水火弯板热源热量耗散以及余热分析

郑绍春，丁 亮，马 飞

(1.武汉理工大学 交通学院，武汉430063;2.中国船级社宜昌分社，湖北 宜昌443000)

当前船厂船体外板水火加工生产环节，所需热源形成高温热辐射、光辐射和冷却水源产生的废水对环境造成了严重污染，避免热源与冷却水源成为污染源并对其加以回收利用，其意义重大。为此有必要对水火弯板热量分布规律与耗散率进行分析，以便为加工过程中的热量回收利用装置设计参数确定奠定理论基础。

1 水火弯板热源热量分布模型

水火弯板成形是通过对钢板进行局部加热和冷却，从而使钢板变形的成形过程，从理论上分析，属于热弹塑性变形问题。典型的水火弯板加工过程中，热源(如氧乙炔火焰)在钢板表面沿直线匀速移动，对钢板进行加热，形成一定的温度分布，后面一定距离处进行水跟踪强制冷却［1］。加工过程主要分为加热和冷却两个过程，该过程中温度场的变化和热量的耗散受加热材料特性、热源特性、冷却方式等多种加工工艺影响。尽管水火弯板成形过程千差万别，热源热量分布规律是不变的，其热源热量分布见图1。

1.1 燃烧总能量E的分析

水火弯板加工过程中，热源燃料的燃烧是一个较为复杂的过程。以氧乙炔为例，乙炔和氧气在燃烧前以体积比为1∶1.1左右的体积比例混合，燃烧起初发生不完全燃烧，燃烧产物为CO和H2，对应的方程式为

图1 水火弯板热源热量分布模型

不完全燃烧Q1=464 kJ/mo1;但随后部分不完全燃烧的产物会在火焰的外焰高温区与外界空气混合进行继续燃烧，燃烧产物为CO2和H2O(g)，相当于部分乙炔会发生完全燃烧。

完全燃烧Q2=2 600 kJ/mo1;因此该过程中的燃烧热既不能简单地利用乙炔的不完全燃烧方程式计算，亦不可只是按氧气和乙炔的混合比例配比其完全燃烧和不完全燃烧方程式。先根据燃烧情况，给出其热化学方程式如下。

式中:Q低——乙炔燃烧的低热值，整个燃烧过程中Q低=69 169 kJ/m3。

氧乙炔焰炬输出主要取决与喷嘴半径、气体流速。当热源参数一定时热源热能E输出大小一定，下面就钢板吸热能E1及其加热效率进行重点分析。

1.2 钢板吸热能E1和加热效率η的分析

钢板吸收的热能E1取决于热源燃烧燃料和燃料供给速率，还与喷嘴高度、热源移动速度、板厚及材料特性等有关。它表示的是在对钢板加热后，在热交换达到准稳态时，钢板从热源所吸收的热能。E1的计算在钢板稳态温度场的数学模型建立中具有重要意义。对于氧乙炔火焰，单位时间热吸收量E1(J/s)可以近似写成如下的乙炔流量QC2H2(L/h)的函数［2］。

从而得到水火弯板的加热效率η=E1/E，

先对燃烧总能量、钢板吸收热能和加热吸收效率η的曲线进行分析。

分析E-QC2H2(见图1)和E1-QC2H2(见图2)曲线，得到结论:在其它条件一定时，燃烧总能量和钢板吸收能量都随乙炔流量大小成正比，提高乙炔流量可以提高燃烧热能和有效加热能量。

图1 燃烧总能量E-Q C2H2曲线

图2 钢板吸收能量E1-Q C2H2曲线

分析η-QC2H2曲线(见图3)，得到结论:

1)在焰炬嘴大小与氧、乙炔压力和流量一定的情况下，加热吸收效率会随乙炔流量的增加而减小，这是因为乙炔流量的增大会使得喷射燃烧气流流速更快，动能损失更大，同时也会有更大的热对流和热辐射造成的热量丧失。

2)在常用乙炔流量QC2H2＜2 000 L/h下，有效吸收效率一般在20%～35%之间，有效吸收效率较低。因此传统水火弯板加工工艺过程中能量利用效率较低，损耗较大，有很大的能量回收余地。

图3 加热吸收效率η-Q C2H2曲线

1.3 冷却水热对流吸收能量E1b的分析

在钢板加热后，水枪喷水对已加热部分进行跟踪水冷却。水的对流过程如下。

1)冷却水与钢板进行强制换热，由于这段时间钢板周边空气受加热仍处在高温阶段，所以可以简化为仅存在水与受热钢板间的对流换热，换热过程中还存在沸腾换热。

2)随着热源和水枪逐渐远离已水冷区域，该区域周边空气温度开始下降，水在钢板上形成堆积，水、空气和钢板相互间进行对流换热直至达到相同温度，接近室温。

在对冷却水热对流吸收能量E1b的分析中，过程1)中吸收的能量相当与在2)中与空气热对流耗散，所以侧重与对过程1)的分析，将该过程视为钢板高温区与冷却水间的换热过程，换热过程中，换热系数随温差变化较大，随时间温差亦会变化，钢板上有效受热区域温度在200～800℃，在此温差区域内换热系数变化极大［3］，所以采取对钢板温度场的分析方法。

通过对统计数据和Ansys软件分析，可以得到在热源加热区后，沿加热线方向钢板表面的瞬态温度分布［4］，从温度分布中可知，经过跟踪水冷却的已加工钢板区域，温度会下降并稳定至200℃左右。

