上排煙支管閘板開度對輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流動的影響

童劍輝，馮 青，羅 江，劉 江，黃 旭

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

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上排煙支管閘板開度對輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流動的影響

童劍輝，馮 青，羅 江，劉 江，黃 旭

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

摘要：采用計算流體動力學(CFD)Fluent軟件，構建了采用集中排煙的輥道窯預熱帶窯內(nèi)空間模型，并采用非結構化四面體網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，選擇標準K- 兩方程湍流模型，設置邊界條件，對上排煙支管閘板開度對輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流動的影響進行了數(shù)值模擬計算研究。結果表明：所有上排煙支管閘板全開或開度過小時，由于煙氣由上排煙口流至排煙總管出口與由下排煙口流至排煙總管出口的流動阻力相差較大，使得進入上、下排煙支管的煙氣流量相差較大，導致窯內(nèi)輥上與輥下橫斷面煙氣流速分布相差較大，不利于煙氣與磚坯上下表面對流換熱的均勻性。另外，排煙結構上游的橫斷面離排煙結構越遠，閘板開度的變化對其斷面上煙氣流速影響越小。

關鍵詞：輥道窯預熱帶,集中排煙,閘板開度,速度分布,數(shù)值模擬

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0　引　言

輥道窯屬于快燒窯,離窯煙氣溫度一般為250-300 ℃。為提高煙氣熱利用率，輥道窯皆采用集中排煙(僅在窯頭設一處排煙)或準集中排煙(即靠近窯頭一般設2-4處排煙口)[1]。排煙口一般設在窯頂和窯底，其斷面形狀多為圓形，也可為矩形。窯內(nèi)煙氣由燒成帶流向預熱帶，至窯頭由排煙口抽出，經(jīng)排煙支管匯總于排煙總管，最后由排煙風機抽至煙囪排出室外。

輥道窯的排煙結構不僅起到排煙作用，還可通過調(diào)節(jié)安裝在排煙總管和支管上閘板的開度對預熱帶內(nèi)溫度和壓力進行控制，以滿足制品在此帶所需的燒成制度，為保證制品燒成質(zhì)量奠定基礎。調(diào)節(jié)排煙閘板的開度之所以能夠改變預熱帶內(nèi)的溫度和壓力制度，主要是因為改變了預熱帶內(nèi)煙氣的流速分布。由于流體的流速是流體與制品表面之間對流換熱強度的重要影響因素，因此窯內(nèi)煙氣流速的變化不僅對煙氣與制品的對流換熱產(chǎn)生影響，還進一步導致窯內(nèi)煙氣溫度分布的變化。因此掌握調(diào)節(jié)排煙閘板開度對輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流場的變化規(guī)律，對更好的控制燒成制度，提高制品燒成質(zhì)量有重要的實踐指導意義。

一直以來，受實驗條件和研究方法的限制，人們對輥道窯窯內(nèi)各帶的氣體流場的影響認識較為淺薄。近年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，許多研究人員采用數(shù)值模擬法，利用各種CFD軟件對輥道窯內(nèi)氣體的溫度場與流場開展了較多的研究工作，并取得了許多重要的研究成果[2-12]。不過，在上述研究工作中，尚未發(fā)現(xiàn)有關排煙管閘板開度對建陶輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流場影響的研究。為此，本文采用數(shù)值模擬研究法，利用Gambit軟件建立帶有集中排煙結構的輥道窯預熱帶窯內(nèi)空間模型，然后利用FLUENT軟件對窯內(nèi)煙氣流場進行仿真模擬，研究排煙閘板開度對窯內(nèi)煙氣流場的影響。

1　物理模型及其網(wǎng)格劃分

1.1采用集中排煙方式的預熱帶窯內(nèi)空間物理模型的構建

由于現(xiàn)代建陶輥道窯預熱帶長度較長，若按其實際長度構建帶排煙結構的窯內(nèi)空間模型，必然導致模型網(wǎng)格數(shù)量巨大，一般計算機無法進行計算?？紤]到上述情況，同時為了使模型比較合理，本文選取預熱帶窯體長度為3 m,排煙方式為窯頭集中排煙，即僅在靠近窯頭設置一處排煙，沿窯寬方向在窯頂和窯底各布置3個相同內(nèi)徑的排煙口。窯體和排煙結構的主要尺寸如下：

(1)窯體結構尺寸：長×內(nèi)寬×內(nèi)高(輥上、下高相同)=300×200×60 (cm)。

(2) 磚坯距窯頂和窯底的垂直距離相同，均為30 cm。

(3) 上下排煙支管內(nèi)徑均為30 cm且沿窯寬方向等間距布置，兩排煙支管中心間距為60 mm，上下水平排煙管內(nèi)徑均為45 cm,排煙總管內(nèi)徑為50 cm。

