隧道窯冷卻帶噴嘴布置對窯內(nèi)氣流動的影響

1、隧道窯冷卻帶噴嘴布置對窯內(nèi)氣流動的影響摘 要 利用計算流體力學(xué)軟件 Fluent 中的標 準紊動能-紊動能耗散率（k- £模型和多孔介質(zhì)模型， 對隧道窯冷卻帶內(nèi)氣體流場進行了三維數(shù)值模擬，研 究噴嘴的數(shù)量和布置方式對窯內(nèi)氣體流動的影響。研 究表明，噴嘴的安裝布置應(yīng)為：上排噴嘴靠近窯頂， 下排噴嘴靠近窯車臺面；當維持噴入總風量和噴嘴噴 出速度不變時，噴嘴個數(shù)應(yīng)有一定范圍，不能太多； 上排噴嘴和下排噴嘴應(yīng)對稱安裝。關(guān)鍵詞 隧道窯，冷卻帶，數(shù)值模擬，速度分布， 冷卻1 引言隧道窯冷卻帶位于燒成帶之后，主要用來冷卻高 溫制品。冷卻帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響窯內(nèi)氣體流動， 從而影響制品的冷卻效率及產(chǎn)

2、品質(zhì)量。影響窯內(nèi)氣體 流動的因素主要有料垛碼法、燒嘴噴射角度及規(guī)格等 15。本文應(yīng)用計算機數(shù)值模擬技術(shù)，利用計算流 體力學(xué)軟件 Fluent 中的標準紊動能 -紊動能耗散率（k- £）模型和多孔介質(zhì)模型，研究冷卻風噴嘴安裝位置、噴嘴數(shù)量、上下噴嘴是否對稱安裝對窯內(nèi)氣體流 動的影響，為隧道窯設(shè)計提供參考。2 模 型2.1 計算模型某隧道窯內(nèi)截面寬2.65 m （有效寬2.4 m），高1.14 m （火道高 0.24 m ，碼料區(qū)高 0.75 m ，制品距 窯頂 0.15 m ）。冷卻帶長 10 m ，冷卻風入口噴嘴與熱 風抽出口呈周期性分布，每節(jié)下排和上排各有兩個冷卻風入口，窯頂有一個

3、熱風抽出口。取隧道窯的一小節(jié)進行模擬，為簡化計算，假設(shè)如下：（1）每節(jié)吹入的冷卻風全部由相應(yīng)的熱風抽出口 抽出；（2）流場中間對稱， 取一半幾何體劃分網(wǎng)格和計算。計算模型如圖 1 所示。2.2 網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格時，先劃分面網(wǎng)格再劃分體網(wǎng)格。面網(wǎng) 格劃分采用 Quad/Pave 方法，劃分前先對代表噴嘴的 小圓孔進行網(wǎng)格劃分。 體網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格方案。為提高計算精度，小圓孔網(wǎng)格的節(jié)點間距要與其尺寸 相適應(yīng)。最終劃分的網(wǎng)格如圖 2 所示。2.3 邊界條件的設(shè)置和算法工質(zhì)為空氣。固體壁面均為無滑移絕熱壁面；上 下兩排噴嘴為速度入口；排熱風口為自由出口；碼料 區(qū)與火道為多孔介質(zhì) 6區(qū)。在隧道窯內(nèi)制

4、品區(qū)裝滿大 量的形狀不規(guī)則制品；火道內(nèi)有支柱分布，使氣體在 制品區(qū)和火道內(nèi)流動空間減小且流動阻力增大，因此 可將它們設(shè)為參數(shù)不同的多孔介質(zhì)區(qū)。可根據(jù)窯內(nèi)制 品碼放情況調(diào)整多孔介質(zhì)參數(shù)，近似模擬窯內(nèi)氣體流 動。壓力與速度的耦合采用 SIMPLE 算法求解。因網(wǎng)格數(shù)目較大，為加快收斂，動量方程、能量方程和K £方程采用一階迎風格式。3 數(shù)值模擬結(jié)果和分析為具體研究隧道窯的噴嘴布置對窯內(nèi)氣體流動的 影響，安排如表 1 所示的實驗。3.1 噴嘴垂直安裝位置下排噴嘴的垂直安裝位置可在距離窯車臺面00.24 m 范圍內(nèi)即火道內(nèi)； 上排噴嘴安裝的位置可在距 離窯頂 00.15 m 的范圍內(nèi)。上下兩

