輥道窯窯內(nèi)空間傳熱過程的計算機(jī)模擬

林依翰 胡國林 徐金文

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院,江西景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

當(dāng)代輥道窯有傳熱速度快、斷面溫度均勻、窯內(nèi)阻力小、壓降小的特點，故大大縮短了燒成時間，能保證快速燒成的實現(xiàn)，使其能耗大大降低，提高了輥道窯的熱利用率。而且輥道窯機(jī)械化、自動化程度都相當(dāng)高，從而形成了完整的生產(chǎn)線，已廣泛應(yīng)用到建筑瓷磚的生產(chǎn)中。

輥道窯窯內(nèi)空間的傳熱過程是研究其能耗的一個重要指標(biāo)，而輥道窯內(nèi)各斷面上煙氣對制品的傳熱是通過熱輻射和對流，但煙氣的輻射傳熱所用到的黑度要通過查圖得到，難以應(yīng)用計算機(jī)編程模擬研究。本文通過計算機(jī)VB編程、EXCEL數(shù)據(jù)分析和MATLAB數(shù)據(jù)回歸及擬合、Origin的繪圖，得出輥道窯內(nèi)部熱輻射和對流傳熱過程的擬合公式及其求煙氣黑度的擬合公式，結(jié)果表明，回歸擬合后所得公式算出的數(shù)據(jù)，與通過查圖所得數(shù)據(jù)相對誤差均小于5%，可以作為計算機(jī)應(yīng)用研究時的參考，這對應(yīng)用計算機(jī)研究與監(jiān)控輥道窯很大的實際意義。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 對流傳熱系數(shù)的計算

按牛頓冷卻定律，對流傳熱量可用式(1)計算,

式中,αc為對流傳熱系數(shù)，W／m2℃；tg為氣體溫度，℃；tm為制品表面的溫度，℃；F為制品的加熱表面，m2；其中對流傳熱系數(shù)αc，由于煙氣在輥道窯內(nèi)的流動類似于在管道內(nèi)的湍流流動，故可用下式計算：

式中,ω為煙氣流速，m/s；de為通道當(dāng)量直徑，m。

1.2 輻射傳熱系數(shù)的計算

煙氣對固體壁面的輻射傳熱量計算公式為[1]：

式中，Tg、Ts為分別為煙氣、固體壁面的熱力學(xué)溫度，K；C0為黑體輻射常數(shù)，C0=5.67×10-8W/(m2.K4)；F為輻射傳熱表面積，m2；

εg-s為煙氣對制品的導(dǎo)來黑度，

在輥道窯內(nèi)煙氣對制品給熱是以對流和輻射同時進(jìn)行的，為了便于計算，一般將輻射傳熱公式（3）寫成與（1）相同的形式：

式中，αR稱為輻射傳熱系數(shù)，它應(yīng)為：

表1 煤氣燃燒后煙氣中的CO2、H2O分壓Tab.1 The partial pressure of CO2and H2O after the combustion of gas

其中，εg-s是煙氣對制品的導(dǎo)來黑度，由（4）知它與煙氣和制品的黑度有關(guān)，而煙氣的黑度主要與煙氣中CO2和H2O黑度有關(guān)，而它們可以用其分壓P與平均射線程長的乘積（P*L）及煙氣溫度查圖得到。但查圖不便于計算機(jī)模擬，本文將煙氣中CO2和H2O蒸汽的黑度與溫度及其P*L的關(guān)系回歸成經(jīng)驗公式。

通過用計算機(jī)對各種煤氣進(jìn)行燃燒計算，得到燃燒后煙氣中CO2、H2O百分含量（即分壓）數(shù)據(jù)如表1所示。而煙氣輻射的平均射線程長:

式中，L為煙氣輻射的平均射線程長，m；V為氣體空間體積，m3；F為包圍氣體空間的面積，m2。

據(jù)輥道窯每節(jié)的大體尺寸[2]計算可得：V=內(nèi)長×內(nèi)寬×內(nèi)高=2×2.5×0.8=4(m3)，F(xiàn)=2×（2.5×0.8）+4×（2×2.5）=24（窯內(nèi)壁面積+制品上下表面積）；因此輥道窯內(nèi)煙氣輻射的平均射線程長約為：

因此，本文取煙氣中CO2的分壓PCO2=6.5～22，H2O的分壓PH2O=3.5～12.5；而輻射傳熱主要在高溫階段，取煙氣溫度值tg=500～1300；通過查圖得到一系列的PCO2×L（PH2O×L）、Tg與εCO2（εH2O）之間的數(shù)據(jù)，再通過EXCEL和Origin對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，可以得到需要的回歸經(jīng)驗公式：

