隧道窑制品加热过程的研究

东北大学

硕士学位论文

隧道窑制品加热过程的研究

姓名：姜山

申请学位级别：硕士

专业：热能工程

指导教师：边华

20060201

东北大学硕士学位论文摘要

隧道窑制品加热过程的研究

摘要

隧道窑的设计和操作水平直接影响着制品的烧成质量和能耗，为实现“优质、高产、低消耗”的优化目标，开展隧道窑热工过程的数值研究具有理论意义和实用意义。

本文根据隧道窑热工过程原理，采用数值传热学的研究方法，针对隧道窑内制品的加热过程，建立了隧道窑动态数学模型。利用这一模型，对一座长１２０米、烧制耐火粘土砖的隧道窑进行了模拟，求解了制品和车衬中的三维非稳态导热方程，并进行了不同条件下的模拟，得出了大量的数据。

数值模拟结果指出，制品和车衬中的非稳态导热过程决定着隧道窑的动态特性。这种特性决定了隧道窑的行为，如燃料消耗、蓄热量和热损失等。

在文中，分析了漏风及车衬结构对窑内温差和燃料消耗的影响后得出，漏风和车衬结构都是影响的显著因素。其中，漏入冷空气的作用最为明显。

利用本模型，除了可以预测制品和车衬中的温度分布、燃料消耗量、蓄热量、废气成分等外，还可以用来描述隧道窑的热动态过程，帮助指导隧道窑的优化设计与优化操作。关键词：隧道窑；传热；数学模型：数值模拟

东北大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＡｎＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＨｅａｔ－ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｎｇｏｆ

、ｖａｒｅｉｎＴｕｎｎｅｌＫｉＩｎ

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ｆｅａｔｕｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓｔｈｅｔｕｎｎｅｌｋｉｌｎｂｅｈａｖｉｏｒ，ｓｕｃｈａｓｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｈｅａｔ

ａｎｄｈｅａｔｌｏｓｓ，ｅｔｃ．

Ｉｎａｒｔｉｃｌｅ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆｏｒｍｌｅａｋａｇｅｇａｓａｎｄｌｉｎｉｎｇｂｒｉｃｋ

ｔｏｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｔｈｅｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔ

ｇａｓａｎｄｌｉｎｉｎｇｂｒｉｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅａｌｌｄｉｓｔｉｎｃｔｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｆｕｅｌｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅｌｅａｋａｇｅｏｆｇａｓｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒ．

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ｗｏｒｄｓ：Ｔｕｎｎｅｌｋｉｌｎ；Ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．１１１．ｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｕｍａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒ，ｉｎｋｉｌｎｓ，ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ａｎｄｋｉｌｎｓｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔｏｒａｇｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｌｅａｋａｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｂｕｔｄｅｓｉｇｎＫｅｙ

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主要符号表

Ａ面积

Ｂ雾化剂质量流量

“黑体辐射常数

Ｃ制品和车衬得比热

Ｆ燃料流量

Ｇ制品和车衬节点重量

ｈ对流换热系数

Ｍａｘｌｉｎｅ制品和车衬高度方向节点数

Ｍａｘｃｏｌ制品和车衬横向节点数

Ｍａｘ制品和车衬纵向节点数

ＮＵ努塞尔数

Ｐ气体的压力

００制品吸热量

Ｏｌｂ窑车砖衬吸热量

ＱｍＩ窑车车衬金属吸热量

Ｑｗ窑墙吸热量

Ｑｕｗ窑顶吸热量

ｑ热流密度

Ｒｅ雷诺数

Ｔ温度

ｔｉｍｅ时间

”气体任意状态下流量

Ｖｏ气体标准状态下流量

Ｗｔ气体任意状态下流速

Ｗｏ气体标准状态下流速

Ｘ气体成分

Ｎ，Ｏ，Ｓ，Ｈ，ｗ燃料的成分

口。土’２７３气体温度膨胀系数

ｐＥ任意状态下气体密度

Ｐｏ标准状态下气体密度

ｔ时间主要符号表ｋ一眺一Ⅸ哪台噜《ｑ硌“∞或蚝一一毗咐脚撼蚝咐∞ｈｗｗｗｗｗ№℃。亦鼎贴吣盼％们州．啪。

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ｉ

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ｗｗ，导热系数气体在任意温度时动力粘度气体在Ｏ℃时动力粘度角系数节点Ｘ方向间距节点Ｙ方向间距节点ｚ方向间距气体黑度火焰黑度固体黑度对流传热燃料废气成分辐射传热标准状态时间空气和一次空气窑车底部风机烟气排出雾化剂窑内烟气冷空气渗入漏入漏风车衬制品窑车金属平均值窑顶外侧窑墙外侧燃料燃烧产生的废气主要符号表Ｗ／（ｍ ℃１Ｐａ ＳＰａ ｓｍｍｍ

