辊道窑温度均匀器垂直安装对窑内温度场影响的研究

中 国 陶 瓷2007年 第 1 期

26│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2007(43)第 8 期

第 43 卷 第 8 期2007年 8 月

Vol.43 No.8Aug.2008

中 国 陶 瓷

【摘 要】:利用FLUENT 软件对辊道窑垂直安装温度均匀器前后窑内温度场进行了数值模拟。通过分析模拟计算得出的温度场,发现加入温度均匀器前后窑内温度场有所不同。加入均匀器后,周围附近的烟气温度场更均匀,这有利于减少色差和变形等烧成缺陷。

【关键词】:辊道窑,温度均匀器,数值模拟,温度场

引 言

辊道窑主要是用来烧成建筑陶瓷的陶瓷窑炉。由于辊道窑断面温度均匀、传热效率高、能耗低,已成为建陶企业普遍采用的烧成设备。目前,随着建陶企业的产量越来越大,窑炉也越建越长、截面也愈来愈宽,但窑内温度也越来越难以控制[1],而由于窑内温度不均匀造成的诸如变形、色差等烧成缺陷也日趋严重。因此,如何均匀窑内温度、减小断面温差成了建陶企业最关心的问题之一。

景德镇陶瓷学院冯青教授的发明专利—辊道窑温度均匀器是一种新型窑内温度均匀装置,它能有效地改善窑内(尤其是横断面)温度的均匀性,减少制品变形、色差等缺陷。温度均匀器如何能达到改善窑内温度的均匀性?了解这点对合理操作温度均匀器是有必要的。在查阅工业窑炉数值模拟等相关的资料后[2-4],结合本问题的实际情况,利用FLUENT 软件对窑内加入均匀器前后气体温度场进行了模拟计算,分析了温度场变化。

1 辊道窑温度均匀器简介

辊道窑温度均匀器一般安装在烧成带中的辊上(或辊下)空间。安装时先在烧成带窑墙两侧开圆形的孔洞,再放入调节器,最后将其位置调平,调节器伸出窑外通过金属圆盘连接,其在窑墙间的空隙用耐火棉填实,以防止漏气。其中一端的圆盘通过轴承与轴承座固定,另一端圆盘通过轴承连接一手柄,调节器由两根辊棒组成。通过手柄调节改变装置上两辊棒在窑内的相对位置,改变窑内气流流动状态从而改变温度分布,达到均匀窑温的目的。

2 物理结构模型及网格划分

2.1物理结构模型的简化

主要是研究辊道窑烧成带内垂直放置温度均匀器后,温度均匀器对窑内附近空间烟气温度场的影响。因此,窑体物理模型的长度只需在一、两节窑长范围内选取即可,而模型的高度和宽度以一般辊道窑的内高和内宽选取。中

窑体模型结构尺寸为:长×内宽×内高=4000×2500×800mm 3。另外,考虑到窑内制品除离两侧窑墙有一定的间距(一般为100mm ~200mm)[5]外,它们之间的纵向和横向间隙很小,故可将其简化为一块长为窑长,宽为窑内宽减去两倍离窑墙间距的制品大整体,将窑内气流空间分成辊上、辊下两部分,其尺寸为:长×宽=4000×2300mm 2。由于温度均匀器装置中除辊棒外,其他部件对研究窑内气体流场没有任何影响,故模型中其他部件可忽略。均匀器辊棒结构尺寸为:长×直径=2500mm ×50mm。经合理简化后,加入温度均匀器后的窑体模型结构图如图1。

2.2网格划分

模型计算区域采用四面体非结构网格[6]。窑内烟气经过温度均匀器的辊棒时会发生绕流,附近烟气速度场较大变化会导致温度场的变化。为了更合理模拟放置温度均匀器后烟气的温度场,先对两辊棒四个圆端面的圆周曲线生成线网格,然后再生成体网格,实现对辊棒周围的网格局部加密,最后生成的网格总数为171029个,网格结构图如图2。

3 窑内流动与换热的数学模型

窑内流动与换热的数学模型主要由基本控制方程、模型方程和边界条件等组成。另外,由于烧成带温度高(一般大于900℃),辐射换热占较大比例[7],故能量方程中的辐射源项Sr 需要用辐射模型来模拟。

辊道窑温度均匀器垂直安装对窑内温度场影响的研究

冯 青,童剑辉,艾玉庭,汪和平,宫小龙(景德镇陶瓷学院, 景德镇 333000)