本文的研究對象是預熱帶及排煙管內(nèi)的煙氣，因此選取窯體內(nèi)部空間作為幾何模型的實體部分，忽略窯體四周耐火材料、排煙管道和閘板的厚度，將它們都簡化為厚度為0的面。另外，由于窯內(nèi)磚坯厚度較窯體內(nèi)部空間尺寸都很小，因此將其也簡化為一塊厚度為0的平板，磚坯離窯內(nèi)壁兩側的距離根據(jù)文獻[1],取100 mm。本文設計上排煙支管上的閘板(3個)全開、半開和三分之一三種情況，研究排煙支管閘板開度對預熱帶內(nèi)氣體流動的影響。經(jīng)上述簡化后的窯內(nèi)空間模型如下圖1。

1.2模型網(wǎng)格劃分

采用Fluent軟件包的前處理軟件Gambit對構建的三種閘板開度的預熱帶窯內(nèi)空間模型(圖1)進行網(wǎng)格劃分。由于物理模型結構比較復雜，故采用非結構化的四面體網(wǎng)格對物理模型進行網(wǎng)格劃分，每個模型最后生成的網(wǎng)格總數(shù)均為51萬左右，模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖1　采用集中排煙結構的預熱帶窯內(nèi)空間模型Fig.1 The model for interior space of preheating zone of roller hearth kiln with a central exhausting structure

2　控制方程與邊界條件

2.1控制方程

輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流動處于紊流狀態(tài)。因此描述窯內(nèi)煙氣流動的控制方程除了連續(xù)、動量、能量方程外，還應包括描述煙氣湍流的湍流模型方程。本文選取廣泛用于陶瓷窯爐窯內(nèi)氣體流動研究的標準K-ε兩方程湍流模型。所有控制方程與文獻[8]相同，在此不再贅述。

圖2　窯體模型網(wǎng)格Fig.2 Mesh of the model of kiln body

2.2邊界條件

煙氣由橫斷面進口設為壓力進口，而煙氣由排煙總管出口斷面排出設為速度進口(實際煙氣是由該斷面排出，為了使煙氣在該斷面的速度方向與實際一致，速度值取負值)。各邊界條件的具體輸入?yún)?shù)及其大小如表1所示。

固體壁面包括窯墻、窯頂、窯底、排煙管道和磚坯。由于現(xiàn)代輥道窯窯體普遍采用保溫隔熱性能好的耐火材料砌筑,排煙管道外壁包一層隔熱保溫性能好的陶瓷棉,因此這兩種壁面向外散熱均很小，故本文中將這兩種壁面均設為絕熱壁面。磚坯上下表面均為流動的煙氣，選擇Fluent軟件中提供的耦合(couple)熱邊界條件作為它的熱邊界條件。另外，本文中涉及的各種材料的物性參數(shù)如表2。

圖3為閘板不同開度時三個沿窯長方向位置(圖3a:x=0 m，圖3b:x=0.3 m，圖3c:x=1 m)的窯內(nèi)橫斷面上煙氣速度分布。從圖3(a1)過排煙結構的橫斷面(x =0 m)上的煙氣速度分布可以看出，當上排煙支管上的閘板均全開時，雖然上下各排煙支管的橫截面形狀與面積均相同，但由于煙氣從上排煙口流到總排煙口的沿程阻力和局部阻力明顯更小，且窯內(nèi)煙氣的幾何壓頭分別轉化為煙氣向上流動的動力和向下流動的阻力，因此各上排煙支管內(nèi)煙氣流速明顯較相應下支管的大，這也直接影響了沿窯長方向上各橫斷面上的煙氣流速分布，導致各輥上橫斷面上的主流煙氣流速均較輥下橫斷面上的大。由圖3(a1)還可進一步發(fā)現(xiàn)，各上、下排煙支管中，左邊的排煙支管中煙氣流速最大，中間的次之，右邊的最小，造成這一分布特征的原因主要是左邊的排煙支管離總排煙口最近，從該排煙支管中的煙氣以一定速度垂直流到其上部水平排煙管時，對中間和右邊的排煙支管中的煙氣流到水平排煙管產(chǎn)生一定的阻力，結果煙氣在左邊排煙支管中的流動阻力最小，中間的次之，右邊的最大。