独创性声明

本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：磊如

日期：扣。ｆ．．２．，３

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（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：

东北大学硕士学位论文第一章绪论

第一章

１．１隧道窑简介绪论

隧道窑是工业上生产耐火材料、陶瓷等的最后一道工序一一烧成的关键设备，它的运行状况宜接影响到产品的质量、产量、能耗、环境污染等方面，而质量是一个企业生存的保证。因此，研究隧道窑具有非常重要的意义【１１。

国外的窑炉热工技术从二十世纪五十年代末开始至七十年代初，随着燃料结构的改变，即由燃煤、重油等转向使用天然气、液化石油气和轻油等，实现了窑炉热工技术的重大突破：

（１）高速调温烧（喷）嘴的发明和使用；

（２）新型、高级耐火材料和隔热材料的广泛使用；

（３）精密完善的自动控制系统的采用。

预热带烧成带冷却带

图１．１隧道窑的工作原理图

Ｆｉｇ１．１Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｔｈｅｏｒｙｆｉｇｏｆｔｕｎｎｅｌｋｉｌｎ

随着中国的改革开放，自上世纪八十年代开始从国外引进了一批先进的窑炉设备，同时也引进了相应的热工技术。随着设备及技术的引进、改革的深入和开放的扩大，人们的观念也发生了根本性的转变。由于经济体制的转型，对于窑炉的要求，也由过去奉行的“高产、优质、低消耗”逐渐转向追求“优质、低耗、高产、灵活、绿色”等更能适应新的经济体制的目标Ｉ”。隧道窑是一种逆流连续作业的热工设备，窑车由预热带向烧成带、冷却带方向

东北大学硕士学位论文第一章绪论移动，而气体则由冷却带向预热带方向移动，在相向运动中交换热量１３ｊ。

隧道窑具有以下几个方面的优点：

（１）机械化和自动化程度高、劳动强度低、生产能力大，广泛应用于耐火材料、

陶瓷制品、建筑材料工业。

（２）操作环境好，装卸窑车均在窑外，常温下进行。

（３）使用寿命较长。

（４）热效率较高。

在实际生产中使用的窑炉类型很多，同一种制品可在不同类型的窑内烧成，同一种窑也可以焙烧不同的制品。根据热源、运输设各的不同，隧道窑可划分成表１．１几种类型【４１。

表１．１隧道窑分类

Ｔａｂｌｅ１．１Ｔｈｅｓｏｒｔｓｏｆｔｕｎｎｅｌｋｉｌｎ

分类根据

热源

火焰是否入窑

窑内运输设备窑１．火焰隧道窑２．电热隧道窑名１．明焰隧道窑２．隔焰隧道窑３．半隔焰隧道窑１．窑车隧道窑２．推扳隧道窑３．辊底隧道窑（辊道窑）

４．输送带隧道窑５．步粱隧道窑６．气垫隧道窑

通道多少１．单通道隧道窑２．多通道隧道窑

１．２文献综述

现代科学技术的显著特点是各学科之间相互交叉，相互渗透，正是由于流体力学、数值计算学、传热学、计算机科学、控制学、系统工程等综合作用，才有力地促进了陶瓷窑炉热工理论研究方法的进步。本世纪四十年代兴起的关于陶瓷窑炉热工理论的研究，经历了实体研究、相似模拟研究和数值模拟研究三个大阶段。每一座窑炉都有其特殊性，因而实体研究中得到的结果很难适用别的窑炉，现在己经很少有人采用这种方法。相似模拟法是以相似理论为指导，建立缩小的实体模型，做冷态实验，并将实验结果归纳成准数方程。由于很多准数之间互相交叉，难于满足所有条件，且无法模拟同时存在传质和反应过程的实际工况，其应用受到很大限制。而数值模拟法则以基础理论研究为依据，运用物理平衡概念，建立数学模型，借助计算机进行数值计算。这种方法便于模拟实际生产中的各种工况，是最为科学先进

东北大学硕士学位论文第一章绪论的工程研究方法。多年来各国学者针对窑炉的砌筑材料、燃烧系统及烧成制度等问题，采用了各种方法，进行了广泛的研究。

隧道窑的焙烧过程是由制品运动过程、烟气流动过程、传热过程、燃烧过程、传质过程以及制品内部的物理化学过程的复杂综合。这种复杂综合过程如果用数学模拟方法不仅可能，而且可以既快速又经济地从中得到有用的结果，用于发展窑炉理论，指导生产实践【５Ｊ。