收稿日期:2007-6-6

图1 窑体模型结构示意图

图2 网格结构

文章编号:1001-9642(2007)08-0026-04

研究与开发

2007年 第 8 期中 国 陶 瓷

中国陶瓷│CHINA CERAMICS│2007(43)第 8 期│27 3.1基本控制方程

质量方程:

4 计算结果与分析

4.1垂直放置温度均匀器前后窑长方向的速度和

温度分布

从图3和图4的速度(a)分布图可以看出,辊上空

间垂直放置温度均匀器后,沿窑长方向的烟气流速较放

置均匀器前的流速要小一点,但流速分布却比放置温度

均匀器前的要均匀得多。这主要是因为辊上放置温度均

匀器后,当烟气沿窑头方向流动经过均匀器辊棒时,烟

气接触均匀器辊棒后发生绕流。在辊棒的后半部分,烟

气的流动处在减速增压区,附面层发生分离,由于烧成

(1)

动量方程:

(2)

能量方程:

(3)

3.2 紊流粘性模型和热辐射模型

紊流粘性模型采用标准κ-ε两方程紊流模型,该

模型简单且计算方便,目前广泛应用在工程数值模拟计

算中[8]。紊流动能κ和紊流动能耗散率ε分别由下面输

运方程(4)、(5)计算得到。另外,紊流粘度 可表示成

和 的函数,即方程(6)。

(4)

(5)

(6)

其中:C

μ

=0.09,C

1

=1.44,C

2

=1.92,δ

k

=1.0,

δ

ε

=1.3,δ

T

=0.9~1.0

由于模型的几何结构不是很复杂,故热辐射模型采

用计算机内存耗费不大且计算精度又能保证的P-1辐射

模型[6],其模型方程如方程(7):

(7)

3.3 边界条件和数值方法

1、边界条件

入口边界条件: 给定烟气的流速(按经验设为

0.2m/s)和温度(t=1200℃)。

出口边界条件: 给定烟气的表压(按经验设为3Pa)

和温度(t=1190℃)

壁面及砖坯的边界条件: 壁面和砖坯的流动条件设

定为无滑移边界条件。辊道窑烧成带一般都采用隔热保

温效果好的轻质耐火材料,故窑内壁热边界条件可设为

绝热条件;而制品的设为热耦合热边界条件,只需设定

一个参数:砖坯内部发射率(取ε=0.9 )[5]。

2、数值方法

方程求解采用SIMPLEC方法。为增加计算精度,

选用二阶迎风格式作为控制方程的离散格式,其中各方

程的松弛因子采用默认值。所有参数设定完毕后,最后

对方程迭代求解。

图3 垂直放置温度均匀器前窑

长方向速度(a)和温度(b)分布

(a)

(b)

(a)

(b)

图4 垂直放置温度均匀器后窑

长方向速度(a)和温度(b)分布

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带烟气流动为紊流,在辊棒的后端形成两个旋转方向相反的相对旋涡,并且不断地交替释放出来。从图4的速度分布图中看到,旋涡对周围的烟气产生不同程度的扰动,在辊棒后半部分烟气的下游附近,扰动尤为明显,这使得烟气之间和烟气与制品之间的对流换热得到进一步的加强,可以缩短烧成时间。另一方面,比较图3和图4中的温度(b)分布图,由于温度均匀器对烟气的扰动,使得窑内烟气的流速和温度分布更均匀,这对制品的受热均匀,减少色差和变形等缺陷是有好处的。

4.2垂直放置温度均匀器前后窑横断面速度和温度分布

图5和图6分别是垂直放置均匀器前后窑断面速度和温度分布图。从图中可以发现,由于烟气沿窑宽和窑高方向的流动受两侧窑墙、窑顶和制品的限制,当烟气流经均匀器辊棒发生绕流时,产生的气流旋涡对烟气在这两方向上的流动干扰更剧烈,使得均匀器附近断面上

的温度和速度分布较放置均匀器前更均匀,有效地减小了窑宽方向上的温差,这对减少沿窑宽方向上的制品色差等烧成缺陷是有帮助的,尤其是宽断面辊道窑中的制品和大规格制品。另外,进一步分析图5还知道,因制品离窑两侧的间距较窑内宽小很多,辊道空间被制品分成上下两个连通性较小的气流空间,结果均匀器对辊下空间烟气的温度和速度分布影响较小。因此,为了加强制品下表面气流与制品之间的对流换热和断面温度的均匀性,可在辊下也放置均匀器。但均匀器放置较多会增

