隧道窯冷卻帶噴嘴布置對(duì)窯內(nèi)氣流動(dòng)的影響

1、隧道窯冷卻帶噴嘴布置對(duì)窯內(nèi)氣流動(dòng)的影響摘 要 利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 Fluent 中的標(biāo) 準(zhǔn)紊動(dòng)能-紊動(dòng)能耗散率（k- £模型和多孔介質(zhì)模型， 對(duì)隧道窯冷卻帶內(nèi)氣體流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研 究噴嘴的數(shù)量和布置方式對(duì)窯內(nèi)氣體流動(dòng)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(chē)臺(tái)面；當(dāng)維持噴入總風(fēng)量和噴嘴噴 出速度不變時(shí)，噴嘴個(gè)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(duì)稱(chēng)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(lái)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(dòng)， 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(dòng)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(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，利用計(jì)算流 體力學(xué)軟件 Fluent 中的標(biāo)準(zhǔn)紊動(dòng)能 -紊動(dòng)能耗散率（k- £）模型和多孔介質(zhì)模型，研究冷卻風(fēng)噴嘴安裝位置、噴嘴數(shù)量、上下噴嘴是否對(duì)稱(chēng)安裝對(duì)窯內(nèi)氣體流 動(dòng)的影響，為隧道窯設(shè)計(jì)提供參考。2 模 型2.1 計(jì)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(zhǎng) 10 m ，冷卻風(fēng)入口噴嘴與熱 風(fēng)抽出口呈周期性分布，每節(jié)下排和上排各有兩個(gè)冷卻風(fēng)入口，窯頂有一個(gè)

3、熱風(fēng)抽出口。取隧道窯的一小節(jié)進(jìn)行模擬，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)如下：（1）每節(jié)吹入的冷卻風(fēng)全部由相應(yīng)的熱風(fēng)抽出口 抽出；（2）流場(chǎng)中間對(duì)稱(chēng)， 取一半幾何體劃分網(wǎng)格和計(jì)算。計(jì)算模型如圖 1 所示。2.2 網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格時(shí)，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(duì)代表噴嘴的 小圓孔進(jìn)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(jì)算精度，小圓孔網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)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(wú)滑移絕熱壁面；上 下兩排噴嘴為速度入口；排熱風(fēng)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(mǎn)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(dòng)空間減小且流動(dòng)阻力增大，因此 可將它們?cè)O(shè)為參數(shù)不同的多孔介質(zhì)區(qū)?？筛鶕?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(dòng)。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(dòng)量方程、能量方程和K £方程采用一階迎風(fēng)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(duì)窯內(nèi)氣體流動(dòng)的 影響，安排如表 1 所示的實(shí)驗(yàn)。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(chē)臺(tái)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(chē) 臺(tái)面或窯頂由近至遠(yuǎn)（距離制品由遠(yuǎn)至近）分成 AD 四種方法安裝，如表 2 所示由于線(xiàn)段上的速度分布比較直觀，做一條過(guò)窯內(nèi) 制品中心附近且平行于隧道窯橫截面的直線(xiàn)，考察該 線(xiàn)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(xiàn)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(jì)算后，該線(xiàn)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(chē)臺(tái)面或窯頂，如安裝方法 A，窯內(nèi)線(xiàn) 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(chē)臺(tái)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(xiàn)段上速度 減小且大小不均勻；噴嘴與窯車(chē)臺(tái)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(shí)， 如分布方法 C， 此時(shí)窯內(nèi)線(xiàn)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(chē)臺(tái)面（或窯頂）的距離增大到噴嘴靠近制品時(shí)，如安裝方法 D ，窯內(nèi) 線(xiàn)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(chē)臺(tái)面（或窯頂）的中間位置 時(shí)平均速度最?。豢拷蜻h(yuǎn)離窯車(chē)臺(tái)面（或窯頂）時(shí) 平均速度大。這是因?yàn)閲娮煸谥虚g位置時(shí)，噴出的

