減火坑對燒成制度和傳熱強化影響的理論研究

宮小龍 ，湯永智 ，馮 青 ，劉中良

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學 材料科學與工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，強化傳熱與過程節(jié)能教育部重點實驗室，北京 100124)

0 引 言

三千至四千年前，隨著拱頂窯爐砌筑技術(shù)的誕生新型陶瓷窯爐結(jié)構(gòu)運用而生，其中在南方潮濕環(huán)境中龍窯的應(yīng)用使得窯爐保溫性能和升降溫速率得到大幅度提高。歷經(jīng)唐宋陶瓷燒成技術(shù)快速發(fā)展時期，龍窯“長、寬、緩”結(jié)構(gòu)逐漸完善成型，其陶瓷制品置于匣缽中燒制而成[1]。南窯為發(fā)掘迄今全國最長的唐代龍窯，因其矚目的考古價值成為2013年“全國十大考古新發(fā)現(xiàn)”。南窯遺跡的出土將“世界瓷都”景德鎮(zhèn)的制瓷歷史向前推進了200年，也填補了景德鎮(zhèn)瓷器燒造窯爐形制最早形態(tài)的空白。樂平南窯的發(fā)掘有六大考古成果，其中之一便是最早使用減火坑技術(shù)，減火坑也因此載入了古代龍窯的史冊[2]。減火炕技術(shù)，即在古代陶瓷窯爐窯床上往下挖一定深度的方坑，引導火焰向下，有效地調(diào)節(jié)窯爐室內(nèi)的抽力，使窯內(nèi)溫度均勻、煙氣流速減緩，從而有利于陶瓷制品在弱還原火焰中高質(zhì)量燒成。南窯的發(fā)掘再現(xiàn)了唐代景德鎮(zhèn)陶瓷制造業(yè)的繁榮盛況以及景德鎮(zhèn)地區(qū)陶瓷制造工藝、燒成技術(shù)和窯爐制造技術(shù)的先進程度[3]。

古代陶瓷窯爐有別于現(xiàn)代陶瓷窯爐可以利用人工智能PID自動控制窯內(nèi)燒成制度[4-5]、局部節(jié)能優(yōu)化[6]或通過換熱器和流體機械循環(huán)利用余熱節(jié)能[7]。龍窯“長、寬、緩”結(jié)構(gòu)雖然可以提高燒制陶瓷制品速率，提高保溫性能，但龍窯依然面臨著窯內(nèi)抽力大、窯內(nèi)燒成制度不易控制等缺陷。而減火坑技術(shù)的應(yīng)用可以有效的解決龍窯窯內(nèi)煙氣流速大問題，同時又保持了窯內(nèi)穩(wěn)定的燒成制度和陶瓷制品傳熱速率環(huán)境。本文主要通過簡化的理論模型對減火坑附近的燒成制度和陶瓷制品的傳熱系數(shù)進行了詳細的分析討論，并從理論上印證了龍窯減火坑技術(shù)及其附近陶瓷制品分布方式等考古發(fā)現(xiàn)的合理性和科學性，從而彰顯古代勞動人民的智慧結(jié)晶。

1 南窯減火炕遺址信息

景德鎮(zhèn)南窯遺址位于樂平市接渡鎮(zhèn)南窯村窯山上，是迄今景德鎮(zhèn)境內(nèi)已知的最早窯業(yè)遺址，因其特有的考古價值令人矚目，南窯主體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。減火坑技術(shù)也因最早在龍窯中使用而成為南窯六大考古成果之一，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。為了進一步詳細了解減火坑技術(shù)對燒成制度和窯內(nèi)陶瓷制品穩(wěn)定換熱速率的影響，圖1給出了減火坑挖掘現(xiàn)場示意圖及分布圖，表3給出了出土匣缽分布和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

通過上述圖表信息可以得到以下考古信息：(1)減火坑技術(shù)會使得局部流道有效流通面積大幅增大。(2)減火坑內(nèi)支柱和出土匣缽尺寸相比于其附近支柱和出土匣缽尺寸明顯偏大。(3)減火坑內(nèi)及其附近支柱大致以順排形式排放，減火坑尾跡區(qū)支柱相對較密，即陶瓷制品擺放較密。

