)置了噴風(fēng)裝置，即在這幾節(jié)的每節(jié)輥上窯墻兩側(cè)交錯(cuò)布置3-4對內(nèi)徑不大于50 mm的噴風(fēng)管[1]。窯爐操作人員可通過調(diào)節(jié)噴風(fēng)管上閥門的開度，改變噴入窯內(nèi)溫度較低的風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。另外，輥道窯多采用集中排煙方式，當(dāng)窯頭排煙溫度偏高時(shí)，加大噴風(fēng)管噴入的風(fēng)量可降低排煙溫度，這與分散排煙靠過早排出部分熱煙氣相比，提高了熱利用率。

眾所周知，工業(yè)窯爐的熱工操作和設(shè)計(jì)與窯內(nèi)氣體流動有著密切關(guān)系。窯內(nèi)氣流速度和壓力分布不僅對溫度分布有重要影響，還很大程度上決定了氣流與制品、窯內(nèi)壁等的對流換熱強(qiáng)度。對輥道窯來講，設(shè)在其預(yù)熱帶的噴風(fēng)裝置之所以能夠?qū)崿F(xiàn)窯內(nèi)溫度局部調(diào)節(jié)，一方面是由于噴入窯內(nèi)溫度較低的熱風(fēng)(或冷風(fēng))與窯內(nèi)溫度相對較高的煙氣混合過程中不斷產(chǎn)生熱量交換；另外更重要的一個(gè)原因是，噴風(fēng)與煙氣混合的同時(shí)，由于它們之間的相互作用，導(dǎo)致噴風(fēng)射流與煙氣流動均發(fā)生改變，從而產(chǎn)生溫度分布和對流換熱強(qiáng)度的明顯變化。因此，了解和掌握設(shè)有噴風(fēng)裝置的輥道窯預(yù)熱帶內(nèi)氣體流動特點(diǎn)，不僅有利于更好實(shí)現(xiàn)制品燒成過程中溫度制度的控制，還能為輥道窯預(yù)熱帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更多的理論依據(jù)。

對于輥道窯內(nèi)氣體流動與傳熱的研究，許多學(xué)者做了大量的研究工作。尤其是近年來，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，不少學(xué)者已采用基于計(jì)算流體力學(xué)理論的數(shù)值模擬法，對輥道窯內(nèi)氣體的溫度場與流場開展了較多的研究工作[2-11]。這些研究成果不僅豐富了輥道窯內(nèi)氣體流動與傳熱的理論知識，還為輥道窯的熱工操作提供了理論依據(jù)。不過，在上述的這些研究工作中，尚未發(fā)現(xiàn)有設(shè)置噴風(fēng)裝置的輥道窯預(yù)熱帶內(nèi)氣體流動的研究工作。為此，本文亦通過數(shù)值計(jì)算法，采用FLUENT流體計(jì)算軟件，建立帶有噴風(fēng)管的輥道窯預(yù)熱帶窯體模型，對窯內(nèi)氣體流動進(jìn)行仿真模擬，研究其速度分布特征。

1 預(yù)熱帶窯體模型的建立及其網(wǎng)格劃分

1.1 窯體模型的構(gòu)建

[1]中提供的輥道窯窯體尺寸和噴風(fēng)裝置有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)資源和物理模型的合理性，本文以設(shè)有噴風(fēng)裝置的輥道窯預(yù)熱帶內(nèi)一節(jié)窯體為研究對象，有關(guān)窯體與噴風(fēng)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

(1)窯體尺寸：長×內(nèi)寬×內(nèi)高= 2000 mm× 1600 mm×700 mm。

(2)噴風(fēng)管(管徑為50 mm)輥上窯墻兩側(cè)交錯(cuò)布置，共布置3對，相鄰兩根間距均為350 mm；各噴風(fēng)管離磚坯表面的垂直距離均為25 mm。

(3)窯內(nèi)磚坯因其厚度和磚坯之間的間隙較窯體結(jié)構(gòu)尺寸都很小，可將其簡化為一塊厚度為0 mm的平板，磚坯離窯內(nèi)壁兩側(cè)的距離根據(jù)文獻(xiàn)[1]，取150 mm。最后簡化的窯體模型如圖1。

1.2 窯體模型網(wǎng)格

先采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格對6根噴風(fēng)管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對長方體窯體結(jié)構(gòu)進(jìn)行非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，最后生成的網(wǎng)格總數(shù)為395143個(gè)。圖2為模型網(wǎng)格圖。

圖1 設(shè)有噴風(fēng)裝置的預(yù)熱帶窯體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The model of preheating zone of the roller kiln with an air-spraying device