大烟气的流动阻力,加大排烟设备的动力消耗,因此放置的均匀器数量要适当,不可过多。

比较图6和图7可知,由于烟气经过均匀器辊棒发生绕流产生的旋涡强度有限,它只能对周围一定距离烟气的速度和温度起到比较明显的均匀作用,而对离它较远的气流速度和温度分布影响很小。

5 结 论

5.1数值模拟结果反映了垂直放置温度均匀器前后窑内温度场的变化和均匀器对不同方向温度和速度分布的影响;

5.2放置均匀器后,烟气流过均匀器发生绕流产生的旋涡对周围的烟气扰动剧烈,加强了烟气之间和烟气

(a)

(b)

图5 垂直放置温度均匀器前窑横断面速度(a)和温度(b)分

(a)

(b)

图6 垂直放置温度均匀器后窑横断面速度(a)和温度(b)分布

(a)

(b)

图7 垂直放置温度均匀器后距温度均匀器1米处窑

横断面速度(a)和温度(b)分布

2007年 第 8 期中 国 陶 瓷

中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2007(43)第 8 期│29

STUDY OF EFFECTS OF THE TEMPERATURE EVEN INSTALLED VERTICALLY FOR

ROLLER HEARTH KILN ON TEMPERATURE FIELD

Feng Qin,Tong Jianhui,Ai Yuting,Wang Heping,Gong Xiaolong

(Jingdezhen Ceramic institute, Jingdezhen 333000)

【Abstract】:In this paper, by the use of FLUENT, a numerical simulation was conducted of roller hearth kiln temperature field before and after the temperature even installed. According to the results of the calculation, the difference of temperature field in the kiln between before and after the temperature even installed is showed. After the temperature even was installed, the distribution of gas temperature field is more uniform around it,It is helpful to reduce firing fault, such as aberration and distortion.

【Keywords】:roller hearth kiln,temperature even,numerical simulation,temperature field

同制品之间的对流换热,同时还使得窑内附近烟气的速度和温度分布更均匀,有助于减少色差等烧成缺陷;

5.3由于绕流产生的气流旋涡强度有限,均匀器只能对周围一定距离的烟气速度和温度起到比较明显的均匀作用,而对离它较远的烟气速度和温度分布影响很小。

5.4为了加强制品下表面气流与制品之间的对流换热和断面温度的均匀性,可在辊下也放置均匀器。但均匀器放置较多会增大烟气的流动阻力,加大排烟设备的动力消耗,因此放置的均匀器数量要适当,不可过多。

参 考 文 献

[1]曾令可,张明等.陶瓷辊道窑宽断面需解决的问题. 中国

陶瓷工业,2001年6月 第8 卷 第2期:26-28

[2]童剑辉,冯青等. 辊道窑烧成带气体流场与温度场的三维数值模拟. 中国陶瓷, 2006年 第42卷 第10期:27-30[3]2002年FLUENT 中国用户年会论文集. 31-36

[4]刘东亮,金永中等. 梭式窑温度场影响因素的数值研究中国陶瓷,2006年 第42卷 第5期:16-18

[5]胡国林. 建筑陶瓷工业辊道窑. 北京:中国轻工业出版社, 1998.12,169-170

[6]王福军. 计算流体动力学分析. 清华大学出版社,2004.9 181-182,200-208

[7]曾令可等. 辊道窑内的传热及影响热耗因素分析.佛山陶瓷,1998. 第4期:4-8[8]陶文铨. 数值传热学(第2版). 西安:西安交通大学出版社, 2001.347-398

funnel glasses[J].Materials Letters,2006,60(3):929-934[11]Enrico Bernardo,Francesca Albertini.Glass foams from dismantled cathode ray tubes[J].Ceranics International,200

6,32:603-608[12]田英良,赵飞.生产泡沫玻璃的关键工艺及质量控制[J].新型建筑材料,2000,(10): 29-31 [12]

PREPARATION AND MECHANICAL PROPERTIES OF FOAM GLASS-CERAMIC

Gao Shuya,Guo Hongwei,Liu Xinnian,Dong Xiaofeng,Mu Kailang (Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021)

【Abstract】: The foam glass-ceramic have developed by sinter method using waste cathode ray tube glass as raw material and SiC as foaming agent. The effect of foaming agent quantity, heating rate, colling rate, holding time on mechanical properties were analyzed by means of DTA,XRD and SEM. The results show that the main phase is Pb and second phase are Pb 3O 4, Al 6Si 2O 13 of foam glass-ceramic with compress strength of 6.28 MPa and a bending strength of 2.1MPa.

【Keywords】: foam glass,cathode ray tube,insulating material

(上接第46页·Continued from page 46)

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