中間輻射體對(duì)強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱的影響規(guī)律

李 成 ，婁錦東 ，張衛(wèi)軍 ，李 娜

（1.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110035）

連續(xù)加熱爐[1-3]是軋制或熱處理工序的必要加熱設(shè)備，用于加熱鋼坯，使鋼坯溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵企業(yè)中，軋鋼加熱爐是僅次于煉鐵的第二大能耗設(shè)備[4]。因此，降低爐子的燃料消耗是節(jié)能降耗工作的重要部分。爐內(nèi)強(qiáng)化傳熱的研究有利于提高加熱爐的熱效率，有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量，使企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的大目標(biāo)[5-7]。其中，在爐墻懸掛中間輻射體是強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱的主要方式之一[8-10]。

由于缺少機(jī)理研究，中間輻射體的節(jié)能效果僅能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明，還無(wú)法在理論上對(duì)黑體元件技術(shù)進(jìn)行描述和研究。這導(dǎo)致中間輻射體的最佳結(jié)構(gòu)、表面輻射特性及安裝位置等都沒有理論依據(jù)，也無(wú)法找到通過(guò)中間輻射體來(lái)調(diào)控溫度的明確方向。為了該技術(shù)在加熱爐上得到更好的應(yīng)用，對(duì)黑體技術(shù)的節(jié)能原理和蓄熱式加熱爐的特點(diǎn)進(jìn)行研究具有重大意義。本文根據(jù)中間輻射體技術(shù)增加爐體表面黑度和表面積的特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬的方法，選擇合適的流動(dòng)、燃燒、組分輸運(yùn)和換熱模型，模擬加熱爐內(nèi)水管出水溫度分布，研究黑體輻射技術(shù)對(duì)強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱的效果及不同位置、不同形狀的中間輻射體對(duì)爐內(nèi)輻射的影響。

1 加熱爐物理模型

1.1 加熱爐的基本參數(shù)

實(shí)際連續(xù)加熱爐的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素較多，不便于分析中間輻射體對(duì)爐內(nèi)傳熱的直接影響。因此本研究提出新型實(shí)驗(yàn)爐，結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐底面積為1.8×1.8=3.24 m2。采用水管代替鋼坯，目的是構(gòu)建穩(wěn)定的工況，僅僅考慮其吸熱，模擬爐膛內(nèi)的流動(dòng)以及傳熱情況。通過(guò)在壁面上插入一系列高輻射率的中間輻射元件來(lái)達(dá)到強(qiáng)化壁面輻射的目的。

圖1 不同配置加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，中間輻射體的參數(shù)如表1所示。

表1 中間輻射體形狀參數(shù)

加熱爐的輻射室為立方體，輻射室內(nèi)的水管等間距排列，共4根。燃燒器在整個(gè)爐膛的端部，共兩個(gè)，選用套筒燃燒器。其他具體尺寸材料如表2所示。

表2 爐子結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

1.2 加熱爐簡(jiǎn)化處理

燒嘴選用低壓渦流式燒嘴，簡(jiǎn)化模型釆用最簡(jiǎn)單的套筒式進(jìn)料方式。燃料氣和空氣都沿豎直方向進(jìn)入爐膛內(nèi)。其中內(nèi)圈是燃料氣入口，外圈是空氣入口。針對(duì)實(shí)驗(yàn)加熱爐，本論文網(wǎng)格劃分屬于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這樣有利于提高網(wǎng)格質(zhì)量。由于本研究的加熱爐模型沿寬度方向上對(duì)稱，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行對(duì)稱化處理，可以減少網(wǎng)格的數(shù)量，便于計(jì)算。對(duì)不同模型網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.45以上，質(zhì)量良好符合計(jì)算要求。

2 加熱爐數(shù)學(xué)模型建立

2.1 基本假設(shè)條件

加熱爐實(shí)際的燃燒傳熱過(guò)程非常復(fù)雜，為了高效并具有針對(duì)性地完成數(shù)學(xué)模擬試驗(yàn)，作出如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

（1）加熱爐內(nèi)混合氣體為不可壓縮流體，不考慮氣體對(duì)熱輻射的選擇性吸收，將其視為灰體。

（2）加熱爐內(nèi)不考慮燃燒之外其他的化學(xué)反應(yīng)和變化。

2.2 基本控制方程

（1）質(zhì)量守恒方程

根據(jù)質(zhì)量守恒原理，得到如下微分形式的質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；x，y，z 為坐標(biāo)；u，v，w 為流體在 x，y，z坐標(biāo)上的速度分量。