5、排噴嘴距離窯車 臺面或窯頂由近至遠（距離制品由遠至近）分成 AD 四種方法安裝，如表 2 所示由于線段上的速度分布比較直觀，做一條過窯內(nèi) 制品中心附近且平行于隧道窯橫截面的直線，考察該 線段上窯內(nèi)氣體的速度分布情況（以下3.23.3都是 模擬分析該線段上的窯內(nèi)氣體速度分布） 。設(shè)上下噴嘴 的氣體噴出速度為 120 m/s ，經(jīng)迭代計算后，該線段 上的速度分布如圖 3 所示。由圖 3 可以看出，噴嘴垂 直安裝靠近窯車臺面或窯頂，如安裝方法 A，窯內(nèi)線 段上速度分布均勻， 制品區(qū)速度在 0.52.0 m/s 之間， 主要集中在 0.5 m/s 左右；噴嘴安裝在距離窯車臺面 或窯頂?shù)闹虚g位置，如安裝

6、方法B,速度大小在0.251.2 m/s 之間，主要在 0.4 m/s 左右，窯內(nèi)線段上速度 減小且大小不均勻；噴嘴與窯車臺面或窯頂?shù)木嚯x繼 續(xù)增大，即安裝位置稍微靠近制品時， 如分布方法 C， 此時窯內(nèi)線段上速度增大而且大小分布均勻，與安裝 位置 A 的情況幾乎相同；噴嘴與窯車臺面（或窯頂）的距離增大到噴嘴靠近制品時，如安裝方法 D ，窯內(nèi) 線段上速度增大，但大小不均勻，氣體流速在 0.2 0.8m/s 之間，主要集中在 0.6m/s 左右。由此看出， 噴嘴安裝位置在距離窯車臺面（或窯頂）的中間位置 時平均速度最?。豢拷蜻h離窯車臺面（或窯頂）時 平均速度大。這是因為噴嘴在中間位置時，噴出的

7、氣 流有足夠的空間擴散，速度減小得快；靠近或遠離窯 車臺面和窯頂時，噴出氣流的擴散空間相對減小，速 度減小得慢。在熱風抽出口負壓的帶動下，制品區(qū)氣 體流動的速度后者大于前者。 安裝位置 A 和 C 的速度 大且較均勻。但是考慮到溫度因素，噴嘴離制品近， 急冷風未充分與周圍進行熱交換，急冷風與制品的溫 差大，易造成制品開裂。所以，噴嘴合適的安裝位置 是下排靠近窯車臺面，上排靠近窯頂 這一結(jié)論可以從隧道窯某一橫截面上的溫度分布 等高線上進一步論證。過冷卻帶的中間作一橫截面， 考察該面上的溫度分布情況。 其計算結(jié)果如圖 4 所示 由圖4可以看出，位置為A和C時，溫度等高線比較 均勻，溫度也較高，窯內(nèi)

8、的氣體形成環(huán)流；其它兩個 噴嘴的安裝位置，由于窯內(nèi)氣流速度較慢，流動不暢 通，制品與氣體換熱速度慢， 造成窯內(nèi)氣體溫度較低。 其原因是熱源相同時，合適的噴嘴安裝位置會使窯內(nèi) 氣體的流速增大，而流速增大加強了氣體與制品的換 熱強度，所以窯內(nèi)制品溫度高且分布均勻。因此可得 出結(jié)論：噴嘴安裝位置靠近窯車臺面和窯頂時（安裝 位置A）,溫度最高、最有利于制品冷卻，是最合適的 安裝位置。事實上，在以下的模擬中，噴嘴的布置方法有利于窯內(nèi)氣體均勻快速地流動、氣體溫度也比較高，有 利于制品的冷卻。3.2 噴嘴數(shù)量假設(shè)隧道窯急冷帶的一小節(jié)內(nèi)有 2 個噴嘴，在總 風量與噴風速度不變的情況下， 噴嘴分別增加到 4 個