7、氣 流有足夠的空間擴(kuò)散，速度減小得快；靠近或遠(yuǎn)離窯 車(chē)臺(tái)面和窯頂時(shí)，噴出氣流的擴(kuò)散空間相對(duì)減小，速 度減小得慢。在熱風(fēng)抽出口負(fù)壓的帶動(dòng)下，制品區(qū)氣 體流動(dòng)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(fēng)未充分與周?chē)M(jìn)行熱交換，急冷風(fēng)與制品的溫 差大，易造成制品開(kāi)裂。所以，噴嘴合適的安裝位置 是下排靠近窯車(chē)臺(tái)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(xiàn)上進(jìn)一步論證。過(guò)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(jì)算結(jié)果如圖 4 所示 由圖4可以看出，位置為A和C時(shí)，溫度等高線(xiàn)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(gè) 噴嘴的安裝位置，由于窯內(nèi)氣流速度較慢，流動(dòng)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(shí)，合適的噴嘴安裝位置會(huì)使窯內(nèi) 氣體的流速增大，而流速增大加強(qiáng)了氣體與制品的換 熱強(qiáng)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(chē)臺(tái)面和窯頂時(shí)（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(shí)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(dòng)、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(gè)噴嘴，在總 風(fēng)量與噴風(fēng)速度不變的情況下， 噴嘴分別增加到 4 個(gè)

9、、 6 個(gè)和 8 個(gè)，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(jì)算后窯內(nèi)某線(xiàn)段上速度分布如 圖 5 所示。急冷風(fēng)噴嘴分別為 2 個(gè)和 4 個(gè)時(shí)，窯內(nèi)某線(xiàn)段上 的速度分布幾乎相同，中間速度線(xiàn)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(dāng)噴嘴個(gè)數(shù)增加到 6個(gè)時(shí)，制 品區(qū)靠近噴嘴處速度增大，但是速度線(xiàn)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(shì)；噴嘴數(shù)為 8 個(gè) 時(shí)，制品區(qū)域速度減小到0.20.4 m/s之間，而且速 度線(xiàn)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(dòng)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(gè)數(shù)增加，單個(gè)噴嘴的送風(fēng)量減小，對(duì)窯內(nèi) 氣體的擾動(dòng)作用減小，導(dǎo)致窯內(nèi)氣體流速減小而且流 動(dòng)不均勻。由此可知隧道窯的一小節(jié)內(nèi)噴嘴的個(gè)數(shù)應(yīng) 為2 至 6個(gè)，不能太多。3.3 噴嘴布置方式急冷風(fēng)入口的排布方式分上下噴嘴的對(duì)排和錯(cuò)排， 而錯(cuò)排又分為兩種：一是上排噴嘴對(duì)準(zhǔn)熱風(fēng)抽出口， 下排噴嘴和上排噴嘴交錯(cuò)排列 （錯(cuò)排 1）；二是下排噴嘴對(duì)準(zhǔn)熱風(fēng)抽出口， 上排噴嘴和下排噴嘴交錯(cuò)排列 （錯(cuò)排 2 ）。設(shè)上下兩排噴嘴的氣體噴出速度為 120 m/s ， 計(jì)算結(jié)果如圖 6 所示由圖

11、6可以看出，錯(cuò)排 1 的左邊（下排噴嘴安裝 的一邊）速度明顯高于錯(cuò)排 2 和對(duì)排左邊的速度。這 是因?yàn)槠渖吓艊娮鞂?duì)準(zhǔn)熱風(fēng)抽出口，吹出的急冷風(fēng)易 被抽走，下排噴嘴吹入的冷風(fēng)在熱風(fēng)抽出口負(fù)壓的帶 動(dòng)下更快地向出口處流動(dòng)。錯(cuò)排 2 和對(duì)排的速度分布 線(xiàn)幾乎相同，因?yàn)樗鼈兊纳吓艊娮於疾粚?duì)準(zhǔn)熱風(fēng)抽出 口，只是排布方式分別為對(duì)排和錯(cuò)排；對(duì)排的制品區(qū) 速度比錯(cuò)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(chē)臺(tái)面處；(2)當(dāng)維持總噴入風(fēng)量及噴嘴噴風(fēng)速度不變時(shí)， 噴嘴個(gè)數(shù)應(yīng)保持在一定范圍，不能太多；(3) 上下噴嘴的對(duì)稱(chēng)布置有利于窯內(nèi)

12、氣體流動(dòng)均勻。參考文獻(xiàn)1 吳建青 ,劉振群 .梭式窯爐對(duì)流換熱的模擬研究J.硅酸鹽學(xué)報(bào)，1997,25(2):152 1562 高 暉,郭烈錦 ,顧漢祥 .梭式窯空氣動(dòng)力模型中 紊流流動(dòng)與對(duì)流傳熱的數(shù)值模擬研究J.硅酸鹽學(xué) 報(bào),2002,30(5): 602 6073 馮 青,陸 琳,曾德生等.輥道窯燒嘴噴射角度對(duì) 窯內(nèi)湍流氣流影響的研究 J .中國(guó)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(guó)陶瓷工業(yè),2005,12(1):32355 陳國(guó)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(zhuān)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