上排烟支管闸板开度对辊道窑预热带内烟气流动的影响

童剑辉，冯 青，罗 江，刘 江，黄 旭

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）



上排烟支管闸板开度对辊道窑预热带内烟气流动的影响

童剑辉，冯 青，罗 江，刘 江，黄 旭

（景德镇陶瓷学院，江西 景德镇 333403）

摘要：采用计算流体动力学(CFD)Fluent软件，构建了采用集中排烟的辊道窑预热带窑内空间模型，并采用非结构化四面体网格对模型进行网格划分，选择标准K- 两方程湍流模型，设置边界条件，对上排烟支管闸板开度对辊道窑预热带内烟气流动的影响进行了数值模拟计算研究。结果表明：所有上排烟支管闸板全开或开度过小时，由于烟气由上排烟口流至排烟总管出口与由下排烟口流至排烟总管出口的流动阻力相差较大，使得进入上、下排烟支管的烟气流量相差较大，导致窑内辊上与辊下横断面烟气流速分布相差较大，不利于烟气与砖坯上下表面对流换热的均匀性。另外，排烟结构上游的横断面离排烟结构越远，闸板开度的变化对其断面上烟气流速影响越小。

关键词：辊道窑预热带,集中排烟,闸板开度,速度分布,数值模拟

E-mail:tjhgst@sina.com

0　引　言

辊道窑属于快烧窑,离窑烟气温度一般为250-300 ℃。为提高烟气热利用率，辊道窑皆采用集中排烟(仅在窑头设一处排烟)或准集中排烟(即靠近窑头一般设2-4处排烟口)[1]。排烟口一般设在窑顶和窑底，其断面形状多为圆形，也可为矩形。窑内烟气由烧成带流向预热带，至窑头由排烟口抽出，经排烟支管汇总于排烟总管，最后由排烟风机抽至烟囱排出室外。

辊道窑的排烟结构不仅起到排烟作用，还可通过调节安装在排烟总管和支管上闸板的开度对预热带内温度和压力进行控制，以满足制品在此带所需的烧成制度，为保证制品烧成质量奠定基础。调节排烟闸板的开度之所以能够改变预热带内的温度和压力制度，主要是因为改变了预热带内烟气的流速分布。由于流体的流速是流体与制品表面之间对流换热强度的重要影响因素，因此窑内烟气流速的变化不仅对烟气与制品的对流换热产生影响，还进一步导致窑内烟气温度分布的变化。因此掌握调节排烟闸板开度对辊道窑预热带内烟气流场的变化规律，对更好的控制烧成制度，提高制品烧成质量有重要的实践指导意义。

一直以来，受实验条件和研究方法的限制，人们对辊道窑窑内各带的气体流场的影响认识较为浅薄。近年来，随着计算机技术的飞速发展，许多研究人员采用数值模拟法，利用各种CFD软件对辊道窑内气体的温度场与流场开展了较多的研究工作，并取得了许多重要的研究成果[2-12]。不过，在上述研究工作中，尚未发现有关排烟管闸板开度对建陶辊道窑预热带内烟气流场影响的研究。为此，本文采用数值模拟研究法，利用Gambit软件建立带有集中排烟结构的辊道窑预热带窑内空间模型，然后利用FLUENT软件对窑内烟气流场进行仿真模拟，研究排烟闸板开度对窑内烟气流场的影响。

1　物理模型及其网格划分

1.1采用集中排烟方式的预热带窑内空间物理模型的构建

由于现代建陶辊道窑预热带长度较长，若按其实际长度构建带排烟结构的窑内空间模型，必然导致模型网格数量巨大，一般计算机无法进行计算。考虑到上述情况，同时为了使模型比较合理，本文选取预热带窑体长度为3 m,排烟方式为窑头集中排烟，即仅在靠近窑头设置一处排烟，沿窑宽方向在窑顶和窑底各布置3个相同内径的排烟口。窑体和排烟结构的主要尺寸如下：