１．２．１隧道窑的研究

伦敦帝国大学的Ｄｕｇｗｅｌｌ和Ｏａｋｌａｙ【６】建立了制品的一维、二维和三维非稳态传热数学模型，并且计算了制品的温度和气体的温度，并进行了仿真实验。实验结果表明，模型是比较精确的。

Ｄｕｇｗｅｌｌ和Ｏａｋｌａｙ的～些假设和采用的方法是较为合理的。然而，他们的模型依然是一个静态的模型，并没有把隧道窑的动态参数关联起来，不能不说是一个缺憾。

陈立俊和徐景维［７Ｊ根据部分生产单位的统计数据对传统陶瓷隧道窑热平衡的测定结果及热能利用的分布进行了综合与分析，讨论了降低烧成能耗，提高窑炉热效率的潜力。

胡昌盛【８ｌ在１９９４年依据陶瓷隧道窑热工测试报告和热平衡报告，采用多元回归和逐步回归理论，得到了陶瓷隧道窑单位重量热耗的多元回归数学模型和逐步回归数学模型。利用该模型可对单耗进行预测和控制。宋嵩利【９】用三种典型陶瓷隧道窑温度曲线的测试结果，对温度及其分布均匀性进行了理论分析，指出了现代陶瓷隧道窑烧成均匀性的重要改进及尚存的问题。

崔宝剑和曹卫江【１０】对大断面隧道窑的综合热平衡进行了研究。赵镇魁【１１ｌ对影响隧道窑焙烧过程的相关因素进行了分析。

Ａ６６ａｒｔｔＭＯ：ａ和Ｍｏｃｉｕｔｒ＇１提出了～个模型，这个模型在燃烧带考虑了热平衡、气体平衡和物质平衡。要求解的参数如下：燃料流量、一次风量、气体流量和成分、相邻砖垛间最大温差，其他参数像燃烧室数目、燃烧室温度、废气热损失和一次风温度已知。他们把这个模型用于离线计算机模拟和控制生产参数，结果与所得实验数据吻合较好，但模型并没有在线运行。另外，气体到窑墙、气体到制品和窑车等的传热量都是已知的，并没有通过制品和窑车衬砖的非稳态方程计算确定。同时这

东北大学硕士学位论文第一章绪论

的工程研究方法。多年来各国学者针对窑炉的砌筑材料、燃烧系统及烧成制度等问题，采用了各种方法．进行了广泛的研究。

隧道窑的焙烧过程是由制品运动过程、烟气流动过程、传热过程、燃烧过程、

传质过程以及制品内部的物理化学过程的复杂综合。这种复杂综合过程如果用数学模拟方法不仅可能，而且可咀既快速又经济地从中得到有用的结果，用于发展窑炉理论，指导生产实践１５Ｊ。

１．２。１隧道窑的研究

伦敦帝国大学的Ｄｕｇｗｅｎ和Ｏａｋｌａｙｆ６１建立了制品的～维、二维和三维非稳态传

热数学模型，并且计算了制品的温度和气体的温度，并进行了仿真实验。实验结果表明，模型是比较精确的。

Ｄｕｇｗｅｌｌ和Ｏａｋｌａｙ的～些假设和采用的方法是较为合理的。然而，他们的模型

依然是一个静态的模型，并没有把隧道窑的动态参数关联起来，不能不说是一个缺憾。

陈立俊和徐景维【１根据部分生产单位的统计数据对传统陶瓷隧道窑热平衡的测

定结果及热能利用的分布进行了综合与分析，讨论了降低烧成能耗，提高窑炉热效率的潜力。

胡昌盛１８ｌ在１９９４年依据陶瓷隧道窑热工测试报告和热平衡报告，采用多元回归

和逐步回归理论，得到了陶瓷隧道窑单位重量热耗的多元回归数学模型和逐步回归数学模型。利用该模型可对单耗进行预测和控制。宋尚利［９悃三种典型陶瓷隧道窑温度曲线的测试结果，对温度及其分布均匀性进行了理论分析，指出了现代陶瓷隧道窑烧成均匀性的重要改进及尚存的问题。

