热风炉蓄热室温度场分布的数值模拟_1000000408752411

图1 图2 图3 图4 图5 图6
0. 10 0. 30
0. 03 0. 10
0. 01 0. 04
1. 0
3. 0
2050 3000
10. 0
800
30. 0 1200
注 :长 、宽 、高为蓄热体的尺寸 。
改变蓄热体的长 、宽 、高 (见表 1) ,可知 :比表面 积值大则传热面积大 ,中心点的温度升高较快 。如 果透热深度小 ,也就是蓄热体的当量厚度薄 ,越容易
蓄热阶段中不同的对流换热系数对蓄热体温度 的影响非常明显 。蓄热阶段的烟气排烟速度越大 , 对流换热程度越激烈 ,则蓄热体的温度升高的越快 , 达到饱和温度的时间就越短 。在对流换热系数增大 的时候 ,由于表面的对流换热与内部的导热不一致 , 使得表面中心温度和内部中心温度的差异也变大 。
在相同的换向时间下 ,当 Cp越大时 ,蓄热阶段 的烟气排烟温度越低 ,即蓄热体的蓄热能力越强 ,放 热阶段的空气的预热温度也越高 ,可以得到较高的 余热回收率 。另外 ,比热的增大 ,使蓄热体达到饱和 温度的时间也变长 ,这是由于蓄热体的比热增大 ,相 同单位体积的蓄热能力增强 ,要升到相同的温度则 需要更多的热量 。 4 结论
第 2 3卷 第 6期 2 0 0 4年 1 2月
炼 铁
IRONMA K IN G
Vol. 2 3 , No. 6 D ecem be r 20 0 4
热风炉蓄热室温度场分布的数值模拟
陈 兰 唐 恩
(湖北经济学院 ) (中冶南方工程技术有限公司 )
摘 要 应用传热学理论 ,建立了描述热量饱和时间的非稳态三维传热数学模型 。运用 C语言在 VC + +集成开发 平台进行程序设计 ,通过计算机模拟 ,直观地反映了该过程并对结果进行分析 ,为蓄热室换向时间的确定和优化提 供了依据 。
t+Δt e w
n s
m
ρC p
q
5T 5t
dxdydz
=
t +Δt e n ws
m q
5 5x
(
k
5T 5x
)
dxdydzd t
+
t+Δt e n ws
m q
5 5y
(k
55Ty )
dxdydzd t
+
∫∫∫∫ t+Δt e n m ws q
5 5z
(
k
5T ) 5z
dxdydzd t
式中 ρ———密度 , kg /m3 ; Cp ———比热 , J / ( kg·℃) ; T———蓄热体温度 , ℃。
对方程编辑完成后 ,把方程函数与界面函数相 达到热饱和状态 ,有利于发挥蓄热体的蓄热作用 ,减
结合 ,再设定几个参数的变量 ,通过计算机模拟 ,则 少蓄热体的用量 。同时 ,预热温度的波动越
可以直接在做好的界面上输入变量 ,进行计算和输
出。
3 计算结果及讨论
应用所开发的热风炉蓄热室格子砖内部传热过
图 6 改变蓄热体比热系数对升温及温度分布影响
图 4 改变蓄热体的密度对升温及温度分布影响
在相同的换向时间和形状下 ,当密度越大时 ,蓄 热体内外存在较大温度差的时间变长 ,达到最大温 度差的时间也变长 ,另外 ,由于密度的增大 ,蓄热体 内外达到最高温度和饱和温度的时间均向后延迟 。
图 5 改变蓄热体与烟气的对流换热系数对升温 及温度分布影响
程计算机模拟软件 [ 4, 5 ] ,计算了给定条件下的蓄热
室内的热量传递情况 。通过计算 ,得到了格子砖内
部的温度分布随时间的变化情况 。
以下的图例是通过两个点 (蓄热体的内部中心 点和表面中心点 )在改变各个参数条件下随时间的
图 1 蓄热体表面和内部两点温度随时间变化
增长而改变的温度曲线 。表 1列出的是对应各图的
通过以上计算模拟及分析 ,可以得出以下结论 : (1)蓄热体的形状是改变整个蓄热时间及换向 时间的决定因素 。 (2)蓄热体的导热系数在很大程度上决定蓄热 体表面的温度与内部温度差别的程度 。 (3)对流换热系数对蓄热体达到饱和温度起到 了决定性影响 。 (4)材料的密度在一定程度上影响了本身的导 热性能 。 (5)在相同的换向时间下 ,材料的比热越大 ,蓄 热体的预热回收率越高 。 5 参考文献
初始条件 :由于在一般的生产过程中 ,上一周期 辐射传热不计 。
送风结束时的温度分布是下一周期中燃烧过程的初 2. 2 三维非稳态传热方程的解析
始温度 。因此对于本文的计算过程 ,首先采用初始
在模型假设的基础上 ,对于格子砖的温度分布
温度为常温 ,进行类似于开炉的升温过程的模拟计 可以用三维非稳定态传热方程来描述 [ 2, 3 ] :
程 ,机械工业出版社 5 谭浩强. C语言程序设计. 北京 :清华大学出版社 , 1991. 5