圖2 窯體模型網(wǎng)格Fig.2 Mesh of model

2 控制方程與邊界條件

2.1 控制方程

由于從噴風(fēng)管噴入窯內(nèi)的風(fēng)速較煙氣流速高得多，一般為紊亂度很強(qiáng)的紊流射流，且空氣流速與窯內(nèi)煙氣的流速方向互相垂直，導(dǎo)致此段窯內(nèi)氣體流動變?yōu)槲蓙y度較強(qiáng)的紊流。因此描述氣體流動的控制方程除了連續(xù)、動量、能量方程外，還應(yīng)包括描述氣體湍流的模型方程。本文選取廣泛用于陶瓷窯爐窯內(nèi)氣體流動研究的標(biāo)準(zhǔn)K- 兩方程湍流模型。所有控制方程與文獻(xiàn)[5]相同。

2.2 邊界條件

表1 氣流邊界條件Tab.1 Boundary conditions of gas fow

計(jì)算邊界包括氣體邊界面和固體壁面，其中氣體邊界面包括噴風(fēng)進(jìn)口界面和窯內(nèi)煙氣進(jìn)、出口橫斷面，它們的邊界類型及其參數(shù)如表1所示。固體壁面包括窯體各壁面(窯墻、窯頂和窯底)、噴風(fēng)管壁和磚坯三種。由于現(xiàn)代輥道窯采用較好的輕質(zhì)隔熱耐火材料，噴風(fēng)管壁面積相對較小，因此這兩種壁面向外散熱均很小，故本文中這兩種壁面均設(shè)為絕熱邊界條件。由于磚坯表面溫度或熱流密度均沿窯長方向變化，不是常量，因此選擇Fluent軟件中提供的耦合(couple)熱邊界條件作為磚坯上下表面的熱邊界條件。

3 模擬結(jié)果與分析

圖3為沿窯長方向水平截面(z=0.25 m)上的氣體速度等高線(圖a)和矢量分布圖(圖b)，該圖不僅展示了窯內(nèi)煙氣沿窯長方向的速度分布，還展示了窯墻兩側(cè)各噴風(fēng)射流的速度分布。由圖3b可看出，各噴風(fēng)射流沿窯長煙氣主流方向發(fā)生了不同程度的彎曲變形。這是由于各噴風(fēng)射流受到與其流動方向垂直的煙氣主流作用力而造成的。進(jìn)一步，由于噴風(fēng)射流氣體質(zhì)點(diǎn)具有的動量較煙氣質(zhì)點(diǎn)的高很多，使得噴風(fēng)射流發(fā)展過程中帶動越來越多的煙氣一起沿窯寬方向流動，導(dǎo)致射流截面(或半徑)沿窯內(nèi)寬方向不斷增大，而射流速度和剛度不斷減小，結(jié)果煙氣主流對射流的垂直作用力也相對越大，射流產(chǎn)生的彎曲變形也越加明顯，以致在各射流的末端，射流方向幾乎與煙氣主流方向相同，結(jié)果在窯內(nèi)寬中心附近范圍內(nèi)，噴風(fēng)射流與煙氣混合后的主流速度明顯較其他地方的大。另外，從圖3(b)還可看出，在同一側(cè)相鄰兩噴風(fēng)射流的尾部之間均出現(xiàn)一定范圍的氣體回流。結(jié)合圖3(a)的速度等高線圖可看出，回流區(qū)內(nèi)氣流速度較其他地方的小，不利于煙氣與噴風(fēng)的混合，也不利于煙氣與制品之間的對流換熱。

圖3 沿窯長方向水平截面(z=0.25 m)氣體速度分布圖Fig.3 Gas velocity distribution in horizontal section across spraying pipes (z=0.25 m)

圖4 過各噴風(fēng)管橫斷面氣體速度分布圖Fig.4 Gas velocity distribution in vertical section across spraying pipes

圖4為沿窯長方向各個(gè)不同位置截取的橫斷面氣體速度等高線圖(左圖)和速度矢量分布圖(右圖)。由右圖的氣體速度矢量分布圖可看出，在各輥上橫斷面噴風(fēng)口的另一側(cè)均出現(xiàn)一個(gè)范圍和強(qiáng)度均較大的循環(huán)氣流。結(jié)合圖1窯體結(jié)構(gòu)圖和圖3(a)沿窯長方向水平斷面的氣體速度等高線分布圖可知，每個(gè)輥上斷面上的循環(huán)氣流并非是由相應(yīng)斷面上的噴風(fēng)射流形成的，而是由噴風(fēng)射流對面相鄰上游的噴風(fēng)射流與煙氣主流共同形成的。另外，在與噴風(fēng)口同一側(cè)的各輥下橫斷面的下方，受兩側(cè)相鄰射流和煙氣主流的共同作用，也出現(xiàn)一個(gè)范圍和強(qiáng)度相對較小的循環(huán)氣流。產(chǎn)生的這兩個(gè)氣流循環(huán)對強(qiáng)化窯內(nèi)煙氣之間和煙氣與制品之間的對流換熱是有利的。

4 結(jié) 論

(1)各噴風(fēng)射流末端的氣體流動與窯內(nèi)煙氣主流方向基本相同，導(dǎo)致窯內(nèi)寬中心附近范圍內(nèi)，混合氣體(噴風(fēng)和煙氣)沿窯長方向的主流速度明顯較其他地方的大。