崔宝剑和曹卫江【１０］对大断面隧道窑的综合热平衡进行了研究。赵镇魁【１１ｌ对影响

隧道窑焙烧过程的相关因素进行了分析。

Ａ６６ａＫｔｉＭｏｒｔ和Ｍｏｃｉｕ【１２】提出了一个模型，这个模型在燃烧带考虑了热平衡、气

体平衡和物质平衡。要求解的参数如下：燃料流量、一次风量、气体流量和成分、相邻砖垛间最大温差，其他参数像燃烧室数目、燃烧室温度、废气热损失和一次风温度已知。他们把这个模型用于离线计算机模拟和控制生产参数，结果与所得实验数据吻台较好，但模型并没有在线运行。另外，气体到窑墙、气体到制品和窑车等的传热量都是已知的，并没有通过制品和窑车衬砖的非稳态方程计算确定。同时这的传热量都是已知的，并没有通过制品和窑车衬砖的非稳态方程计算确定。同时这

东北大学硕士学位论文第一章绪论个模型没有考虑预热带和冷却带，因而，其应用是有限的。

谷同恩和宋嵩【５１于１９８５年提出了建立包括制品传热、窑车散热、窑体散热、冷空气漏入、流量分配以及烟气组成分配等多种过程的火焰隧道窑预热带数学模型。在此模型中，采用分块集中参数模型。作了以下合理简化：

（１）窑车、窑墙、窑顶内表面温度和黑度，等于相应部位制品的表面温度和

黑度。

（２）在同一车位内，制品表面温度和其周围烟气温度纵向变化为线性，制品

表面和平均温度的关系用加热厚度联系。

（３）模型中所划分的单元在排烟时各自的烟直接排出窑外，排烟车位有漏入

冷空气的则同体积的排烟按冷空气温度计算。

（４）窑墙散热及窑车蓄热考虑为一维无限大平壁，窑顶散热考虑为一维无限

长圆筒壁。

（５）模型中所划分的单元，由于其问温度不同而存在着传热。假设传热只发

生在垂直方向单元之间。

（６）漏入冷空气全部集中在下部单元，而上部需要的烟气由下部烟气补充。（７）制品及窑车在窑内作匀速运动。

吴建青【１３】于１９８６年研究了陶瓷制品与窑车的传热。他做了如下假设：料垛、窑车垫饼物理性质相同。作为一均匀体处理。沿窑车长度方向料垛间隔很小。在此方向的热传递与窑宽方向两次的热传递相比是微不足道的。所以认为沿长度方向无热传递。料垛和窑车在加热过程中会发生一系列物理化学变化产生热效应，但和外界传给料垛和窑车的热量相比完全可以忽略。这样认为料垛和窑车的传热是无内热源的二维非稳态传热。

吕庆和李殷泰【“】也对预热带制品与烟气的传热过程进行了模拟，建立了几个二维传热模型。他们主要采用了微元控制体直接差分法。他们将砖垛划分成若干有限大平板，不考虑迭缝的影响，而且考虑到了水平和垂直方向上的传热，这种方法是可取的。它简化了数学模型的建立却又比较合理。其结论是制品上部和前后两端的热传递好于其下部和中间，造成上下温差的主要原因是冷空气的漏入。

宋嵩【１５】在１９９８年利用计算机，根据热平衡、物料平衡和传热平衡，模拟了陶瓷隧道窑热耗，建立了包括传热、散热和燃烧等子模型的隧道窑热耗模型。朱宜惠、杨方正和王雁冰【１哪于１９８５年用模型实验的方法，着重对陶瓷隧道窑

东北大学硕士学位论文第一章绪论的预热带在稳定状态下的车下漏风和分散排烟进行了研究，归纳出了计算某车位处的实际漏风量的实验公式，该公式的得出，使得预热带漏入冷空气的计算定量化，为建立隧道窑的数学模型提供必要参数。

１９９４年，吕庆和孙丽嫒【１７】在实际测量大型隧道窑内有关热工参数的基础上，建立了车衬、制品二维传热模型。并根据此模型讨论了不同材质的车衬在不同窑内温度、蓄热量的变化情况。

将欣之【１８１提出了一个燃料耗量和生产率的关系，指出了改进操作的方向和途径，为降低能耗提供了行之有效的方法和依据。

徐仲达【１９１、赵丽君【２０】和其他一些人【２ｌ－２３】在分析隧道窑上下温差成因同时，通过改进隧道窑的工艺控制，对减少温差给出了有益的建议。

隧道窑自动化控制是趋势，也是必然。然而大多数厂家只是利用计算机进行巡回检测，根据经验温度控制被控参数处于稳定的状态。当烧成条件发生波动、变化时，计算机无法自动调节相关联的参数处于一种合理的值，并且由于直接对制品测温是困难的，因而也就无法准确控制烧成时间和燃料流量。德国Ｗ．Ｌｅｉｓｅｎｂｅｒｇ１２４］指出，如果能获得窑的实际有效模型，那么就可以把预期的状态保持在理想状况。在这方面还有许多大量的工作要做。首要的就是建立有效的全窑数学模型。

