燃油式熱熔釜3D建模及其溫度場仿真＊

田軍委，邱望志，張 艷，王崗罡

（1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.中國人民解放軍駐211廠軍事代表室，北京 100076）

熱熔型道路標(biāo)線涂料具有快干、耐磨、反光、確認(rèn)性好等優(yōu)點，已開始在國內(nèi)高等級公路上應(yīng)用.目前，我國熱熔標(biāo)線施工機(jī)械主要依賴于進(jìn)口，且價格昂貴［1］；因此，急需開發(fā)適合中國國情的國產(chǎn)熱熔標(biāo)線施工機(jī)械.而熱熔釜是熱熔標(biāo)線施工機(jī)械的核心設(shè)備，因此，此設(shè)備的研究具有重要意義.

熱熔釜設(shè)備根據(jù)使用燃料的不同可分為燃油式熱熔釜和燃?xì)馐綗崛鄹獌煞N設(shè)備［2］，燃?xì)馐綗崛鄹捎诎踩炔桓?、燃?xì)馊紵环€(wěn)定，所以應(yīng)用并不普遍.目前市場上絕大多數(shù)熱熔釜設(shè)備都采用燃油式熱熔釜［3］，此熱熔釜具有燃燒穩(wěn)定、燃燒熱值大且容易人為控制燃油量大小，但燃燒效率低，熱量分布不均.對此缺陷的研究僅僅局限于物理結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高了使用的便利性，但不能從根本上解決燃燒效率低，熱量分布不均的現(xiàn)象.沈陽立元公路涂料設(shè)備廠，引進(jìn)國外技術(shù)，研制開發(fā)了“遠(yuǎn)達(dá)”牌公路熱熔標(biāo)線施工系列機(jī)械，該設(shè)備采取手推式標(biāo)線施工，主要以一臺液壓燃?xì)馐綗崛鄹c手推車配合作業(yè)，兩者分體，熱熔釜加熱涂料，手推車劃線機(jī)劃線［4］.隨著流體力學(xué)仿真軟件的出現(xiàn)，對其進(jìn)行溫度場仿真，從根本上解決此缺陷.利用Fluent流體力學(xué)軟件對溫度場仿真可得到理想的分析結(jié)果，因此利用此軟件對現(xiàn)有的溫度場分布進(jìn)行仿真，明確熱量分布及燃燒效率，為實際分析提供扎實的理論基礎(chǔ).

文中利用Fluent流體力學(xué)軟件對燃油式熱熔釜系統(tǒng)中的熱熔釜釜壁的溫度場分布進(jìn)行仿真，通過仿真分析，明確目前加熱系統(tǒng)中熱熔釜的溫度場分布情況，為后續(xù)的改進(jìn)提供堅實的理論基礎(chǔ).

1 燃油熱熔釜建模

燃油熱熔釜系統(tǒng)主要由9個部分構(gòu)成，燃油熱熔釜系統(tǒng)三維建模如圖1所示.涂料施工時，先批量將料投入到熱熔釜中，再通過燃燒柴油對熱熔釜中涂料進(jìn)行加熱，涂料在加熱過程中通過攪拌器進(jìn)行均勻攪拌，待加熱到熔化狀態(tài)后再對加熱涂料進(jìn)行保溫處理.

圖1 燃油式熱熔釜系統(tǒng)Fig.1 Fuel thermal reactor system

2 傳熱計算數(shù)學(xué)模型

Fluent的傳熱計算需要激活能量方程，通過能量方程中的能量源項來考慮傳熱問題.能量守恒定律是包括有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律，其本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律.依據(jù)能量守恒定律，微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流通量加上質(zhì)量力與表面力對微元體所做的功，其表達(dá)式為

式中：E為流體微團(tuán)的總能，包括內(nèi)能、動能和勢能之和，E＝h－P／ρ＋u2／2；h為焓；hj為組分j的焓；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，keff＝k＋kt，kt為湍流熱傳導(dǎo)系數(shù)，根據(jù)所用的湍流模型來確定；Jj為組分j的擴(kuò)散通量；Sh為包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積能源項.

3 燃油熱熔釜內(nèi)熱流密度計算

3.1 燃油量理論計算

由燃油熱熔釜加熱系統(tǒng)條件得柴油的燃燒熱值Qd＝4.6×104kJ／kg，熱熔釜容積V ＝0.249 m3，各種燃料的熱量利用率值，離爐煙氣溫度為300℃，燃煤時燃料的熱量利用率ηy1取0.87，燃料油時ηy2＝0.84，由干燥爐容積熱強(qiáng)度及熱強(qiáng)度系數(shù)曲線［5］，得爐子最大煤耗量為11kg／h，則燃油最大消耗量為

3.2 恒流密度計算

涂料在熱熔釜系統(tǒng)內(nèi)加熱時，涂料加熱前將整批涂料一次裝入釜內(nèi)，隨釜一起在熱熔釜系統(tǒng)內(nèi)加熱，涂料在燃料供入量基本不變的情況下隨釜加熱到熔化溫度，這一加熱過程可考慮在熱流不變情況下，加熱時間為

式中：J為熱熔釜鋼材加熱前后的熱量增量；K1為透熱系數(shù)［6-9］，對于圓柱體K1＝2；q為爐氣傳給鋼材表面的熱流密度為

其中，σ為導(dǎo)出輻射系數(shù)為

式中：εg為熱熔釜鋼材黑度；εq為爐氣黑度；φb為爐壁對熱熔釜的角度系數(shù)為

式中：Ag、Ab為熱熔釜終了及加熱開始時爐溫（℃）；ρ為熱熔釜鋼材密度.按熱流密度不變情況下進(jìn)行加熱時間計算，熱熔釜系統(tǒng)尺寸如圖2所示.