2 減火坑處煙氣流速和燒成制度的理論分析

無論是現(xiàn)代輥道窯、隧道窯還是古代龍窯在燒制制品時保持窯內(nèi)燒成制度的穩(wěn)定性十分重要，只有在穩(wěn)定適宜的燒成制度下才能保證陶瓷制品的質(zhì)量。因此減火坑技術(shù)的應(yīng)用需要在保證燒成制度穩(wěn)定前提下，去改善窯爐某些方面的不足。本節(jié)主要通過理論分析減火坑附近燒成制度和煙氣流速，以印證龍窯減火炕技術(shù)的合理性和科學性。

為了使問題得到適當簡化便于理論分析求解，又能保持實際問題的基本特點，做出如下假設(shè)：(1)忽略減火坑處的傾斜角及其附近流體密度和重力勢能的變化。 (2)忽略窯門入火通道氣體密度的變化；假設(shè)窯體外壁絕熱，窯爐旁輔助燃燒室提供熱量與窯體吸收熱量收支平衡。 (3)假設(shè)煙氣為理想氣體，服從穩(wěn)定流動且不對外界做功，同時忽略擋板和窯墻等對煙氣流速的阻力影響。 (4)假設(shè)龍窯空窯調(diào)試狀態(tài)下燒成制度穩(wěn)定，滿窯時燒成制度也能達到相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 南窯主體結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of Southern kiln

表2 減火坑主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2Main structural parameters of fire-reducing pit

表3 出土匣缽分布和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Distribution and main structural parameters of unearthed Saggers

圖1 南窯減火炕遺跡挖掘現(xiàn)場示意圖及分布圖[3]Fig.1 Excavation site and location of the fire-reducing pit for Southern Kiln [3]

2.1 減火坑前端煙氣流速

古代龍窯中陶瓷制品在燒制過程中所需的熱量主要由窯頭燃燒室供應(yīng)，通過入火通道傳遞到窯內(nèi)，因此在研究減火坑處的燒成制度前需要先確定其前端的煙氣流速。窯頭燃燒室的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其中窯門入火通道底截面1-1處為微正壓，入窯截面2-2處為微負壓，顯然零壓面位于兩截面之間。以零壓面為基準，則通過入窯截面2-2吸入煙氣的氣體體積流量Ψ(μ為流量系數(shù))[8]，

式中P0為零壓面壓力，P2為入窯截面壓力，ρ0為參考基準密度，T0為參考基準溫度。

煙氣從窯門入窯截面到減火坑K1過程可視為一個封閉系統(tǒng)。煙氣在流道中受到自身重力、浮力以及墻壁摩擦力的共同作用。由于氣體的質(zhì)量較小，其所受到的重力和摩擦力相對于浮力而言可以不加以考慮，引入矯正系數(shù)消除這一影響。則煙氣在窯內(nèi)流動的推動力可以表示為：

圖2 窯頭入火通道結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of kiln head fire-in passage

煙氣沿程加速度為：

假設(shè)煙氣沿程流動過程中滿足勻加速直線運動則有：

同時煙氣滿足理想氣體性質(zhì)：

求解上述方程組有：

式中，ρ1, ρ2分別為入窯截面和減火坑前端煙氣密度；t1, t2分別為入窯截面和減火坑前端煙氣溫度，V1為減火坑前端煙氣速度。

其中，ρ0=1.32 kg/m3, t0=273 K, μ=0.81, =0.80, g=10 m/s2, P0=0 Pa。

其他經(jīng)驗數(shù)據(jù)取值為：P2=3 Pa，T=1523 K，t1=T=1523 K, t2=1473 K。

其中，T參考入窯一般經(jīng)驗溫度，t2參考陶瓷制品所需最佳燒結(jié)溫度。解得減火坑K1前緣速度V1=1.953 m/s。

2.2 窯減火坑附近煙氣狀態(tài)參數(shù)

龍窯減火炕結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。根據(jù)模型的假設(shè)，忽略減火炕附近流體密度和重力勢能的變化，理想煙氣服從穩(wěn)定流動且不對外界做功。以減火坑I-I截面和II-II截面前后作為一個封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)進出能量守恒。工質(zhì)處于絕熱不對外做功的穩(wěn)定流動過程中，任一截面上工質(zhì)的動能和焓的總和保持不變，即煙氣滯止焓h0不變。則有：

圖3 減火坑結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural diagram of fire-reducing pit

穩(wěn)定流動過程中工質(zhì)流過截面I-I和截面II-II滿足連續(xù)性方程：

式中，h1/h2、V1/V2、T1/T2和A1/A2分別為空窯時減火坑截面I-I和截面II-II處的比焓、速度、溫度和流通面積；Cp為減火坑處的定壓比熱。

其中：A1=A=3.51 m2，A2=A1+ b1H1=4.65 m2，T1= t2=1473 K, V1=1.953 m/s, Cp=1.340 kJ/(kg.K)。