此外，文献【２５瑚ｌ主要对窑车及衬砌的传热进行了研究。文献【２９’３３】论述了隧道窑的能量平衡及节能的可能性，指出了节能的可能途径。文献【３４。５】讨论了用计算机控制隧道窑的可行性，方法及需要的一些改进。

综上所述，可知：

（１）国内外学者从不同角度，用不同方法对隧道窑进行了研究，已经开发出

隧道窑局部的数学模型，如一维、二维、三维数学模型。

（２）绝大多数数学模型都还是局部的，且多为静态。用于全窑的、动态的模型很少且不完善。

（３）对于节能非常重要的热耗数学模型以及影响隧道窑燃料消耗量的因素的研究还尚感欠缺。

（４）在建立模型时如何应对各种选择和合理地假设还有待于进一步研究。

（５）大多数模型都忽略了传质现象，有待于进一步开展这方面的工作。

（６）对于隧道窑，确定窑内的传热系数是一件困难的工作。尤其是窑内辐射传热系数的确定。隧道窑作为一种大型设备，并且如此广泛的应用与各种

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行业，因此进一步研究此类问题显得更加紧迫和重要。

（７）如何把数学模型应用于隧道窑自动化作的还不够。第一章绪论

虽然，隧道窑内复杂的热工系统使ＣＦＤ技术的应用步履维艰，但建立数学模型用数值模拟法开展窑炉热工研究是最为科学有效的方法。

１．２．２数学模型求解方法

隧道窑热过程数学模型的求解在数理解析法上几乎不可能，只能利用高度发达的计算机技术进行数值计算。数值计算方法主要包括网格生成技术、控制方程的离散化、离散化方程的求解等几个方面【３６－４０１。

（１）网格生成技术

隧道窑热过程的空问网格生成技术是控制方程离散化的基础。网格的划分关系到离散化控制方程的难易，关系到求解离散方程的收敛性、经济性和准确性。

（２）控制方程的离散化

控制方程组的离散化是使用计算机求解的前提。其主要方法有：有限差分、有限元和有限分析等离散化；差分格式有中心差分、上风差分、指数差分、混合差分和高阶差分格式；方案有显式、半隐式和隐式格式方案。

有限差分法的基本思想是要建立求解微分方程的解析方法和数值方法之间的联系，在数值方法的框架内，把解析方法作为微分方程离散的一种工具，发挥其作用。它利用对研究体系局部区域内线性化了的微分方程进行求解，把函数在积分网格点上的值与它在邻近网格点上的值关联起来，实现微分方程的离散化。

通过把微分方程在控制容积上积分而把微分方程划为差分方程的方法称为控制容积法。采用控制容积法首先必须划定网格系统，也就是说要确定网格点的分布和网格边界的位置。计算中常用的方法有两种：一种是先确定网格边界的位置，而后划定各网格中心点作为网格点；另一种是先确定网格点的位置，而后把两个网格点连线的中点作为网格边界与该连线的交点，从而确定网格的边界。在均匀分布的网格系统中，这两种方法得到的网格系统是完全一样的，在非均匀分布的网格系统中二者所得到的结果不同。第一种方法的优点在于使网格边界与积分区域的几何界面重合比较方便，同时，网格点位于网格中心，与网格点函数值代表整个网格函数值的假设比较吻合，这对于求解源项起重要作用的方程（例如湍流模型的Ｘ和ｅ方程）的收敛性有一定作用。第二种方法可把实验数据采集点定作网格点，便于计算

东北大学硕士学位论文第一章绪论结果与实验数据的比较。

（３）离散化方程的求解

控制微分方程离散成代数方程后，如何求解这些代数方程组，是隧道窑热过程数学模型数值计算的一个重要内容。

根据离散化方程求解方法编制合理的计算机程序来进行数值计算，求得数学模型控制方程的数值解，是离散化方程求解的手带。计算机程序是理论模型、控制方程、物性、几何与边界条件、数值方法的综合体现，是实现计算机模拟的具体措施和方法。

１．３本文研究的内容和意义

隧道窑是一个连续性的现代化生产设备，窑内环境和参数复杂。本文的主要研究内容是如何建立一个隧道窑内制品非稳态导热过程的动态数学模型，这个模型是建立在隧道窑内热平衡、气体连续流动和物质平衡的基础上的。建立模型模拟计算之后，还要根据计算结果，对影响隧道窑能耗的影响因素作一些分析和研究。