由于本文為不可壓縮流體，其密度為常量，故公式可表示為：

（2）能量守恒方程

任何包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足能量守恒這一基本定律。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。該定律實(shí)際上是熱力學(xué)第一定律，其表達(dá)式如下：

式中：H為動(dòng)能的總熱焓，J；Γh為熱源擴(kuò)散系數(shù)，無(wú)量鋼；Qrad為輻射與熱源項(xiàng)，W/m3；QR為化學(xué)反應(yīng)熱源項(xiàng)，W/m。

（3）動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒方程的建立遵循的是牛頓第二定律，作用力的合力等于單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化量。下式為黏性為常數(shù)的不可壓縮流體形成的流體系統(tǒng)在三個(gè)坐標(biāo)方向上的動(dòng)量守恒方程：

式中：v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；p為表面力，N/m2。

（4）組分質(zhì)量守恒方程

系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對(duì)時(shí)間的變化率，等于通過(guò)系統(tǒng)界面的凈擴(kuò)散通量與通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成或消失的該組分的凈生產(chǎn)率之和。根據(jù)這一定律，可以寫出組分質(zhì)量守恒方程：

式中：Γs為組分s的交換系數(shù)；Rs為組分由于化學(xué)反應(yīng)引起的生成或消耗率。

2.3 數(shù)學(xué)模型選擇

（1）湍流數(shù)學(xué)模型

爐膛內(nèi)的流動(dòng)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行湍流的模擬求解。

（2）燃燒模型

湍流燃燒包含了流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)以及它們之間的相互作用。本文加熱爐內(nèi)流動(dòng)屬于湍流，燃料和氧化劑通過(guò)多股射流，以非預(yù)混的形式送入爐內(nèi)。渦耗散概念模型（EDC）的特點(diǎn)是在湍流反應(yīng)中考慮了詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，并且適用于預(yù)混、非預(yù)混和部分預(yù)混燃燒的情況，因此本研究采用渦耗散概念模型（EDC）。

（3）輻射換熱模型

本研究采用的輻射模型為DO模型。DO模型是適用范圍最大的模型，它可以計(jì)算所有光學(xué)厚度的輻射問(wèn)題，并且計(jì)算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問(wèn)題中出現(xiàn)的參與性介質(zhì)輻射在內(nèi)的各種輻射問(wèn)題。

2.4 邊界條件確定

（1）入口邊界條件

入口設(shè)置均為速度入口邊界，需要設(shè)定入口速度，加熱爐的燃料為甲烷，發(fā)熱值為35 800 kJ/m3，空燃比取1.05，其他參數(shù)見表3。

表3 邊界條件參數(shù)

（2）出口邊界條件

廢氣出口設(shè)置為壓力出口邊界，需要設(shè)定出口壓力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置0 Pa，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑按照公式計(jì)算得0.21 m。同時(shí)給出出口邊界外的溫度為室溫，即300 K。水流出口設(shè)置為outflow，無(wú)需其他設(shè)置。

（3）壁面邊界條件

采用耦合面條件處理中間輻射體壁面，中間輻射體黑度取0.95。采用耦合面條件處理水管壁傳熱，因?yàn)檩椛涫覂?nèi)的溫度比較高，爐管內(nèi)的介質(zhì)被加熱，導(dǎo)致爐管內(nèi)的溫度不斷升高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，黑度取0.8。

采用熱流壁邊界條件處理爐壁散熱，加熱爐壁面由保溫磚、耐火磚、保溫棉以及金屬壁面組成，傳熱方式主要為對(duì)流傳熱，爐膛外壁條件由公式Q=εσT4得出，其中σ取 0.8，T取300 K。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

由圖2可以看出基礎(chǔ)模型中水管內(nèi)水流的溫度分布情況：四根管內(nèi)水流入口溫度均為300 K，在水流進(jìn)入爐膛到出爐的過(guò)程中，隨著燃料的不斷放熱，爐管內(nèi)水流的溫度沿爐管長(zhǎng)度不斷升高。