圖2 燃油式熱熔釜系統(tǒng)尺寸Fig.2 Fuel furnace system size

熱熔釜碳素鋼熱量增量為

計算燃油熱熔釜加熱實驗條件見表1.

由表1數(shù)據(jù)可得式（7）代入式（8）得J＝186.5kJ／kg.熱熔釜對數(shù)平均溫度為［10］

對數(shù)平均爐溫Tdj為

將表1數(shù)據(jù)分別代入式（8）、式（9），可得Tjb＝260℃，Tdj＝589.97℃.

根據(jù)爐壁實際結(jié)構(gòu)尺寸0.815m×0.888m×0.776m；兩側(cè)爐及爐頂內(nèi)表面A1＝1.695m2；前后端爐壁內(nèi)表面積為A2＝1.379m2，爐子容積V＝0.2955m3.爐子內(nèi)表面積為

輻射厚度為

實際燃油熱熔釜透熱系數(shù)k1＝2；熱熔釜碳素鋼加熱厚度S＝6×10－3m；熱熔釜碳素鋼密度ρ＝7850kg／m3；熱熔釜受熱面積Ag＝1.796m2，將Ab、Ag代入式（7）可求得爐壁對熱熔釜的角度系數(shù)φb.

燃油燃燒后生成的煙氣黑度εq＝0.18；釜壁鋼材黑度εg＝0.79，代入數(shù)據(jù)由式（5）得輻射系數(shù)σ＝0.18.加熱時間為

表1 燃油熱熔釜加熱實驗條件Tab.1 Experimental heating conditions of fuel furnace

圖3 熱熔釜網(wǎng)格劃分Fig.3 Furnace mesh

4 對熱熔釜釜壁加熱的仿真分析

4.1 在GAMBIT中網(wǎng)格劃分

根據(jù)熱熔釜系統(tǒng)建模模型，導(dǎo)入到前處理軟件GAMBIT中進(jìn)行的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分.將面網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為30，體網(wǎng)格數(shù)也設(shè)置成30，并設(shè)置進(jìn)出口邊界類型及流體區(qū)域為固體.網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示.

4.2 基于Flunet燃油熱熔釜溫度場仿真

初始邊界條件為熱熔釜外壁恒流密度為q＝9809.1W／m2情況下加熱，內(nèi)壁面和空氣間傳熱系數(shù)取為h＝35W／（m2·K），上壁面假定絕熱.經(jīng)仿真得熱熔釜壁上溫度場分布情況.設(shè)定迭代1000步.生成的殘差曲線如圖4所示.

由圖4可知，能量曲線經(jīng)800步計算后達(dá)到收斂，熱熔釜在恒流密度下加熱一段時間可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時的熱熔釜內(nèi)外表面的溫度分布如圖5所示.

圖4 殘差能量曲線Fig.4 Residual energy curve

圖5 熱熔釜溫度分布Fig.5 Furnace temperature distribution

由圖5熱熔釜溫度分布可知，熱熔釜加熱一定時間達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此時的熱熔釜最高溫度可達(dá)到溫度可達(dá)837℃，最低溫度處溫度27℃.從熱熔釜內(nèi)外壁的溫度分布就可知熱熔釜在恒流密度條件下加熱的任一局部溫度分布情形.

熱熔釜加熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時溫度分布情形，外加熱表面和內(nèi)傳熱表面沿Y軸方向的溫度分布曲線如圖6所示.

由圖6熱熔釜中心面溫度分布可知熱熔釜加熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)后熱熔釜釜壁平均溫度可達(dá)到330℃.溫度分布高的地方集中在燃油式熱熔釜的封頭，封頭處溫度達(dá)到370℃，在熱熔釜釜壁四周溫度較熱熔釜封頭部位要低，最低處的溫度接近230℃，外壁溫度比內(nèi)壁溫度高出10℃.根據(jù)實際測得的外壁平均溫度為300℃，仿真結(jié)果與實際測得的數(shù)據(jù)誤差范圍在5%之內(nèi).

圖6 熱熔釜中心面溫度分布Fig.6 Thermal reactor temperature distribution center

5 結(jié)論

1）熱熔釜在熱流密度為q＝9809.1W／m2，內(nèi)壁面和空氣間傳熱系數(shù)取為h＝35W／（m2·K），達(dá)到穩(wěn)態(tài)后熱熔釜釜壁平均溫度達(dá)到330℃，熱熔釜底部溫度分布相比其他部位高出90℃.

2）從熱熔釜壁溫度分布可以看出，加熱涂料時底部涂料局部溫度高于其他部位，從而使得攪拌器在設(shè)計時應(yīng)考慮攪拌葉片將靠近加熱釜底部涂料的熱量能及時帶到熱熔釜中央；同時也為進(jìn)一步改進(jìn)熱熔釜結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，使得加熱時熱熔釜溫度分布更趨均勻.

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