井式爐爐壁砌體的優(yōu)化設(shè)計

王曉紅（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司能源管理部，黑龍江　哈爾濱　150000）

井式爐爐壁砌體的優(yōu)化設(shè)計

王曉紅
（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司能源管理部，黑龍江哈爾濱150000）

摘要：近年來，隨著能源供需矛盾的進一步加劇，降低熱處理加工爐中的能量損耗，在熱處理爐設(shè)計中采用新材料、新技術(shù)勢在必行，并且通過這些改進也取得了一定的社會經(jīng)濟效益。本文從井式爐爐壁砌體的熱力傳遞損失問題入手分析，采用了不同方法對爐壁砌體進行優(yōu)化設(shè)計，以期達到節(jié)省筑爐材料、提高生產(chǎn)效率的目的。

關(guān)鍵詞：井式爐；爐壁；砌體；優(yōu)化；設(shè)計；計算機；數(shù)學(xué)模型

堅持開放與節(jié)約并重、努力追求能源節(jié)約是建設(shè)社會主義和諧社會、資源節(jié)約型社會、環(huán)境友好型社會的重點，也是貫徹國家節(jié)能改造指令的關(guān)鍵。鍋爐作為社會能源消耗大戶，目前我們已經(jīng)對各種不同的鍋爐結(jié)構(gòu)進行了改造，且這些鍋爐改造后節(jié)能效果良好。為此，我們這里有必要對井式爐爐壁砌體優(yōu)化改造工作進行分析，并提出有關(guān)優(yōu)化設(shè)計要點。

1　數(shù)學(xué)模型對井式爐爐壁砌體優(yōu)化改造分析

目前，為了更好的解決鍋爐生產(chǎn)、加工中熱能量損耗大的問題，在鍋爐設(shè)計優(yōu)化工作中已經(jīng)采用了許多新材料、新技術(shù)，也取得了明顯的社會經(jīng)濟效益。但在井式爐中效果并不明顯，究其原因是爐壁太薄而造成巨大的熱損失，這一能量損失甚至占整個井式爐能耗的1/3以上，因此為了更好的控制井式爐熱能損耗、降低生產(chǎn)加工成本、提高企業(yè)效益，做好井式爐熱處理爐壁優(yōu)化設(shè)計迫在眉睫，也是未來工作者研究重點所在。在常規(guī)的熱處理電阻爐設(shè)計中，爐壁砌體的尺寸主要是根據(jù)鍋爐功率和工作溫度設(shè)置，然后通過鍋爐爐壁表面溫度變化值加以確定的，但是這種方法在目前僅僅適用于條件穩(wěn)定的鍋爐熱處理中。事實上，時至今日很少有完全處于穩(wěn)定狀態(tài)的井式爐，因此即便在鍋爐正常運行中采用連續(xù)式軋鋼、開爐、停爐以及調(diào)整井式爐蓄熱變化的方式進行控制，也不可能有效的實現(xiàn)完全穩(wěn)定、持續(xù)運行的理想工作狀態(tài)，面對周期式作業(yè)爐，常常都是在工作之后的一個周期內(nèi)，爐壁的溫度還沒有達到穩(wěn)定，因此就需要我們采用一定的計算方式對熱傳遞不穩(wěn)定狀態(tài)進行計算。

2　優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用

2.1優(yōu)化設(shè)計方法。優(yōu)化設(shè)計方法是當(dāng)今計算機技術(shù)領(lǐng)域廣泛采用的一種現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，這一技術(shù)在利用過程中需要根據(jù)最有原理和方法綜合處理，全面統(tǒng)籌、前后兼顧的利用人機互動、人機配合、人際交流和自動探索等方式進行綜合計算的模式。通常都是在計算機上采用半自動或者全自動設(shè)計的方式，利用現(xiàn)有的工程條件選擇出最大、最有效的設(shè)計方案。面對此情況，以有限差分熱傳計算公式進行優(yōu)化效果明顯，同時這一技術(shù)和計算方法在爐壁熱損失最小值的基礎(chǔ)上對單層爐壁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而達到一維優(yōu)化計算要求。

（1）單層爐壁優(yōu)化設(shè)計。單層爐壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要提前設(shè)定一個爐壁的厚度，將該厚度值應(yīng)當(dāng)選擇數(shù)值較小的一些，然后將爐壁的厚度分成幾個不同成分，并且給出一個標(biāo)準(zhǔn)的薄層厚度值，然后在利用上述計算方法進行計算，最終求取出最佳熱損失。這種計算方法是一種循環(huán)計算的過程，一直到求得最小熱損失厚度之后為止，這個時候我們還需要優(yōu)化爐壁厚度尺寸。