(1)窑体结构尺寸：长×内宽×内高(辊上、下高相同)=300×200×60 (cm)。

(2) 砖坯距窑顶和窑底的垂直距离相同，均为30 cm。

(3) 上下排烟支管内径均为30 cm且沿窑宽方向等间距布置，两排烟支管中心间距为60 mm，上下水平排烟管内径均为45 cm,排烟总管内径为50 cm。

本文的研究对象是预热带及排烟管内的烟气，因此选取窑体内部空间作为几何模型的实体部分，忽略窑体四周耐火材料、排烟管道和闸板的厚度，将它们都简化为厚度为0的面。另外，由于窑内砖坯厚度较窑体内部空间尺寸都很小，因此将其也简化为一块厚度为0的平板，砖坯离窑内壁两侧的距离根据文献[1],取100 mm。本文设计上排烟支管上的闸板(3个)全开、半开和三分之一三种情况，研究排烟支管闸板开度对预热带内气体流动的影响。经上述简化后的窑内空间模型如下图1。

1.2模型网格划分

采用Fluent软件包的前处理软件Gambit对构建的三种闸板开度的预热带窑内空间模型(图1)进行网格划分。由于物理模型结构比较复杂，故采用非结构化的四面体网格对物理模型进行网格划分，每个模型最后生成的网格总数均为51万左右，模型网格如图2所示。

图1　采用集中排烟结构的预热带窑内空间模型Fig.1 The model for interior space of preheating zone of roller hearth kiln with a central exhausting structure

2　控制方程与边界条件

2.1控制方程

辊道窑预热带内烟气流动处于紊流状态。因此描述窑内烟气流动的控制方程除了连续、动量、能量方程外，还应包括描述烟气湍流的湍流模型方程。本文选取广泛用于陶瓷窑炉窑内气体流动研究的标准K-ε两方程湍流模型。所有控制方程与文献[8]相同，在此不再赘述。

图2　窑体模型网格Fig.2 Mesh of the model of kiln body

2.2边界条件

烟气由横断面进口设为压力进口，而烟气由排烟总管出口断面排出设为速度进口(实际烟气是由该断面排出，为了使烟气在该断面的速度方向与实际一致，速度值取负值)。各边界条件的具体输入参数及其大小如表1所示。

固体壁面包括窑墙、窑顶、窑底、排烟管道和砖坯。由于现代辊道窑窑体普遍采用保温隔热性能好的耐火材料砌筑,排烟管道外壁包一层隔热保温性能好的陶瓷棉,因此这两种壁面向外散热均很小，故本文中将这两种壁面均设为绝热壁面。砖坯上下表面均为流动的烟气，选择Fluent软件中提供的耦合(couple)热边界条件作为它的热边界条件。另外，本文中涉及的各种材料的物性参数如表2。

图3为闸板不同开度时三个沿窑长方向位置(图3a:x=0 m，图3b:x=0.3 m，图3c:x=1 m)的窑内横断面上烟气速度分布。从图3(a1)过排烟结构的横断面(x =0 m)上的烟气速度分布可以看出，当上排烟支管上的闸板均全开时，虽然上下各排烟支管的横截面形状与面积均相同，但由于烟气从上排烟口流到总排烟口的沿程阻力和局部阻力明显更小，且窑内烟气的几何压头分别转化为烟气向上流动的动力和向下流动的阻力，因此各上排烟支管内烟气流速明显较相应下支管的大，这也直接影响了沿窑长方向上各横断面上的烟气流速分布，导致各辊上横断面上的主流烟气流速均较辊下横断面上的大。由图3(a1)还可进一步发现，各上、下排烟支管中，左边的排烟支管中烟气流速最大，中间的次之，右边的最小，造成这一分布特征的原因主要是左边的排烟支管离总排烟口最近，从该排烟支管中的烟气以一定速度垂直流到其上部水平排烟管时，对中间和右边的排烟支管中的烟气流到水平排烟管产生一定的阻力，结果烟气在左边排烟支管中的流动阻力最小，中间的次之，右边的最大。