主要内容如下：

（１）制品在窑内的传热数学模型。值得注意的是制品在窑内预热带、烧成带

和冷却带的传热模型是有区别的。

（２）全窑燃料消耗量，及烧成带各车位燃料供应量的变化。

（３）制品及车衬蓄热量和蓄热率。

（４）气体成分分布计算，气体流量计算。

（５）隧道窑能耗的影响因素的分析。

本文所建立的隧道窑模型能够模拟隧道窑内传热过程，预报制品在隧道窑内的温度分布，计算热量损失，并在计算结果的基础上，制订合理的烧成制度、操作制度；通过模拟，将隧道窑内各种影响因素之间的关系定量化，并且找出影响因素间的关系，分清影响能力的强弱，追踪产生影响的根本原因。

东北大学硕士学位论文第二章隧道窑制品传热数学模型

第二章隧道窑制品传热数学模型

本章的主要内容是建立隧道窑内制品的非稳态传热模型，包括燃烧计算、制品传热模型、物质平衡和热平衡几个部分。

２．１隧道窑窑内的物理过程

本文所建立数学模型主要内容是模拟制品在隧道窑内焙烧的过程，得出制品沿窑的轴向（窑车运动方向）运行时制品内部及表面每一节点温度，同时要求计算出制品和窑车在窑内某一车位的蓄热量，更为复杂的是要计算燃耗及其变化。

根据模型的内容和对结果的要求，可以得到模型中要考虑的主要物理过程：

（１）燃烧过程。

（２）窑内气体的流动过程。冷却空气加上由燃烧产生的烟气和漏缝不连续的漏入汇合成复杂的混合气流，由于浮力的作用更加进一步复杂化。

（３）气体泄漏。冷空气的漏入和烧成带烟气的溢出。

（４）火焰、窑内气体、制品、窑车以及窑墙之间的热传递。窑内气体对制品的热传递主要方式为对流传热，但是窑内的辐射换热也是非常重要的传热方式，不能忽略；制品内部加热或冷却过程是非常明显的非稳态导热过程。

（５）通过窑墙和支撑结构的热损失，窑车底部的散热。

（６）虽然从热工上来说隧道窑是连续工作的，但制品的推进是间歇性的。

本文中不对在烧成带的燃烧过程和窑内气体的传散热过程进行模拟。虽然燃烧过程和窑内气体的传散热过程是隧道窑焙烧制品的基础，但是由于本文的模拟是建立在隧道窑实际生产数据的基础上，烟气的温度、压力可以在从初始数据中直接得到，这样就无需考虑窑内气体模型中气体问相互传热问题，只要对窑内气体的温度分布做出设定就能满足模拟的要求，同样的对于燃烧过程也只需要对燃料燃烧产生的烟气量做出计算就可以了。

对于隧道窑这样复杂的热工设备，在当前理论水平和计算机技术条件下，根本不可能无假设模拟，所以本文中模型建立的关键在于适当选择假设条件。虽然引入了近似元，但是仍然可以在对操作人员很有价值的精确程度基础上对设备操作参数进行预定，与计算机结合对隧道窑进行优化控制。

东北大学硕士学位论文第二章隧道窑制品传热数学模型２．２模型的基本假设

实际隧道窑窑内热量传递、温度分布随时间和位置不同而差异很大。影响隧道窑内温度分布和热量传递的因素也很多，既有工艺条件如燃料选择、烧成曲线等，也有制品本身的热物性参数，还有外部条件如环境温度、大气压力等，它们之间也相互影响，从而呈现错综复杂的情形。抓住主要矛盾，对窑内环境、温度场进行一些简化和约定是很有必要的。本文在分析过程中对隧道窑内作如下简化、假设和约定：

（１）窑内气体经过每一台窑车位时，是简单的“柱状”气流，因此在每一车位的同一高度都呈现出均匀的成分和流动速度。窑内烟气只在轴向流动。

假定烟气温度在每个车位同一个横断面内的同一高度上是均匀一致的，烟气温度在高度方向上呈线性分布，纵向（轴向）上两个热电偶之间的烟气温度也呈线性分布。特定节点的烟气温度取生产实测温度的平均值，其余节点温度根据线性方程计算求出。

（２）空气的渗入被认为是向每个车位内间断地、单独地输入加以处理，流量取决于局部窑压。同时烟气与漏入空气的混合是一个瞬态过程（推车瞬间），在搅动良好的部位以不传热的方式进行混合，一般是在车位交接处。

（３）窑车因为间歇推车引起的瞬变状态时间，一般比推车间隔短得多，所以认为隧道窑内制品的加热是在一个个独立车位上稳定加热，在推车过程中无加热。某一车位某一时刻制品的表面及内部初始温度为上一时刻内制品最终的表面和内部温度；某一车位最初时刻的初始温度，为上一车位最终时刻的温度。