（圖1）～（圖4）分別是煙氣中CO2和H2O查圖與用回歸后經(jīng)驗公式計算值所作的三維圖，從圖中可看出擬合后的值與查圖所得值基本吻合，這也可以從表2的誤差分析中得到證實。

2 程序設(shè)計簡介

有了以上回歸公式，就很容易編程計算輥道窯內(nèi)的對流、輻射傳熱系數(shù)了，圖5為輥道窯窯內(nèi)空間傳熱過程的計算機(jī)模擬程序流程圖，它主要包括以下三個模塊：燃燒計算模塊，其界面如圖6所示，主要是用來計算得出煙氣中CO2和H2O的含量，以便后續(xù)計算中求出它們的黑度；參數(shù)輸入模塊（圖7為其界面圖），其功用是計算煙氣輻射的平均射線程長、制品溫度及煙氣溫度；傳熱計算模塊——用于計算輥道窯內(nèi)輻射、對流傳熱系數(shù)，其中就要用到2中回歸所得的（8）、（9）式。

表2 ε的回歸值與查圖值的誤差分析Tab.2 The error analysis of the ε return value and chart value

3 模擬結(jié)果與分析

經(jīng)上機(jī)實驗，對目前國內(nèi)輥道窯常用的五種燃?xì)庠谏郎仉A段取了100個溫度點進(jìn)行了模擬，表3為模擬所得的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從中可以看出：在500℃以前對流傳熱與輻射傳熱所占分量大致相當(dāng)，之后輻射傳熱的分量急劇增大。幾種煤氣的傳熱系數(shù)相比較，天然氣的對流傳熱系數(shù)最大，這是由于單位燃?xì)馊紵a(chǎn)生的煙氣量最大（其理論煙氣量為10.1 Nm3/Nm3），因而流速也最大所致；而輻射傳熱系數(shù)是高爐煤氣產(chǎn)生的煙氣最大，這是因為它的燃燒產(chǎn)物中CO2含量最大（21.7%）。

盡管各種煤氣的對流傳熱與輻射傳熱系數(shù)有所差別，但都在一個數(shù)量級上，本文取它們的平均值并取對數(shù)后運用Origin軟件線性擬合，再返回成指數(shù)形式，得出便于工程應(yīng)用的經(jīng)驗公式，其中(10)為對流傳熱系數(shù)與溫度的擬合公式，(11)為輻射傳熱系數(shù)與溫度的擬合公式；(12)為綜合傳熱系數(shù)與溫度的擬合公式。擬合所得圖形示于圖8，并將擬合前的值也作于圖中，從圖中可看出，在1100℃前擬合度較好，而在1100℃后輻射傳熱系數(shù)由擬合公式計算出的值則偏低50～100，要給予修正。

表3 各種燃料燃燒后煙氣的傳熱系數(shù)Tab.3 The heat transfer coefficients of different gases after combustion

4 結(jié)論

（1）通過本文的研究，說明用計算機(jī)模擬輥道窯窯內(nèi)傳熱是可行的。運用VB編程及其與Excel的鏈接，可以方便地記錄數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析；運用Origin軟件繪圖，能直觀地表達(dá)出各參數(shù)之間的關(guān)系。

（2）本文運用計算機(jī)模擬的方法得出了計算輥道窯內(nèi)煙氣中CO2和H2O的黑度的經(jīng)驗公式（8）、（9）以及計算輥道窯內(nèi)煙氣對制品傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式(10)～(12)，對應(yīng)用計算機(jī)研究與監(jiān)控輥道窯有較大的實際意義。

(3)模擬實驗表明，輥道窯內(nèi)500℃以后煙氣對制品的傳熱是以輻射傳熱為主；其輻射傳熱系數(shù)最高可達(dá)200～300 w/m2·k，遠(yuǎn)比隧道窯中的50～60 w/m2· k[3]高，這是由于輥道窯屬中空窯，其煙氣輻射的平均射線程遠(yuǎn)大于隧道窯的，這也是輥道窯能進(jìn)行快燒的一個重要原因。

1王補(bǔ)宣,工程傳熱學(xué),北京:科學(xué)出版社,1982

2胡國林,建陶工業(yè)輥道窯.北京:中國輕工業(yè)出版社,2009

3宋耑,蔣欣之.陶瓷窯爐熱工分析與模擬.北京:中國輕工業(yè)出版社,1993

4 CARVALHO MG,NOGUEIRA M,WANG JIAN.Proceedings of XVII International Congress on Glass,Beijing,1995