聯(lián)解上式可得：V2=1.474 m/s，T2=1473.61 K。

由模型假設(shè)可知截面I-I到截面II-II可看作絕熱過程，則煙氣的基本狀態(tài)參數(shù)間滿足：

其中，k為煙氣絕熱指數(shù)，k=1.4?？傻肞2=-3.0045 Pa。

為了便于分析引入減火坑技術(shù)對局部燒成制度的影響，引入各參數(shù)變化率η。則有，速度的變化率： ηV=(V1- V2)/V1=24.68%；溫度的變化率：ηT=(T2- T1)/T1=0.041%；壓力變化率：ηP=(P2- P1)/P1=0.15%。

通過上述狀態(tài)參數(shù)的理論計算分析可知：煙氣流經(jīng)減火坑處速度降低24.68%，速度減緩可有效引導火焰向下，有利于調(diào)節(jié)窯內(nèi)溫度的均勻性，便于燒結(jié)；而減火坑附近溫度和壓力基本保持不變，對窯內(nèi)燒成制度的影響較小，有利于維持窯內(nèi)燒成制度的穩(wěn)定性。減火坑技術(shù)的應(yīng)用有效地克服了由于龍窯長、幾何壓頭大、煙氣流速大和傳熱效率低等缺陷，具有很高的適用性和科學性。

3 減火坑技術(shù)傳熱強化理論分析

上一節(jié)的理論分析結(jié)果表明，雖然減火坑附近的溫度制度和壓力制度基本保持不變，但煙氣流速卻發(fā)生較大變化，顯然煙氣流速的變化會對窯內(nèi)制品的換熱強化作用產(chǎn)生影響。為了使窯內(nèi)燒成環(huán)境穩(wěn)定，則必然需要通過裝窯密度或是不同大小的陶瓷制品去平衡這一速度差異。而考古現(xiàn)場的發(fā)現(xiàn)證實了這一點：減火坑內(nèi)及附近出土匣缽的尺寸大小存在一定的差異，其中減火坑內(nèi)為大尺寸匣缽，而附近為小尺寸匣缽。此外，減火坑上下游支柱順排排數(shù)雖然相同，但下游支柱間明顯較密。為了進一步科學地解釋上述現(xiàn)象，本節(jié)主要針對減火坑技術(shù)傳熱強化作用進行理論分析。為了簡化傳熱強化過程便于理論分析求解，做出如下假設(shè)：

(1) 陶瓷制品在窯內(nèi)可視為一定當量直徑的豎管，其當量直徑即為特征長度。

(2) 陶瓷制品在窯內(nèi)受熱模型可視為流體橫掠管束受熱模型。

(3) 忽略南窯窯墻、裝制品匣缽的能量耗散，窯內(nèi)制品的裝窯至距窯頂C=0.3 m處。

(4) 微負壓工況煙氣的物性參數(shù)以標準大氣壓工況物性參數(shù)作為參考。

3.1 滿窯時減火坑附近傳熱系數(shù)

從考古現(xiàn)場出土匣缽分布和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)可以看出減火坑內(nèi)燒制的為大型制品，而減火坑附近燒制的為小型制品。為便于分析，假設(shè)減火坑(IIII截面)及其附近(I-I截面)燒制的各為一種制品，以其平均當量直徑作為特征長度計算。鑒于匣缽底徑偏小其外圍直徑基本都接近口徑的特殊結(jié)構(gòu)，以口徑作為當量直徑。則有，I-I截面特征長度：lI=(19 cm + 20 cm)/2=19.5 cm,II-II截面特征長度：lII=(31 cm + 32 cm)/2=31.5 cm,從考古現(xiàn)場可得到，減火坑附近(I-I截面)和減火坑內(nèi)(II-II截面)陶瓷制品排布滿足順排方式，其順排排數(shù)分別為：nI=7, nII=5。則I-I截面和II-II截面處的流通面積AI和AII分別為：

滿窯時入火通道吸入煙氣體積流量基本保持不變，窯內(nèi)流道任一截面處滿足連續(xù)性方程。假設(shè)I-I截面和II-II截面的煙氣流速分別為VI、VII，則有，

解得：VI=4.687 m/s, VII=5.424 m/s.