（2）雙層爐壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。對于雙層爐壁結(jié)構(gòu)，則需要選擇最優(yōu)方法進行計算，這種計算方法的應(yīng)用是在傳統(tǒng)坐標(biāo)輪換法的基礎(chǔ)上達到一個多維無約束最優(yōu)化處理模式，將多維問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S無約束問題處理，然后利用上述方法解決。在雙層爐壁襯砌結(jié)構(gòu)分析中，先給出一個耐火層的厚度值，優(yōu)化并確定保溫層的厚度，這個過程與單層爐壁優(yōu)化設(shè)計大致相同，然后找出總體熱損失最小值，再將這一數(shù)值進行優(yōu)化，反過來計算耐火層的厚度，這樣反復(fù)進行計算，一直到優(yōu)化結(jié)果給出的要求為止。

（3）優(yōu)化設(shè)計計算公式。由于熱損失的計算量本身很大，且計算之中還會存在反復(fù)計算、大量運算且循環(huán)計算的過程，因此要想更好、更快的得到優(yōu)化計算數(shù)值，必須要在爐壁上不同位置、不同時間衡量溫度繼續(xù)擰計算，從而求出最佳、最合理的爐壁散熱和蓄熱數(shù)值，確定熱損失與爐壁之間的具體關(guān)系。在計算中，熱損失與路壁厚度之間的關(guān)系可以用下面計算公式表示。

在公式中，Q總損失—爐墻砌體在升溫、保溫時間內(nèi)總的熱損失；Q蓄—爐墻砌體在升溫、保溫時間內(nèi)蓄熱熱損失；Q散—爐墻砌體在升溫、保溫時間內(nèi)散熱熱損失；m—耐火層爐墻份數(shù)。n—保溫層爐墻份數(shù)；Δγm—耐火層每薄層厚度；Δγn—保溫層每薄層厚度；ρm—耐火層砌體材料的容重；ρn—保溫層砌體材料的容重；Cm—耐火層砌體材料的熱容；Cn—保溫層砌體材料的熱容；thm—耐火層第h層在工作結(jié)束時的平均溫度；thn—保溫層第h層在工作結(jié)束時的平均溫度；t0—室溫；αm—耐火層綜合給熱系數(shù)；αn—保溫層綜合給熱系數(shù)。

2.2井式爐爐壁砌體優(yōu)化設(shè)計。由于在井式爐爐壁砌體優(yōu)化設(shè)計中，雖然層數(shù)不同，但是具體的設(shè)計優(yōu)化方法是一樣的，因此在這里我們不再對這些計算方法進行深入闡述。

3　優(yōu)化結(jié)果

3.1爐墻厚度對熱損失的影響。根據(jù)上述非穩(wěn)態(tài)傳熱有限差分法的計算公式，無論是對于全纖維的單層結(jié)構(gòu)的爐墻，還是由不同材料所組成的雙層結(jié)構(gòu)的爐墻，均可求出其總的熱損失，由此分析出爐墻厚度尺寸對熱損失影響的一般規(guī)律。

3.2爐墻厚度對界面溫度的影響。經(jīng)研究，我們可適當(dāng)增加保溫層的厚度和減少耐火層的厚度，其熱損失和爐外殼溫度變化不大，但界面溫度升高。在耐火層厚度一定的情況下，增大保溫層的厚度，界面溫度也隨著增加，而且增加的幅度越來越小，此時爐外壁溫度則隨著保溫層厚度的增加而不斷地下降；在保溫層厚度一定的情況下，增加耐火層的厚度，界面溫度呈下降的趨勢，爐外壁溫度與固定耐火層增加保溫層有同樣的規(guī)律，也是隨著厚度的增加而下降。

結(jié)語

總之，在非穩(wěn)態(tài)傳熱的基礎(chǔ)上對爐墻厚度進行優(yōu)化設(shè)計，可使?fàn)t墻厚度尺寸的確定科學(xué)化、最佳化，尤其是對于使用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的材料，優(yōu)化更為重要。

參考文獻

[1]李賢君，王占軍，張文良，羅海，周亞飛.變截面向上排煙燃氣大型井式爐的研制[J].金屬熱處理，2011（07）.

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