联系人 :陈 兰 ( 430077 )湖北省武汉市湖北经济学院经济信息系 收稿日期 : 2004 - 09 - 06
·40·
1 张先焯. 冶金传输原理. 北京 :冶金工业出版社. 1988. 10 2 刘泉兴. 高炉热风炉自身预热基础研究及传热过程数值模拟
[D ]. 沈阳 :东北大学 , 1997 3 张胤 ,刘中兴 ,贺友多. 热风炉蓄热室内传热过程计算. 包头钢铁
学院学报 , 2001. 3 4 (美 ) H. M. DEitel, P. J. Deitel著. 薛万鹏译. C + +程序设计教
图 4 8月 1 日十字测温曲线 (调整后 )
休风机会于 2002年 5月 16 日及 5 月 31 日分两次 字测温曲线只有即时曲线 ,没有历史记录 。想看过
调整风口 , 2号 、9号 、11号 、12号 、13号风口调整为 110 mm ,风口面积调整为 0. 1283 m2 。通过上 、下部 的调整 ,煤气流分布趋与合理 ,高炉冶炼强度得到提 高 ,顺行程度得到改善 ,十字测温曲线如图 4 所示 。 炉缸工作均匀 ,渣铁排放得到改善 。 4 目前存在的问题
图 2 改变蓄热体的形状对升温及温度分布影响
图 3 改变蓄热体的导热系数对升温及温度分布影响
·39·
小 ,则换向时间也可缩短 。较薄的格砖储热量小 ,对 送风的换向时间越敏感 。
导热系数是反应材料导热性能的主要指标 ,导 热系数大 ,可以迅速地将热量由表面传至中心 ,充分 发挥其蓄热能力 ,使得蓄热体的中心温度与表面温 度的差别很小 。在导热系数增加的条件下 ,可增加 其厚度 ,从而可提高其强度和蓄热能力 。如果提高 导热系数 ,对相同时间条件下的饱和温度和最终温 度的影响不是很大 。
参数变量 ,其中空白处的为相对于图 1 不变的量 。
图 1～6为改变各个参数变量所对应的温度随时间
变化 。
表 1 各图对应所改变的参数
参 数
高度 , m 长度 , m 宽度 , m 导热系数 ,W / (m2 ·K) 密度 , kg/m3 对流换热系数 , kW / (m2 ·K) 比热 , J / ( kg·℃)
基于传热原理及热量守恒定律 ,本文推导并建 立了格子砖蓄热体传热数学模型 ;在合理假设的基 础上进行了程序设计 ,实现全过程的计算机模拟和 仿真研究 ,以确定优化后的换热时间 。 2 模型的建立 2. 1 蓄热室中传热数学模型建立的假设条件
蓄热室中格子砖传热数学模型实际上就是在蓄
热室内气体和蓄热体微元体之间建立能量的平衡方 程 。蓄热体及流体的温度周期性随时间 t及蓄热体 内部位置 x, y, z变化 ,因此认为蓄热体温度 Tw、热流 体温度 Tf是时间 t及变量 x, y, z的函数 。作如下假 设及处理 [ 1 ] : (1)热流体与冷流体在各自入口处的速度及温 度在蓄热室横截面上分布均匀 ,且不随时间变化 ; (2)对流换热系数为常数 ,不随时间 、温度及位 置而变化 ; (3)流体与蓄热体 (格子砖 )的各热物性参数不 变; (4)蓄热介质的表面积及质量分布均匀 ,忽略 流体内部的热传导 ;
去的曲线 ,只能根据各点记录重新绘制 ,很不方便 。 (2)测温电偶不易维护及更换 。各点的测温电
偶工作环境十分恶劣 ,虽然有测温梁的保护 ,测温电 偶极易损坏 ,造成数据不全 ,影响十字测温曲线的应 用。
尽管十字测温曲线在生产中起到了比较好的作 用 ,但目前仍有几个问题需要解决 。
(1)计算机配套软件还有必要开发 。目前 ,十
算 ;在此基础上 ,通过计算燃烧和送风相结合来给出 燃烧过程的初始温度 。
气体与格子砖之间的热量传递包括对流和辐射
ρC
p
5T 5t
)
+
5 5y
(
k
55Ty )
+
5 5z
(
k
5T 5z
)
进行积分可得 :
两部分 ,由于蓄热体壁面的温度分布比较均匀 ,流经
∫∫∫∫ ∫∫∫∫ ∫∫∫∫
联系人 :赵鸿波 工程师 电话 : 0414 - 7827858 ( 117000 )辽宁省本溪市本溪钢铁公司技术中心 收稿日期 : 2004 - 06 - 25
·38·
(5)高温烟气在蓄热室的各部位分布均匀 ,每 蓄热体的气体都是透明气体 ,固固和气固之间的辐
个隔孔传热相同 ,相邻格子砖之间的传热是对称的 。 射很弱 ,对整个温度场的影响很小 ,模型计算中忽略
关键词 热风炉 蓄热体 传热 数值模拟
1 引言 格子砖是热风炉进行热交换的载体 ,炉膛内高
温热烟气通过蓄热体时将显热储存在蓄热体内 ,格 子砖蓄热和放热效率的高低直接影响到热风温度的 高低和热风炉热效率等 。蓄热体的换向时间由其热 量饱和时间确定 ,而掌握蓄热体的温度场分布有利 于确定蓄热体的温度饱和时间 。