表1　邊界參數(shù)Tab.1 Boundary Parameters

表2　材料的物性參數(shù)Tab.2　Physical parameters of materials

由圖3(a1)- (a3)中的煙氣速度分布圖可以看出，隨著各上排煙支管閘板開度的減小，各上排煙支管在設置閘板處的截面積減小，煙氣流過該處產(chǎn)生的節(jié)流效果越明顯和受到的局部阻力更大，因此煙氣在閘板上部流速增大，但進入各上排煙支管的煙氣流量卻減小。煙氣在各上排煙支管內(nèi)流動阻力的增大也縮小了煙氣在上下各排煙支管內(nèi)流動阻力的差別，從而減小了進入上下相應位置排煙支管的煙氣量差別，這也進一步減小了輥上橫截面與輥下橫截面上煙氣流速的差別，有利于預熱帶窯內(nèi)煙氣與磚坯上下表面對流換熱的均勻性。但也應注意，當閘板的開度為三分之一時，由于各上排煙支管的煙氣流動局部阻力的進一步增大，導致煙氣在各上排煙支管內(nèi)流動的總阻力反而較各下排煙支管內(nèi)的大，進入各下排煙支管的煙氣量較相應上排煙支管煙氣量多，結果使得輥上橫截面煙氣流速反而較輥下截面上的小。

圖3　閘板開度對沿窯內(nèi)方向不同斷面上煙氣速度分布的影響Fig.3 Influence of damper opening on velocity distribution of flue gas in different sections along width

圖3(b)-3(c)分別為不同閘板開度時，在排煙結構上游兩個位置(x=0.3 m和x=1 m)的橫斷面上的煙氣流速分布。由圖可以看出，當閘板全開時，輥上橫截面上煙氣流速先較輥下截面上的大，而后隨著閘板開度減小，輥上橫截面上煙氣流速較輥下截面上的大，且它們的差別隨著閘板開度的減小而增加。進一步分析發(fā)現(xiàn)，排煙結構上游的橫斷面離排煙結構越遠，排煙閘板開度的變化對橫斷面上煙氣流速影響越小。

4　結　論

本文通過數(shù)值模擬法，采用計算流體動力學(CFD)Fluent軟件，對上排煙支管閘板開度對建陶輥道窯預熱帶內(nèi)煙氣流動的影響進行了模擬計算研究，所得結論如下：

(1)當所有上排煙支管閘板全開時，由于煙氣由上排煙口流至排煙總管出口的流動阻力明顯小于由下排煙口流至排煙總管出口的流動阻力，使得進入上排煙支管的煙氣流速和流量均較進入下排煙支管的大，預熱帶輥上橫斷面煙氣流速較輥下斷面的大，導致斷面沿窯內(nèi)高流速分布不均勻，不利于磚坯上下表面的受熱均勻性。

(2)適當減小上排煙支管閘板的開度，可減小煙氣由上排煙口流至排煙總管出口的流動阻力與由下排煙口流至排煙總管出口的流動阻力之間的差別，有利于減小窯內(nèi)輥上與輥下橫斷面煙氣流速分布的差別；當閘板開度過小，反而使輥下橫斷面煙氣流速較輥上斷面的大，也不利于磚坯上下表面受熱的均勻性。

(3)排煙結構上游的橫斷面離排煙結構越遠，閘板開度的變化對其斷面上煙氣流速影響越小。

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Effect of the Open Position of Dampers Fitted on Branch Exhaust Pipes Installed in Kiln Roof on Flue Gas Flow in Preheating Zone of Roller Hearth Kiln

TONG Jianhui,FENG Qing,LUO Jiang,LIU Jiang,HUANG Xu
( Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China )

Abstract:In order to study the effect of damper opening on flue gas flow in preheating zone of roller hearth kiln,the model for the interior space of the preheating zone with the central exhaust structure was constructed and meshed with tetrahedral grid by using CFD Fluent software.The standard K- two-equation turbulent flow model was selected and the boundary conditions were set.The results indicate that full opening or too small opening of all the dampers fitted on the branch exhaust pipes installed in the kiln roof can lead to serious difference in the flue gas velocity distribution between the upper and the lower section along kiln width.This goes against the uniformity of convection heat transfer between flue gas and green bricks.In addition,further the section located along the upstream of the exhaust device is from the exhaust device,less effect of the damper opening on the velocity distribution of the flue gas of the corresponding section.

Key words:preheating zone of roller hearth kiln; central exhausting; damper opening; velocity distribution; numerical simulation

基金項目：大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(115020-002009)。

收稿日期：2015-07-21。

修訂日期：2015-12-14。

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2016.01.017

中圖分類號：TQ174.6

文獻標志碼：A

文章編號：1000-2278(2016)01-0081-05

通信聯(lián)系人：童劍輝(1977-)，男，博士， 副教授。

Received date:2015-07-21.Revised date:2015-12-14.

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