耐火纖維噴涂爐襯的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

耐火纖維噴涂爐襯的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

耐火纖維填充技術(shù)是近20年開發(fā)的一種新技術(shù)，可以建造工業(yè)爐的抗火恐懼襯里。該技術(shù)采用專用設(shè)備,將經(jīng)過預(yù)處理的耐火纖維和結(jié)合劑噴涂到爐殼表面,以形成耐火保溫層。導(dǎo)熱系數(shù)是耐火纖維噴涂爐襯的重要物理性能參數(shù),而且隨溫度和體積密度而變。在國標(biāo)GB/T16400中僅給出了在特定溫度(500±20)℃下,不同體積密度的普通硅酸鋁耐火纖維制品的導(dǎo)熱系數(shù),而在國標(biāo)GB13350中也僅給出了絕熱用玻璃棉及其制品在70℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)和參考性導(dǎo)熱系數(shù)的線性方程式,這些數(shù)據(jù)不夠以作為纖維爐襯設(shè)計(jì)的依據(jù)。工程上一般采用試算或估算法設(shè)計(jì)爐襯厚度,可是計(jì)算麻煩,精度也較差。本文提出了一種耐火纖維噴涂爐襯的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法,給出了耐火纖維噴涂爐襯材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫度依賴關(guān)系的計(jì)算機(jī)擬合方程式,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了爐襯厚度及其內(nèi)部溫度分布的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算。對兩個(gè)石化工業(yè)爐案例進(jìn)行的分析核算表明,采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),方法簡便,結(jié)果可靠合理,具有實(shí)用性。1導(dǎo)熱系數(shù)與溫度依賴關(guān)系及其處理經(jīng)過耐火材料傳遞的熱量是由下列同時(shí)發(fā)生的過程構(gòu)成的:凝聚相傳熱(熱傳導(dǎo)、熱輻射)、氣體傳熱(氣體的熱傳導(dǎo)、輻射和對流)、以及顆粒間的接觸和氣體與固體(液體)物質(zhì)間的界面?zhèn)鳠?。因此耐火材料的?dǎo)熱系數(shù)將隨著溫度和體積密度的變化而發(fā)生改變。為了進(jìn)行爐襯的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),首先需要給出導(dǎo)熱系數(shù)與溫度依賴關(guān)系的解析表達(dá)式。大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,體積密度在200～300kg/m3范圍內(nèi)的不同種類(普鋁、高鋁和含鋯)耐火纖維噴涂材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別不大。圖1曲線上的圓圈給出了實(shí)測的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨溫度T的變化關(guān)系。假設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系可用一個(gè)三次多項(xiàng)式表示λ(T)=aT+bT2+cT3(1)其中a、b和c三個(gè)系數(shù)可由最小二乘法求得,結(jié)果為a=1.644×10-4b=-2.896×10-8c=1.018×10-10圖1給出了計(jì)算機(jī)擬合的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度T的變化曲線(圓圈為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)線為計(jì)算機(jī)擬合曲線),與實(shí)測數(shù)據(jù)符合得很好?？勺鳛橐韵履突鹄w維噴涂爐襯計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2熱流密度q指向溫度根據(jù)熱傳導(dǎo)理論,高度與寬度是厚度的10倍以上可近似為一維傳熱,而對大直徑的圓筒式容器來說,用平板一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論對其襯里厚度進(jìn)行計(jì)算是合理的。