圖2 管壁溫度和水流溫度分布圖

3.1 不同形狀中間輻射體的作用

表4為水管管壁熱流量表。由表可知，在相同條件下，不加裝中間輻射體的基礎(chǔ)模型通過(guò)水管管壁的熱流量最低，方案2、方案3和方案4較方案1的熱流量分別增加了3.8%、4.8%和5.8%，證明中間輻射體有一定的強(qiáng)化輻射作用。

表4 水管管壁熱流量表

以爐底中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，寬度方向?yàn)閤方向建立坐標(biāo)系。圖3是水管溫度增長(zhǎng)量分布圖。三個(gè)方案的管內(nèi)蒸汽入口溫度均為300 K。由圖可見，隨著燃料的不斷放熱，管內(nèi)水流溫度沿爐管長(zhǎng)度不斷升高，說(shuō)明在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)管內(nèi)蒸汽不斷從爐膛內(nèi)部吸熱。在爐墻上安裝了中間輻射元件之后，方案2、方案3和方案4管內(nèi)水流的出口溫度大約比方案1分別提高了3.6%、4.0%和5.2%。

圖3 水管溫度增長(zhǎng)量分布圖

在相同條件下，通過(guò)在爐墻上安裝中間輻射元件來(lái)強(qiáng)化爐墻輻射傳熱可以有效提高加熱爐的傳熱效率，從而有效節(jié)省燃料。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同形狀的中間輻射體而言，梯形中間輻射體較矩形中間輻射體更有優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化輻射傳熱效果更好。

3.2 不同厚度中間輻射體的影響

由于中間輻射體之間存在相互遮擋，雖然爐墻對(duì)水管的輻射面積增加了，但有效輻射面積并不一定增加；另一方面，安裝中間輻射體將使?fàn)t膛燃燒空間減少。矩形1和矩形2中間輻射體厚度不同，對(duì)加熱爐內(nèi)輻射傳熱的影響也隨之變化。由表4可以看出，矩形1管壁熱流總量比矩形2管壁熱流總量降低1.85%；矩形1管壁熱流輻射量比矩形2管壁熱流輻射量降低1.93%。由圖4可知，矩形1水流出口溫度相比于矩形2水流出口溫度降低了1.47%。對(duì)于相同形狀的中間輻射體而言，厚度相對(duì)較小的中間輻射體強(qiáng)化輻射傳熱效果更好，可以更加有效地提高加熱爐的傳熱效率。

3.3 不同位置受中間輻射體的影響

提取方案1和方案2中間及兩側(cè)水管水流平均溫度得到表5。由表可知，在相同條件下，受燒嘴相對(duì)位置的影響，加熱爐內(nèi)四根水管出水溫度有所不同，靠近中間的兩個(gè)水管內(nèi)水流溫度較低，靠近兩側(cè)的兩根水管內(nèi)水流溫度較高，相差不到0.5%。

圖4 水管溫度增加量分布圖

表5 方案1、2水管平均溫度（K）

為證明中間輻射體對(duì)不同位置的加熱元件強(qiáng)化傳熱效果不同，定義增長(zhǎng)率A：

式中：A—增長(zhǎng)率，%

T1—方案1同一距離下溫度，K

T2—方案2同一距離下溫度，K

圖5為方案1、2水管平均增長(zhǎng)率分布圖。可以看出，中間水溫的增長(zhǎng)率始終低于兩側(cè)水溫的增長(zhǎng)率，加熱爐內(nèi)中間輻射體對(duì)靠近兩側(cè)的強(qiáng)化輻射效果更好。

圖5 水流增長(zhǎng)率分布圖

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型，并研究了中間輻射體對(duì)爐內(nèi)強(qiáng)化傳熱的作用機(jī)制。得到主要結(jié)論如下：

在穩(wěn)定工況下，加熱中間輻射體能提高水管出口溫度，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱，即中間輻射體對(duì)強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱具有積極作用。

中間輻射體的形狀及位置對(duì)受熱物體表面的熱流分布存在一定的影響。由本文研究可知，梯形中間輻射體較矩形中間輻射體更有優(yōu)勢(shì)，矩形1水流出口溫度比梯形水流出口溫度提高了0.3%；對(duì)于相同形狀的中間輻射體，厚度相對(duì)較小的中間輻射體強(qiáng)化輻射效果更好，矩形1水流出口溫度比矩形2水流出口溫度提高了1.47%。而由受熱物體表面的溫度分布可知，中間輻射體對(duì)靠近兩側(cè)的強(qiáng)化輻射效果比靠近中間的效果更好。