根據(jù)模型的假設(shè)可知，I-I截面和II-II截面都滿足流體橫掠管束傳熱關(guān)聯(lián)式，即滿足ZhuKausKas關(guān)聯(lián)式[9]。由上一節(jié)理論分析可知：I-I截面和II-II截面溫度基本相等，因此可以將減火坑及其附近煙氣的物性參數(shù)視為不變，其特征溫度取1473 K。煙氣取對應(yīng)標準大氣壓下的各項物性參數(shù)為：ρ=0.240 kg/m3，λ=12.62×10-2W/(m·h), ν=221.0×10-6m2/s, Prf=0.56,Prw=0.57, Cp=1.340 kJ/(kg.K)。

I-I截面：

其中，εI為管排修正系數(shù)，nI=7時, εI=0.954。則I-I截面處的傳熱系數(shù)：

II-II截面：

其中，II為管排修正系數(shù)，nII=5時, εII=0.928。則II-II截面處的傳熱系數(shù)：

考慮到煙氣的輻射在整個容積中進行，減火坑處氣體輻射容積增大，氣體平均射線程長增大，相對減火坑附近高溫氣體輻射能力增強，綜合換熱強度也隨著增大。假設(shè)減火坑附近相同輻射容積對換熱強度的影響相同，引入矯正系數(shù)n對減火坑增大的輻射容積進行修正，εn=1.1。則有

因此截面II-II與截面I-I處實際傳熱系數(shù)偏差：

通過上述理論計算分析可知：雖然減火坑內(nèi)和減火坑附近煙氣流速存在一定的差異，燒制陶瓷制品的大小和順排排數(shù)也存在較大的差異，但兩處的換熱系數(shù)基本上相等，窯內(nèi)換熱環(huán)境滿足穩(wěn)定的換熱速率，有利于陶瓷制品燒成。同時也使得考古發(fā)現(xiàn)在理論上得到了印證。

3.2 減火坑尾跡區(qū)擾動作用

由模型假設(shè)可知：煙氣繞陶瓷制品流動可以看成繞圓柱體流動，在減火坑處煙氣垂直于當量直徑為lII的圓柱體流動。

煙氣處于亞臨界狀態(tài)，邊界層和物面在迎流面上分離，分離點與來流成85°夾角，背流面的整個尾跡區(qū)為湍流擾動,如圖4所示。而且減火坑處煙氣流過的是順排管束，相當于多個圓柱體擾流的疊加，其背流尾跡區(qū)內(nèi)的擾動作用更加劇烈，湍流更加混亂[10]。由于擾動作用，換熱效果顯然會得到強化。相對于減火坑前端而言，減火坑后端尾跡區(qū)的綜合換熱系數(shù)會有所增大。為保持相同的傳熱速率，因此尾跡區(qū)的陶瓷制品擺放比前端更為緊密，窯內(nèi)順排支柱沿程間距減小。

圖4 減火坑尾跡區(qū)湍流Fig.4 Turbulent flow at the fire-reducing pit trailing end

4 結(jié) 論

為了更好地解釋樂平南窯考古出土的減火坑技術(shù)及其附近陶瓷制品分布方式的合理性和科學性，從而彰顯古代勞動人民的智慧結(jié)晶。本文通過簡化的理論模型對空窯時減火坑附近的燒成制度和滿窯時減火坑附近陶瓷制品的傳熱強化作用進行了詳細的分析討論，可以得出以下結(jié)論：

(1)煙氣流經(jīng)減火坑處速度降低24.68%，速度減緩可以有效引導火焰向下，從而利于調(diào)節(jié)窯內(nèi)溫度的均勻性，便于陶瓷制品燒結(jié)；而溫度制度和壓力制度基本保持不變，從而保證了減火坑及其附近穩(wěn)定的燒成環(huán)境。

(2)雖然減火坑內(nèi)外煙氣流速存在較大差異，但通過燒制不同大小的陶瓷制品和不同的順排排數(shù)可以有效地維持換熱速率的穩(wěn)定性。減火坑內(nèi)外傳熱系數(shù)基本保持不變，僅相差1.76%，較符合窯內(nèi)穩(wěn)定換熱速率條件。

(3)減火坑處煙氣橫向繞流陶瓷制品在尾跡區(qū)形成的湍流，增強了流場的擾動作用，從而增大其尾跡區(qū)換熱強化效果。因此尾跡區(qū)的陶瓷制品擺放比前端更為緊密，順排支柱沿程間距減小。