(2)受射流彎曲作用，同一側(cè)相鄰兩噴風(fēng)射流的尾部之間均出現(xiàn)一定范圍的氣體回流，回流區(qū)內(nèi)氣流速度較其他地方的小，不利于煙氣與噴風(fēng)的混合，也不利于煙氣與制品之間的對流換熱。

(3)各輥上橫斷面噴風(fēng)口的另一側(cè)均出現(xiàn)一個(gè)范圍和強(qiáng)度均較大的氣流循環(huán)，而各噴風(fēng)口同一側(cè)的輥下橫斷面的下方也都出現(xiàn)一個(gè)范圍和強(qiáng)度相對較弱的氣流循環(huán)，它們有助于加強(qiáng)窯內(nèi)煙氣之間和煙氣與制品之間的對流換熱。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡國林. 建筑陶瓷工業(yè)輥道窯[M]. 北京:中國輕工業(yè)出版社, 1998: 81-82.

[2] 馮青, 陸琳, 曾德生, 等. 輥道窯噴射角度對窯內(nèi)湍流氣流影響的研究[J]. 中國陶瓷工業(yè), 2004, 11(1): 22-25.

FENG Qing, et al. China Ceramic Industry, 2004, 11(1): 22-25.

[3] 張柏清, 盧立用, 黃志誠. 氣燒明焰輥道窯燒嘴的三維數(shù)值模擬[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2005, 26(3): 15-157.

ZHANG Baiqing, et al. Journal of Ceramics, 2005, 26(3): 15-157.

[4] 馮青, 李柯, 宮小龍, 等. 輥道窯擋火板開度對預(yù)熱帶氣流影響的數(shù)值研究[J]. 中國陶瓷, 2006, 42(4): 26-29.

Vol FENG Qing, et al. China Ceramics, 2006, 42(4): 26-29.co.4

[5] 童劍輝, 馮 青, 王和平. 輥道窯燒成帶氣體流場與溫度場的三維數(shù)值模擬[J]. 中國陶瓷, 2006, 42(10): 27-30.

TONG Jianhui, et al. China Ceramics, 2006, 42(10) :27-30.

[6] 張柏清, 龍小軍, 朱 凌. 輥道窯燒成帶火焰空間的三維數(shù)值模擬[J]. 中國陶瓷, 2007, 43(2): 34-37.

ZHANG Baiqing, et al. China Ceramics, 2007, 43(2): 34-37.

[7] 王雪瑤,劉 石等. 陶瓷輥道窯高溫帶流場的數(shù)值模擬研究[J].中國陶瓷, 2007, 43(5): 29-32.

WANG Xueyao, et al. China Ceramics, 2007, 43(5): 29-32.

[8] 黎水平, 吳武輝. 基于數(shù)值方法的陶瓷輥道窯溫度場模擬研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(9): 101-103, 142.

LI Shuiping, et al. Journal of Wuhan University of Technology, 2008, 30(9): 101-103, 142.

[9] 徐婷, 馬曉茜. 輥道窯燒成帶富氧燃燒及火焰空間數(shù)值模擬[J]. 中國陶瓷, 2009, 45(3): 40-43.

XU Ting, et al. China Ceramics, 2009, 45(3): 40-43.

[10] 童劍輝, 汪和平. 建陶輥道窯急冷段內(nèi)氣體流動特征模擬研究[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2009, 30(1): 96-100.

TONG Jianhui, et al. Journal of Ceramics, 2009, 30(1): 96-100.

[11] 童劍輝, 汪和平. 輥道窯閘板結(jié)構(gòu)對預(yù)熱帶煙氣流動的影響[J].陶瓷學(xué)報(bào), 2010, 31(3): 502-506.

TONG Jianhui, et al. Journal of Ceramics, 2010, 31(3): 502-506.

Characteristics of Gas Velocity Distribution in the Preheating Zone of Roller Kiln with an Air Spraying Device

TONG Jianhui
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In this paper, the structural model of the preheating zone of the full-scale roller kiln with an air spraying device was created, and the grid of this model was generated with the unstructured grid. FLUENT software based on CFD theory was used for simulating the gas velocity feld in the preheating zone of the roller kiln and the standard K-ε two equations turbulent fow model was selected. The simulated results can describe the characteristics of gas velocity distribution preferably, which supplied the theoretic guide for the thermal operation for roller kiln.

CFD, numerical simulation, preheating zone of roller kiln, air spraying device, velocity feld

TQ174.6

A

1000-2278(2014)06-0644-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.06.016

2014-06-04。

2014-06-28。

童劍輝(1977-)，男，博士，副教授。

Received date: 2014-06-04. Revised date: 2014-06-28.

Correspondent author:TONG Jianhui(1977-), male, Doc., Associate professor.

E-mail:tjhgst@sina.com