在未进行冷却时，对钢板上的热流密度分析通常采用高斯分布模型:

式中:qmax——加热中心最大热流密度;

r0——火焰有效加热半径;

r——离加热中心的距离。

热流的有效功率是E1，可由式(4)得到，则qmax可由下式确定。

在未冷却的情况下，随着火焰枪沿加热线X轴的前进，相当于高斯分布的热流密度模型(见图4)在X方向的平行拉伸，但在冷却水的作用下，则出现了加热区后的温度场和热流场的塌陷。见图5，该部分的塌陷即为冷却水吸收的能量。

图4 高斯热流密度模型

图5 水冷却后热流密度模型

综上，通过在冷却前后钢板温度场和热流场的分析，可以得到冷却水的吸收能E1b。

1.4 耗散热能E2的分析

在温度场达到准稳态时，可将喷射火焰的温度场和气体流场视为准稳态，在钢板弯曲曲率较小时，即可将射流火焰模型视为如图8所示的对称模型，又称Chamberlain模型［5］。

在该模型中，喷射气体流场和火焰温度场遵循质量守恒、动量守恒、气体组分守恒、热量守恒和湍流动能方程及湍流动能耗散方程。

采用Chamberlain模型分析火焰的热辐射特性时，假设为火焰为如图6中的锥体形。

将喷射火焰视为锥体，火焰表面辐射热量所占比率为

式中:uf——喷嘴处气体流速，f(MW)是可热气体相对分子质量(MW)的函数，即

图6 Chamberlain模型

而火焰在上表面，侧面和下表面的对流换热系数可取为htop=58.46 W/(m2·K)，hside=58.46 W/(m2·K)，hbottom=58.46 W/(m2·K)，换热直至温度场达到准稳态。

1.5 水火弯板热源热量分布计算

以常用加工条件为算例。此时，氧气压力p(O2)=0.49 MPa，氧气流量Q(O2)=2 140 L/h;乙炔压力p(C2H2)=0.049 MPa，乙炔流量Q(C2H2)=1 720 L/h;火焰喷枪口径W1=4 mm，距钢板高H=22 mm，有效加热半径W2=42 mm，移动速度V=4 mm/s，喷射速度为300 m/s，冷却水流量Q(H2O)=250 L/h.对能量耗散的分布(E、E1、E1b、E2)进行初步估算(单位为J)。

1)热能吸收效率计算。由式(3)得

E=1.72×69 169×1 000/3 600=33 047 J

由式(4)得

E1=2 595+2.76×1 720=7 342.2 J

所以，有效吸收效率η=E/E1=22.2%。

2)冷却水吸收能量计算。由式(5)、(6)得热流密度(W/m2)为

根据2.3中的分析，利用作图法估算出水冷却后热流场的塌陷部分体积，估算得吸收部分占总体积的56%，即占有效吸收能量56%，水回收功率为E1b=E1×56%=4 111.6 J，为总能耗的12.4%。

3)耗散热能E2初估分析。耗散热能比率为1-η=77.8%，对应能量E2=E-E1=33 047-7 342.2=25 704.8 J。

分析热辐射耗散比率由式(7)、(8)得Fs=［0.21e(-0.00323×300)+0.11］×1.112 7=0.21。

即热辐射的能量耗散达到21%，同时有相当的光辐射能量。

对这几项能量去向进行分析之后，得到回收过程中重要能量去向的分布，见图7。

图7 能量耗散分布

由图7分析，钢板在受热后也会与空气间发生对流换热和辐射换热，换热过程中空气热对流和热源热辐射会耗散大量热能，直至达到准稳态温度场，此时的热流场即如图4所示的高斯热流密度模型。

在热源与钢板的换热过程中，燃烧气流会在与空气的对流和在钢板表面的射流中发生动能的湍流损失，但湍流动能损失一般较其它能量损耗相较，可视为小量。

在各项能耗分析中，产生废气能量也很严重，一般加工过程均会产生20%左右的废气余热。

2 结论

1)有效吸收能所占比例仅占20%～35%，而钢板变形能仅占10%～20%，有效吸收和有效利用效率很低。

2)冷却水吸收热能10%左右，热对流、热辐射散热以及废气余能组成的热耗散能量达到40%，有很大的回收和二次利用的可能性。

3)加工过程中产生热辐射和光辐射量较大，加上冷却水的直接排出，会引起污染，亟待解决。

针对传统水火弯板加工工艺能耗高，能量利用率低的问题，可采用新兴的半导体温差发电片和利用外部热源发电的斯特林发电机对水火弯板各种工业余热进行回收，其中斯特林电机能量利用率达到40%［6］。若能在加工设备上附设以上回收装置，可达到较好的预想回收效果。

［1］张安超.水火弯板关键技术研究［D］.上海:上海交通大学，2011.

［2］汪建华.水火弯板的简化计算——水火弯板的研究(一)［J］.造船技术，1996(10):22-23.

［3］WENDELSTORF J，K-H SPITZER，WENDELSTORF R.Spray water cooling heat transfer at high temperatures and liquid mass fluxes［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer 2008，51(19-20):4902-4910.

［4］张 平.系列板厚帆型板数学建模与加工过程数值分析［D］.大连:大连理工大学，2003.

［5］朱建华，陈钧舫.喷射火焰特性参数及其热辐射强度计算［J］.水运科学研究所学报2000(1):33-38.

［6］龚泉榕.自由活塞式斯特林永磁直线发电机控制系统研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2010.