熱風(fēng)爐水平運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化

閤海峰 高文 吳洋 蔡傳輝

摘 要：針對(duì)熱風(fēng)爐在多層卡夾載具下存在換熱效果差、熱效率較低等問題，本文從熱風(fēng)爐原始結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提出了一種新型水平循環(huán)運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，并分析了在該運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)下爐膛內(nèi)氣流的壓力損失問題。同時(shí)采用數(shù)值仿真軟件Fluent對(duì)實(shí)際的熱風(fēng)爐運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化計(jì)算，模擬結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐;水平運(yùn)風(fēng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Abstract： In this paper， the existing the problem of the hot air circulation furnace is not sufficient convective heat transfer and heat transfer effect is poor under the muli-layer clamp. Based on the design and improvement of the original structure model of horizontal circulation air transport is put forward. At the same time， the pipe resistance of horizontal transport air flow in the furnace chamber is analyzed. The standard k-ε turbulence model of Fluent software is used to simulate the actual structure model. The result shows that the structure meets the design requirement and performance indexes.

Key Words： Fluent; horizontal transport air flow; structure design; structure optimization

1 概述

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)能源的高效利用和節(jié)能減排技術(shù)提出了迫切的需求。其中，熱風(fēng)循環(huán)爐作為一種高效的能源利用設(shè)備，一直備受關(guān)注。因?yàn)闊犸L(fēng)循環(huán)爐采用風(fēng)機(jī)循環(huán)送風(fēng)方式，保持熱風(fēng)在爐膛內(nèi)循環(huán)再利用，可以有效實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)循環(huán)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干燥和加熱目的，達(dá)到了能源高效利用。而目前的熱風(fēng)循環(huán)爐大多數(shù)是上下送風(fēng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于多層載具產(chǎn)品而言，上下送風(fēng)方式不能有效的對(duì)每層產(chǎn)品進(jìn)行充分換熱，從而出現(xiàn)上面產(chǎn)品換熱充分而下面產(chǎn)品換熱不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致裝置熱效率較低、內(nèi)部溫度均勻差等問題。針對(duì)目前熱風(fēng)循環(huán)爐結(jié)構(gòu)上存在的不足，本文提出了一種新型水平循環(huán)運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，并分析了在該結(jié)構(gòu)下熱風(fēng)爐內(nèi)部的氣流壓力損失，同時(shí)根據(jù)爐膛內(nèi)氣流特性，開展了熱風(fēng)爐出風(fēng)口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)熱風(fēng)爐多層卡夾載具產(chǎn)品而言，該水平循環(huán)運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)可有效解決爐內(nèi)換熱效率低、換熱成本高的技術(shù)問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平循環(huán)運(yùn)風(fēng)風(fēng)道循環(huán)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。風(fēng)機(jī)帶動(dòng)多益風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)將風(fēng)甩出，經(jīng)過(guò)加熱管加熱后的熱風(fēng)進(jìn)入進(jìn)風(fēng)板，再進(jìn)入爐膛內(nèi)部與產(chǎn)品進(jìn)行充分對(duì)流換熱。換熱后的熱風(fēng)一部分由出風(fēng)板進(jìn)入上腔體進(jìn)行循環(huán)利用，另一部分經(jīng)過(guò)排氣管道排出。由于熱風(fēng)在爐內(nèi)循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生壓力損失，以及影響爐膛內(nèi)腔的溫度均勻性。因此，熱風(fēng)電機(jī)帶動(dòng)多益風(fēng)輪甩出風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)壓能否滿足爐內(nèi)氣流壓力損失和爐膛內(nèi)腔的溫度均勻性，將是本文分析的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.1壓力損失分析

氣流在循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的流動(dòng)阻力包括導(dǎo)流裝置，各個(gè)加熱元件、爐料、料架等各個(gè)局部阻力和摩擦阻力。在本文中主要分析了氣流在熱風(fēng)爐中的損失主要分為以下部分，風(fēng)道經(jīng)過(guò)上腔體加熱，有一個(gè)沿程損失hm1，由上腔體到進(jìn)風(fēng)板有一個(gè)直角拐彎，產(chǎn)生一個(gè)局部損失hj1。之后到達(dá)進(jìn)風(fēng)板后有一個(gè)沿程損失hm2，由進(jìn)風(fēng)板到達(dá)爐膛內(nèi)腔，有一個(gè)局部損失hj2。爐膛內(nèi)腔有一個(gè)沿程損失hm3，爐膛內(nèi)腔到出風(fēng)板有一個(gè)hj3。出風(fēng)板內(nèi)有一個(gè)沿程損失hm4，出風(fēng)板到上腔體有一個(gè)局部損失hj4，如圖1（b）所示。