（４）车衬部位由于隧道窑结构的影响，认为其周围侧面是绝热界面。车衬耐火材料上表面与制品接触，两者之间以导热方式传递热量；车衬的下表面直接与窑车下部空气接触，有对流传热和辐射传热现象。

（５）制品和车衬的比热ｃ、导热系数＾随温度变化而变化…。其它热物性参数如热膨胀系数等，因在理论计算和实验现象中作用均不明显，所以将其忽略。

（６）采用假定分区法，处理制品及车衬、窑壁和烟气之间的辐射热交换。假设所有固体表面均为黑体，气体被认为是光学性质均匀的灰体。窑墙和窑顶的内壁温度等同于该位置的烟气温度。（７）化学反应、传质对传热的影响可以忽略。

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（８）砖坯问迭缝对传热的影响可以忽略。窑车上所有制品看作是一个整体。（９）因为金属的导热率比较高，假定窑车金属部件的温度变化为瞬态，其温度值为该车位车衬下表面的温度。

图２．１隧道窑断面图

Ｆｉｇ２．１Ｂｒｅａｋｄｒａｗｉｎｇｉｎｔｕｎｎｅｌｋｉｌｎ

２．３制品传热数学模型的建立

隧道窑制品热过程数学模型是以制品及车衬加热模型为核心，由窑内气体流动和窑内传热过程、制品及车衬的非稳态导热过程耦合而成，这些过程与它们的定解条件构成全部的数学模型及其求解问题。燃烧过程是窑内传热模型的前提，窑内的气体流动和窑内的传热互为关联，制品及车衬的加热模型是窑内传热模型的结果。这些互为关联的条件，最终必须满足隧道窑热平衡方程和物质平衡方程，否则，隧道窑数学模型的建立就不合理，计算结果必然错误。

２．３．１燃烧产物计算

因为模型是建立在实测温度基础之上，所以不需要模拟燃料的燃烧。但是，需要计算出燃料的燃烧产物和成分，以建立窑内气体连续方程和窑内物质平衡方程，

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（１）燃料燃烧产生的烟气流量【４２】

＿∞，ｒ）＝Ｆｏ，丁Ｉ暑＋等＋丙ｗ＋妻＋芸）面２２．４＋Ｆ（”，丁Ｒｏ，ｒ）一眈，Ｅ。ｃｚｌｌ）过剩空气系数可以从下式计算：

俐２可郦１％丽㈦２’

（２）燃料燃烧产生的烟气的成分

ｘ尸２０，丁）＝２２．４如Ｔ）面Ｃ（２．３’

ｚ，２。㈣＝面２２．４Ｆ叫萼＋善）眩４，

盖夕ｏ，Ｔ）＝而２２．４Ｆｏ，ｒ）簧（２．５）

ｘ，０２０，ｒ）＝面２２．４．Ｆ（ｎ，ｚ）（三＋了Ｈ＋妻一夏ｏ）（２．６）

盖尸２０，Ｔ）ｚ２２ ４Ｆ（ｎ，Ｔ）丽ｓ（２ ７’

２．３。２窑内传热过程

隧道窑是个热工设备，在预热带和烧成带要将制品加热烧成，燃烧产物及窑壁将以对流及辐射的方式传递热量给制品。在冷却带制品一方面是以辐射和对流的方式把热量传给窑壁和冷却空气，另一方面会从车衬以导热的方式得到热量。２＿３．２．１烟气与制品的对流换热

对流换热就是气体和物料直接接触时彼此之间的热交换，根据牛顿冷却定律，对流换热方程为：

Ｑ＝＾‰一ｋ。）｝Ｆ（２．８）在隧道窑中，除了考虑垂直平面与气体的对流换热外，水平方向同样也要考虑到，参见图２．２。在本模型中，对流换热通过一系列的热流密度表达式输入模型，但在不同位置的热流密度是不等的。如图２．２，制品边界上有热量输入，在两侧表面有热流密度ｑ２（ｙ，ｚ）：在制品的上表面有热流密度ｑ１（ｘ，ｚ）输入，在窑车底部有．１１。

东北大学硕士学位论文第二章隧道窑制品传热数学模型ｑ３（ｘ，ｚ）；另外，在制品的前后表面上有ｑ４（ｘ，ｙ）输入。

图２．２三维模型中流进制品和车衬的热流示意图

Ｆｉｇ２．２Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｈｅａｔｆｌｏｗｅｎｔｅｒｉｎｇｉｎｔｏｗａｒｅａｎｄｋｉｌｎｃａｒｉｎｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌ

口１０，ｚ）。ｈｔｏｐ（Ｔｇａ，一ｒｂ，ｚ））（２．９）

ｑ２（ｙ，ｚ）。＝＾ｓ池ｋ—ｒ（ｙ，ｚ））

ｑ３（ｘ，ｚ）。一＾６０ｔｔｏｍ（Ｔｇ。，一Ｔ（ｘ，ｚ）Ｊ

ｑ４（ｘ，ｙ）。＝ｈｆｒｏｎｔ（Ｔｇ。。一ｒ０，ｙ））

利用准数关系式来确定。（２．１０）（２。１１）（２．１２）窑内的对流换热应该属于流体强制流动时的对流换热，确定对流换热系数需要

由假设（１），气体是“柱状”气流。因而对流换热系数在制品表面被看作是一常数。气体对制品的对流换热系数随制品码垛方法的不同而变化，另外还要受到孔道形状、温度高低、流动状态等的影响，因而计算有一定困难。目前大多采用经验公式。本文采用文献【５ｔ给出的经验公式：

Ｎｕ＝０．０１８Ｃ１Ｒｅｏ８（２．１３）

纠硝．ｓ兹赋”爷十一ｓｓ孝）】式中，卜轴向砖垛间距，ｍ：

ｄ一通道当量直径，ｍ：ｘ一砖垛长度，ｍ；汜Ⅲ

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６一砖垛厚度的一半，ｍ；

Ｒｅ＝鱼坐堕一雷诺数；

卢ｆ

２．３．２．２烟气、窑墙及窑顶与物料的辐射换热

在模型中所有的表面都是黑体（图２．３），对于垛的顶部表面上的一个元素ｉ，受到窑顶、烟气和火焰的辐射，

ｑ≯ｑ２口』＋ｑ知（２．１５）

而对于侧面元素ｊ，由于它只能看到窑墙的～个窄条，从而只能收到更少的热辐射。相邻的制品表面被假设成与ｊ有相同的温度，因而在他们之间净辐射被忽略了。从而，

ｑ；一鼋ｏ，』＋ｇ孟，，（２．１６）

图２．３模型中计算辐射换热的节点示意图

Ｆｉｇ２．３Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｐｏｉｎｔｆｏｒａｃｃｏｕｎｔｏｆｒａｄｉａｔｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｍｏｄｅｌ

另外，制品的前部和后部也要受到气体、火焰和固体的辐射，

口ｉ，＝口２¨，＋口孟削

（１）辐射换热的热量计算（２．１７）

由于烟气、窑墙、窑顶和制品之间存在相互辐射，而且窑内情况复杂，对这一类的传热计算在现有文献中没有给出精确的计算方法，其主要原因在于角系数的计算。因而，参照文献【４射，采用下列公式计算制品侧部与窑墙、窑顶、火焰之间的辐射换热。

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叫加㈣谢卜（２．１８）

ｃ却＝看硅篙犏

成下式：‰２ｉ而＿丁Ｅ毫Ｆ动在本文中，所有物体表面均为黑体，所以气－１。（２．１９）式中的ｃｆｍ己考虑到了火焰与制品和固体间的相互辐射作用，而且妒已经简化

妒专

式中，Ｆ。一制品微元的面积，Ｉｌｌ２；

Ｆｗ一窑墙、窑项的表面积，ｉｎ２。眩ｚ∞

同样，拱顶与制品上表面也存在着相互辐射问题。由于拱顶与制品间的间隙较小，所以在实际计算中，规定制品上表面对应于一定形状的拱顶面积。为计算简化，可看作是两个矩形板之间的相互辐射传热。则传热方程为ｌ”１：

…。ｓ叩。㈣４一（剐妒，ｗ

式中，￡。一相对黑度，￡．＝￡，￡２；本文中，￡。＝１；泣ｚ，，

卜制品微元的面积，；

妒一角系数，它与板直径（或边长）及相互之间的距离有关，由文献１４４ｌ

可以查得矩形板的角系数，其中是分别用矩形的长短边按正方形查

表得之。

（２）烟气与火焰的黑度

对于直接将重油喷入窑内燃烧而言，其火焰中通常含有固体颗粒，因而在计算辐射换热时，不仅有气体的辐射，还要考虑到固体颗粒的辐射。由于火焰辐射为气体辐射和悬浮于其中的固体微粒辐射的综合，同时固体微粒和气体由要相互吸收一部分辐射能。因此，火焰黑度应为：

ｓｆ＝ｃｇ＋￡。一￡ｇｓｃ‘２．２２）但由于在燃烧过程中，固体微粒的大小及数量均在不断改变，火焰温度也在变

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