在連續(xù)操作的窯爐中,對于均勻各向同性固體,根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的傅里葉定律:q=-λdΤdx(2)q=?λdTdx(2)式中,x為熱傳導(dǎo)方向的笛卡兒坐標(biāo),溫度梯度垂直等溫面,熱流密度q指向溫度降低的方向。當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)λ是溫度T的函數(shù)時(shí),熱傳導(dǎo)方程為變系數(shù)微分方程式,爐襯厚度及其內(nèi)部溫度分布的計(jì)算,可借助計(jì)算機(jī)來完成。將式(1)代入式(2),并對式(2)兩邊積分,代入邊值條件x=0,T=T1得∫Τ2Τ1T2T1-(aT+bT2+cT3)dT=∫x0x0qdx=qx其中,x為爐襯厚度,T1和T2分別為爐襯內(nèi)、外壁溫度,可得到爐襯內(nèi)的溫度分布,由下式表示qx=12a(Τ21-Τ22)+13b(Τ31-Τ32)+14c(Τ41-Τ42)(3)qx=12a(T21?T22)+13b(T31?T32)+14c(T41?T42)(3)根據(jù)式(3),利用計(jì)算機(jī)可作如下計(jì)算:1)若已知爐襯內(nèi)壁溫度T1,爐襯外壁溫度T2,爐襯厚度x,可求熱流密度q。2)若已知爐襯內(nèi)壁溫度T1,熱流密度q,爐襯厚度x,可求爐襯外壁溫度T2。3)若已知爐襯內(nèi)壁溫度T1,熱流密度q,爐襯外壁溫度T2,可求爐襯厚度x。3案例分析以加氫爐和焦化爐為典型案例,將上述計(jì)算機(jī)程序計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,以驗(yàn)證這一方法的精確程度。3.1表面粗糙度的計(jì)算加氫爐為一輻射-對流型立管式圓筒加熱爐,油氣混合燃料底燒型。輻射室內(nèi)徑2.732m,高6.585m;爐膛設(shè)計(jì)溫度為900℃,爐襯總厚度為200mm,由140mm厚普鋁纖維和60mm厚高鋁纖維組成的復(fù)合層襯里結(jié)構(gòu)。溫度以點(diǎn)溫度計(jì)測定,其結(jié)果列于表1中。環(huán)境因素對爐外壁溫度有直接影響,這體現(xiàn)在表面損失熱流密度的計(jì)算中。設(shè)計(jì)時(shí)可按當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟群湍昶骄L(fēng)速進(jìn)行計(jì)算;而當(dāng)與運(yùn)行效果進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算時(shí),可取實(shí)測時(shí)的環(huán)境溫度和風(fēng)速值。表1中表面損失熱流密度按下式計(jì)算qs=αs(T2-Tr)式中αs為表面散熱系數(shù),這里αs=αr+αc,其中αr=5.669εΤ2-Τr[(Τ2100)4-(Τr100)4]αc=4.24W0.805D0.152(WD2＞0.8?m2/s)其中W為風(fēng)速,D2為爐體的外徑,αr為輻射散熱系數(shù),αc對流散熱系數(shù),ε為外表面材料的黑度,隨材料光潔度越高而越低,對于油漆取0.80～0.90,這里取ε=0.90,對應(yīng)于兩次測量分別取W=4.5m/s和3.8m/s,取D2=2.7m,這樣,對應(yīng)于兩次測量分別為αs=16.6W/(m2·K)和16.2W/(m2·K)。計(jì)算表明,爐外壁計(jì)算溫度與實(shí)測溫度間基本相符,對應(yīng)于兩次測量其相對偏差分別為0.63%和0.10%,具有一定實(shí)用性。圖2給出了計(jì)算得到的爐襯內(nèi)溫度分布曲線。3.2爐襯內(nèi)溫度分布用TVS2000型紅外熱像儀對焦化加熱爐外壁溫度進(jìn)行了測試,測試精度為0.05℃。測定結(jié)果列于表2中。焦化加熱爐為輻射-對流型、底燒、方箱型爐,爐襯面積約600m2,爐膛設(shè)計(jì)溫度為800℃,爐襯為普鋁纖維和高鋁纖維組成的復(fù)合層襯里結(jié)構(gòu),總厚度為200mm。計(jì)算得到爐襯內(nèi)溫度分布曲線如圖3。取ε=0.85,等效爐外徑D2=5.0m,對應(yīng)No.1和No.2加熱爐分別為αs=10