9、、 6 個和 8 個，其內(nèi)徑相應(yīng)減小。設(shè)噴嘴的氣體噴出速 度為 120m/s ，經(jīng)迭代計算后窯內(nèi)某線段上速度分布如 圖 5 所示。急冷風噴嘴分別為 2 個和 4 個時，窯內(nèi)某線段上 的速度分布幾乎相同，中間速度線比較平直、速度大 小比較均勻，制品區(qū)速度大小在 0.52.0 m/s之間， 主要在 0.5 m/s 左右；當噴嘴個數(shù)增加到 6個時，制 品區(qū)靠近噴嘴處速度增大，但是速度線有起伏、大小 不夠均勻，主要速度集中在 0.5 m/s 左右，但是最小 速度為 0.3 m/s ，速度有減小的趨勢；噴嘴數(shù)為 8 個 時，制品區(qū)域速度減小到0.20.4 m/s之間，而且速 度線起伏較大，不利于制品快速

10、均勻冷卻。由此可以 看出 ,噴嘴數(shù)量增加，窯內(nèi)氣體流動均勻度減小，不利 于制品快速均勻冷卻。其原因是在總流量不變的情況 下，噴嘴個數(shù)增加，單個噴嘴的送風量減小，對窯內(nèi) 氣體的擾動作用減小，導(dǎo)致窯內(nèi)氣體流速減小而且流 動不均勻。由此可知隧道窯的一小節(jié)內(nèi)噴嘴的個數(shù)應(yīng) 為2 至 6個，不能太多。3.3 噴嘴布置方式急冷風入口的排布方式分上下噴嘴的對排和錯排， 而錯排又分為兩種：一是上排噴嘴對準熱風抽出口， 下排噴嘴和上排噴嘴交錯排列 （錯排 1）；二是下排噴嘴對準熱風抽出口， 上排噴嘴和下排噴嘴交錯排列 （錯排 2 ）。設(shè)上下兩排噴嘴的氣體噴出速度為 120 m/s ， 計算結(jié)果如圖 6 所示由圖

11、6可以看出，錯排 1 的左邊（下排噴嘴安裝 的一邊）速度明顯高于錯排 2 和對排左邊的速度。這 是因為其上排噴嘴對準熱風抽出口，吹出的急冷風易 被抽走，下排噴嘴吹入的冷風在熱風抽出口負壓的帶 動下更快地向出口處流動。錯排 2 和對排的速度分布 線幾乎相同，因為它們的上排噴嘴都不對準熱風抽出 口，只是排布方式分別為對排和錯排；對排的制品區(qū) 速度比錯排 2 的要大些，而且大小更均勻，有利于制 品均勻快速冷卻。4 結(jié)論1）噴嘴垂直安裝位置應(yīng)是上排噴嘴靠近窯頂，下排噴嘴靠近窯車臺面處；(2)當維持總噴入風量及噴嘴噴風速度不變時， 噴嘴個數(shù)應(yīng)保持在一定范圍，不能太多；(3) 上下噴嘴的對稱布置有利于窯內(nèi)

12、氣體流動均勻。參考文獻1 吳建青 ,劉振群 .梭式窯爐對流換熱的模擬研究J.硅酸鹽學(xué)報，1997,25(2):152 1562 高 暉,郭烈錦 ,顧漢祥 .梭式窯空氣動力模型中 紊流流動與對流傳熱的數(shù)值模擬研究J.硅酸鹽學(xué) 報,2002,30(5): 602 6073 馮 青,陸 琳,曾德生等.輥道窯燒嘴噴射角度對 窯內(nèi)湍流氣流影響的研究 J .中國陶瓷工業(yè),2004(1):22 254 趙越清 . 快燒陶瓷隧道窯的截面溫度分布及其均衡措施J.中國陶瓷工業(yè),2005,12(1):32355 陳國紅,黃紹明,王世剛.空氣推板式隧道窯高溫間接冷卻系統(tǒng)J.電子工業(yè)專用設(shè)備,2004(111):515

13、26Effect of Nozzle Quantity and Arrangement onthe Airflow in Cooling Section of Tunnel KilnAi Mingxiang1Wang Shifeng1,2 Liu Guangxia1(1 School of Material Science andEngineeringShandong Institute of LightIndustryJinan Shandong2503532 Space Thermal Science Research InstituteShandong UniversityJinan S

14、handong 250061)Abstract: By using the CFD software Fluent'sk- £ model and porous media conditions,the airflow in a kiln's cooling section was numerically simulated to provide guidance for the quantity and arrangement of nozzle.The results showed that the upper and lower nozzles should be symmetrically installed and they should be close to th