表1　边界参数Tab.1 Boundary Parameters

表2　材料的物性参数Tab.2　Physical parameters of materials

由图3(a1)- (a3)中的烟气速度分布图可以看出，随着各上排烟支管闸板开度的减小，各上排烟支管在设置闸板处的截面积减小，烟气流过该处产生的节流效果越明显和受到的局部阻力更大，因此烟气在闸板上部流速增大，但进入各上排烟支管的烟气流量却减小。烟气在各上排烟支管内流动阻力的增大也缩小了烟气在上下各排烟支管内流动阻力的差别，从而减小了进入上下相应位置排烟支管的烟气量差别，这也进一步减小了辊上横截面与辊下横截面上烟气流速的差别，有利于预热带窑内烟气与砖坯上下表面对流换热的均匀性。但也应注意，当闸板的开度为三分之一时，由于各上排烟支管的烟气流动局部阻力的进一步增大，导致烟气在各上排烟支管内流动的总阻力反而较各下排烟支管内的大，进入各下排烟支管的烟气量较相应上排烟支管烟气量多，结果使得辊上横截面烟气流速反而较辊下截面上的小。

图3　闸板开度对沿窑内方向不同断面上烟气速度分布的影响Fig.3 Influence of damper opening on velocity distribution of flue gas in different sections along width

图3(b)-3(c)分别为不同闸板开度时，在排烟结构上游两个位置(x=0.3 m和x=1 m)的横断面上的烟气流速分布。由图可以看出，当闸板全开时，辊上横截面上烟气流速先较辊下截面上的大，而后随着闸板开度减小，辊上横截面上烟气流速较辊下截面上的大，且它们的差别随着闸板开度的减小而增加。进一步分析发现，排烟结构上游的横断面离排烟结构越远，排烟闸板开度的变化对横断面上烟气流速影响越小。

4　结　论

本文通过数值模拟法，采用计算流体动力学(CFD)Fluent软件，对上排烟支管闸板开度对建陶辊道窑预热带内烟气流动的影响进行了模拟计算研究，所得结论如下：

(1)当所有上排烟支管闸板全开时，由于烟气由上排烟口流至排烟总管出口的流动阻力明显小于由下排烟口流至排烟总管出口的流动阻力，使得进入上排烟支管的烟气流速和流量均较进入下排烟支管的大，预热带辊上横断面烟气流速较辊下断面的大，导致断面沿窑内高流速分布不均匀，不利于砖坯上下表面的受热均匀性。

(2)适当减小上排烟支管闸板的开度，可减小烟气由上排烟口流至排烟总管出口的流动阻力与由下排烟口流至排烟总管出口的流动阻力之间的差别，有利于减小窑内辊上与辊下横断面烟气流速分布的差别；当闸板开度过小，反而使辊下横断面烟气流速较辊上断面的大，也不利于砖坯上下表面受热的均匀性。

(3)排烟结构上游的横断面离排烟结构越远，闸板开度的变化对其断面上烟气流速影响越小。

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Effect of the Open Position of Dampers Fitted on Branch Exhaust Pipes Installed in Kiln Roof on Flue Gas Flow in Preheating Zone of Roller Hearth Kiln

TONG Jianhui,FENG Qing,LUO Jiang,LIU Jiang,HUANG Xu
( Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333403,Jiangxi,China )

Abstract:In order to study the effect of damper opening on flue gas flow in preheating zone of roller hearth kiln,the model for the interior space of the preheating zone with the central exhaust structure was constructed and meshed with tetrahedral grid by using CFD Fluent software.The standard K- two-equation turbulent flow model was selected and the boundary conditions were set.The results indicate that full opening or too small opening of all the dampers fitted on the branch exhaust pipes installed in the kiln roof can lead to serious difference in the flue gas velocity distribution between the upper and the lower section along kiln width.This goes against the uniformity of convection heat transfer between flue gas and green bricks.In addition,further the section located along the upstream of the exhaust device is from the exhaust device,less effect of the damper opening on the velocity distribution of the flue gas of the corresponding section.

Key words:preheating zone of roller hearth kiln; central exhausting; damper opening; velocity distribution; numerical simulation

基金项目：大学生创新训练计划项目(115020-002009)。

收稿日期：2015-07-21。

修订日期：2015-12-14。

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2016.01.017

中图分类号：TQ174.6

文献标志码：A

文章编号：1000-2278(2016)01-0081-05

通信联系人：童剑辉(1977-)，男，博士， 副教授。

Received date:2015-07-21.Revised date:2015-12-14.

Correspondent author:TONG Jianhui(1977-),male,Doc.,Associate professor.