其中為通道內(nèi)氣體流速（m/s），為氣體密度（kg/m3），t為氣流溫度（℃），為局部阻力摩擦系數(shù)，可查工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)，L為通道長(zhǎng)度（m），d為通道換算直徑（m），為摩擦阻力系數(shù)，光滑金屬通道為0.025，有氧化皮金屬通道摩擦系數(shù)為0.035～0.045，切磚通道為0.05。

2.2電機(jī)及風(fēng)輪選型

氣流和對(duì)流換熱系數(shù)有著密切的關(guān)系，氣流速度大，更有利于爐溫均勻性的提高。為了更好的反應(yīng)爐溫均勻性，以氣流在爐膛內(nèi)的循環(huán)次數(shù)來(lái)反應(yīng)爐膛內(nèi)的溫度均勻性。爐溫均勻度要求越小，氣流在爐膛內(nèi)每秒中流動(dòng)周期數(shù)要越小，對(duì)于普通的鋁合金淬火爐要滿足爐溫要求±3～±5℃，循環(huán)次數(shù)為0.8～1.0。循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，氣流流動(dòng)的路途越長(zhǎng)，則需要的風(fēng)量也越多，所以對(duì)于熱風(fēng)循環(huán)爐而言，選取合適的風(fēng)量和風(fēng)壓至關(guān)重要。若選取電機(jī)風(fēng)量為Q，風(fēng)壓為P。即爐膛平均速度為

V=Q/A（3）

通過(guò)爐膛內(nèi)平均速度V計(jì)算得到全壓P1，若P1

針對(duì)爐膛內(nèi)水平運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)風(fēng)量和風(fēng)壓的選取做了如下計(jì)算，如圖2所示，表明爐膛內(nèi)的管阻與風(fēng)量的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)量增大是，選取的風(fēng)壓也應(yīng)該隨之增大，若風(fēng)量為2000m3/h，則選取電機(jī)的風(fēng)壓應(yīng)該大于250Pa，只有當(dāng)電機(jī)風(fēng)量大于250Pa時(shí)，才能滿足爐膛內(nèi)的管阻壓力損失。

3 仿真分析

3.1模型建立及網(wǎng)格劃分

本文用Inventor建立熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)三維模型，采用ICEM對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2所示。

3.2 仿真結(jié)果

設(shè)置仿真分析參數(shù)，進(jìn)行仿真分析，本文對(duì)出風(fēng)板小孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中主要仿真了兩種出風(fēng)板小孔結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)為同種腰孔，第二種結(jié)構(gòu)為腰孔形狀不一致，上大下小結(jié)構(gòu)。在給定流量入口情況下進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)第二種流速每一排平均流速比第一種結(jié)構(gòu)較好。對(duì)爐膛溫度均勻性的控制更有利，故選用第二種小孔結(jié)構(gòu)來(lái)控制上腔體氣流到爐膛內(nèi)風(fēng)速的均勻性，從而獲得更好的溫度均勻性。

如圖5所示，腰型孔上大下小結(jié)構(gòu)更能調(diào)節(jié)風(fēng)速均勻性的原因是在于，從爐膛上腔體吹到出風(fēng)板時(shí)，出風(fēng)板內(nèi)的上部氣流都往下積累，從而造成最上一排孔風(fēng)流速度較小，最下一排孔氣流較大，為了緩解氣流的均勻分配，采用上大下小結(jié)構(gòu)的腰型孔，來(lái)均衡氣流速度的不均勻性。所以上大下小結(jié)構(gòu)的腰型孔對(duì)比同種腰型孔來(lái)說(shuō)，可以更好的來(lái)調(diào)節(jié)爐膛氣流，使?fàn)t膛溫度均勻性滿足設(shè)計(jì)的要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證爐膛溫度均勻性是否滿足性能指標(biāo)和要求，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。發(fā)現(xiàn)爐膛的溫度均勻性在±3℃范圍內(nèi)，滿足熱風(fēng)循環(huán)爐的性能指標(biāo)。

5 總結(jié)

（1）本文對(duì)熱風(fēng)爐在水平運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)下的氣流壓力損失進(jìn)行了分析計(jì)算，并提出選用電機(jī)和多益風(fēng)輪的風(fēng)量和風(fēng)壓方法;

（2）為了更好控制溫度均勻性，本文采用Fluent仿真分析軟件，對(duì)出風(fēng)板兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的上大下小腰孔結(jié)構(gòu)，可以滿足爐膛溫度均勻性的要求。

（3）為了驗(yàn)證水平運(yùn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的合理性，本文對(duì)實(shí)際熱風(fēng)爐內(nèi)的溫度均勻性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明爐膛溫度曲線滿足性能和要求。

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作者簡(jiǎn)介：

閤海峰，（1995-），男，碩士，機(jī)械工程專業(yè)，主要從事工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)和研發(fā)。

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第43研究所合肥恒力裝備有限公司，安徽 合肥 230088）