燃油式热熔釜3D建模及其温度场仿真＊

田军委，邱望志，张 艳，王岗罡

（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.中国人民解放军驻211厂军事代表室，北京 100076）

热熔型道路标线涂料具有快干、耐磨、反光、确认性好等优点，已开始在国内高等级公路上应用.目前，我国热熔标线施工机械主要依赖于进口，且价格昂贵［1］；因此，急需开发适合中国国情的国产热熔标线施工机械.而热熔釜是热熔标线施工机械的核心设备，因此，此设备的研究具有重要意义.

热熔釜设备根据使用燃料的不同可分为燃油式热熔釜和燃气式热熔釜两种设备［2］，燃气式热熔釜由于安全度不高、燃气燃烧不稳定，所以应用并不普遍.目前市场上绝大多数热熔釜设备都采用燃油式热熔釜［3］，此热熔釜具有燃烧稳定、燃烧热值大且容易人为控制燃油量大小，但燃烧效率低，热量分布不均.对此缺陷的研究仅仅局限于物理结构改进，提高了使用的便利性，但不能从根本上解决燃烧效率低，热量分布不均的现象.沈阳立元公路涂料设备厂，引进国外技术，研制开发了“远达”牌公路热熔标线施工系列机械，该设备采取手推式标线施工，主要以一台液压燃气式热熔釜与手推车配合作业，两者分体，热熔釜加热涂料，手推车划线机划线［4］.随着流体力学仿真软件的出现，对其进行温度场仿真，从根本上解决此缺陷.利用Fluent流体力学软件对温度场仿真可得到理想的分析结果，因此利用此软件对现有的温度场分布进行仿真，明确热量分布及燃烧效率，为实际分析提供扎实的理论基础.

文中利用Fluent流体力学软件对燃油式热熔釜系统中的热熔釜釜壁的温度场分布进行仿真，通过仿真分析，明确目前加热系统中热熔釜的温度场分布情况，为后续的改进提供坚实的理论基础.

1 燃油热熔釜建模

燃油热熔釜系统主要由9个部分构成，燃油热熔釜系统三维建模如图1所示.涂料施工时，先批量将料投入到热熔釜中，再通过燃烧柴油对热熔釜中涂料进行加热，涂料在加热过程中通过搅拌器进行均匀搅拌，待加热到熔化状态后再对加热涂料进行保温处理.

图1 燃油式热熔釜系统Fig.1 Fuel thermal reactor system

2 传热计算数学模型

Fluent的传热计算需要激活能量方程，通过能量方程中的能量源项来考虑传热问题.能量守恒定律是包括有热交换的流动系统必须满足的基本定律，其本质是热力学第一定律.依据能量守恒定律，微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流通量加上质量力与表面力对微元体所做的功，其表达式为

式中：E为流体微团的总能，包括内能、动能和势能之和，E＝h－P／ρ＋u2／2；h为焓；hj为组分j的焓；keff为有效热传导系数，keff＝k＋kt，kt为湍流热传导系数，根据所用的湍流模型来确定；Jj为组分j的扩散通量；Sh为包括了化学反应热及其他用户定义的体积能源项.

3 燃油热熔釜内热流密度计算

3.1 燃油量理论计算

由燃油热熔釜加热系统条件得柴油的燃烧热值Qd＝4.6×104kJ／kg，热熔釜容积V ＝0.249 m3，各种燃料的热量利用率值，离炉烟气温度为300℃，燃煤时燃料的热量利用率ηy1取0.87，燃料油时ηy2＝0.84，由干燥炉容积热强度及热强度系数曲线［5］，得炉子最大煤耗量为11kg／h，则燃油最大消耗量为

3.2 恒流密度计算

涂料在热熔釜系统内加热时，涂料加热前将整批涂料一次装入釜内，随釜一起在热熔釜系统内加热，涂料在燃料供入量基本不变的情况下随釜加热到熔化温度，这一加热过程可考虑在热流不变情况下，加热时间为

式中：J为热熔釜钢材加热前后的热量增量；K1为透热系数［6-9］，对于圆柱体K1＝2；q为炉气传给钢材表面的热流密度为

其中，σ为导出辐射系数为

式中：εg为热熔釜钢材黑度；εq为炉气黑度；φb为炉壁对热熔釜的角度系数为

式中：Ag、Ab为热熔釜终了及加热开始时炉温（℃）；ρ为热熔釜钢材密度.按热流密度不变情况下进行加热时间计算，热熔釜系统尺寸如图2所示.

图2 燃油式热熔釜系统尺寸Fig.2 Fuel furnace system size

热熔釜碳素钢热量增量为

计算燃油热熔釜加热实验条件见表1.

由表1数据可得式（7）代入式（8）得J＝186.5kJ／kg.热熔釜对数平均温度为［10］

对数平均炉温Tdj为

将表1数据分别代入式（8）、式（9），可得Tjb＝260℃，Tdj＝589.97℃.

根据炉壁实际结构尺寸0.815m×0.888m×0.776m；两侧炉及炉顶内表面A1＝1.695m2；前后端炉壁内表面积为A2＝1.379m2，炉子容积V＝0.2955m3.炉子内表面积为

辐射厚度为

实际燃油热熔釜透热系数k1＝2；热熔釜碳素钢加热厚度S＝6×10－3m；热熔釜碳素钢密度ρ＝7850kg／m3；热熔釜受热面积Ag＝1.796m2，将Ab、Ag代入式（7）可求得炉壁对热熔釜的角度系数φb.

燃油燃烧后生成的烟气黑度εq＝0.18；釜壁钢材黑度εg＝0.79，代入数据由式（5）得辐射系数σ＝0.18.加热时间为

表1 燃油热熔釜加热实验条件Tab.1 Experimental heating conditions of fuel furnace

图3 热熔釜网格划分Fig.3 Furnace mesh

4 对热熔釜釜壁加热的仿真分析

4.1 在GAMBIT中网格划分

根据热熔釜系统建模模型，导入到前处理软件GAMBIT中进行的非结构网格划分.将面网格数设置为30，体网格数也设置成30，并设置进出口边界类型及流体区域为固体.网格划分结果如图3所示.

4.2 基于Flunet燃油热熔釜温度场仿真

初始边界条件为热熔釜外壁恒流密度为q＝9809.1W／m2情况下加热，内壁面和空气间传热系数取为h＝35W／（m2·K），上壁面假定绝热.经仿真得热熔釜壁上温度场分布情况.设定迭代1000步.生成的残差曲线如图4所示.

由图4可知，能量曲线经800步计算后达到收敛，热熔釜在恒流密度下加热一段时间可达到稳态，此时的热熔釜内外表面的温度分布如图5所示.

图4 残差能量曲线Fig.4 Residual energy curve

图5 热熔釜温度分布Fig.5 Furnace temperature distribution

由图5热熔釜温度分布可知，热熔釜加热一定时间达到稳态，此时的热熔釜最高温度可达到温度可达837℃，最低温度处温度27℃.从热熔釜内外壁的温度分布就可知热熔釜在恒流密度条件下加热的任一局部温度分布情形.

热熔釜加热达到稳态时温度分布情形，外加热表面和内传热表面沿Y轴方向的温度分布曲线如图6所示.

由图6热熔釜中心面温度分布可知热熔釜加热达到稳态后热熔釜釜壁平均温度可达到330℃.温度分布高的地方集中在燃油式热熔釜的封头，封头处温度达到370℃，在热熔釜釜壁四周温度较热熔釜封头部位要低，最低处的温度接近230℃，外壁温度比内壁温度高出10℃.根据实际测得的外壁平均温度为300℃，仿真结果与实际测得的数据误差范围在5%之内.

图6 热熔釜中心面温度分布Fig.6 Thermal reactor temperature distribution center

5 结论

1）热熔釜在热流密度为q＝9809.1W／m2，内壁面和空气间传热系数取为h＝35W／（m2·K），达到稳态后热熔釜釜壁平均温度达到330℃，热熔釜底部温度分布相比其他部位高出90℃.

2）从热熔釜壁温度分布可以看出，加热涂料时底部涂料局部温度高于其他部位，从而使得搅拌器在设计时应考虑搅拌叶片将靠近加热釜底部涂料的热量能及时带到热熔釜中央；同时也为进一步改进热熔釜结构提供依据，使得加热时热熔釜温度分布更趋均匀.

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