热风炉蓄热室内传热过程计算

文章编号：1004-9762（2001）01-0004-04
热风炉蓄热室内传热过程计算!
张胤，刘中兴，贺友多
（包头钢铁学院冶金工程研究所，内蒙古包头014010）
关键词：热风炉；蓄热室；格子砖；传热计算
中图分类号：TF061.2文献标识码：A
摘要：应用三维非稳态热量传输方程，对高炉热风炉在燃烧过程中蓄热室内格子砖与气体之间的对流和辐射传热，以及格子砖内部的导热过程进行了耦合求解.得到了在燃烧期内格子砖及燃烧过程中燃烧废气的温度分布情况及其随时间的变化规律.
Calculation of heat transfer process in the chamber of hot blast stove
ZHANG Yin，LIU Zhong-xing，HE You-duo
（Institute of MetaIIurgicaI Engineering，UIST Baotou，Baotou014010，China）
Key words：hot bIast stove；chamber；checker；caIcuIation of the heat transfer
Abstract：By Using the3-D unsteady state heat transfer eguation，the heat convection and radiation between the checker and the gas which fIows through the checker hoIes，and the heat conduction among the checker in the chamber of the hot bIast stove were studied.The time de-pendabIe gas temperature and the temperature distributions within the checker were obtained.
热风炉是典型的蓄热室换热器，是高炉炼铁生产中的重要设备，它供给高炉热风的热量约占高炉炼铁生产耗热的1/4，它消耗的高炉煤气约占高炉产生煤气的1/2.热风炉蓄热室内的格子砖是热风炉进行热交换的载体，它承担着将燃烧煤气所产生的热量传递到高炉鼓风的重要作用.格子砖蓄热和放热效率的高低直接影响到热风温度的高低和热风炉热效率等.
最初人们把换热器的理论直接用于蓄热室内格子砖的传热过程，虽然解决了诸如热平衡、温度差和热效率等问题，以及分析蓄热室燃烧和送风过程中的差别等，但是要精确地分析格子砖内纵向温度的变化，却存在较大的误差.
用数学方法解析蓄热室内热交换过程，主要有2种理论：一是以换热器理论为基础，通过对计算公式进行修正，致力于寻求适用于蓄热室的热交换系数；二是以H.Hausen为代表，主要研究蓄热室纵向的温度分布，以及纵向温度随时间的变化规律，同时研究蓄热体内的温度分布.1929年H.Hausen就提出了描述热风炉蓄热室内格子砖与流过格孔的气体之间的传热数学模型，并采用特征函数的方法对该数学模型进行了求解，后来又利用热极法对该模型进行了求解.20世纪60年代P.ButterfieId等采用数值积分的方法对该问题进行了数值求解，开创了用数值方法求解该问题的先例，研究了气体的物性、气体与格子砖之间的对流和辐射传热等因素对格子砖
2001年3月第20卷第1期
包头钢铁学院学报
JournaI of Baotou University of Iron and SteeI TechnoIogy
March，2001
VoI.20，No.1
!收稿日期：2000-09-11
基金项目：内蒙古科技攻关项目（980307-4）
作者简介：张胤（1969-），男，内蒙古包头人，包头钢铁学院副教授，博士，主要从事冶金过程计算机模拟研究.
热交换的影响［1］
.文献
［2］以H.HauSen 理论为基础，研究了自身预热式热风炉蓄热室的热工特性，提出了自身预热热风炉传热过程的数学表达式的修正.
为了开发热风炉全过程的数学模型，在已经完成的热风炉燃烧器燃烧过程的计算机模拟软件和热风炉冷风分配过程计算机模拟研究的基础上，进一步开发蓄热室内的热量传输过程，最终实现全过程的计算机模拟和仿真研究.
1数学模型的建立
1.1模型假设
（1）高温烟气在蓄热室的顶部分布均匀，每个格
孔内传热相同，相临格子砖之间传热是对称的；
（2）燃烧期内，蓄热室顶部温度保持均匀不变；（3）
格子砖的热物性仅是温度的函数，不考虑其中一些相变过程的影响；
（4）不考虑外部热损失；（5）格孔中某一高度的速度分布均匀，仅是温度的函数.
1.2数学模型
在模型假设的基础上，对于包括格子砖及通过格孔的气体的温度分布可以用三维非稳定态传热方程来描述.!（!c p T ）!"+u i !!x i （!c p T ）=!!x i （#!T !x i
）.在格子砖的格孔内烟气的速度仅是温度的函数，热量传递包括导热、对流和辐射3种方式.作为一种简化，在流动方向上主要是对流传热，在水平方向上通过增加导热系数的方法来考虑辐射传热；在砖体部分速度为零，仅是导热作用；在烟气和格子砖之间包括对流和辐射2种传热方式，采用文献［3］所述的计算方法进行计算.
（1）对流给热系数$c 的计算
烟气流动为湍流状态时：
$c =0.86Cw 0.8d -0.3331
T 0.25
J /（m 2SK ）；烟气流动为层流状态时：
$c =（1.115+0.244wd -0.61）
CT 0.25J /（m 2SK ），式中，w 为烟气的流速，m /S ；T 为烟气的绝对温度，
K ；d 1为格孔的直径，m ；C 为格孔表面特征系数，对于光滑的格孔，C =1.
（2）辐射传热系数$r 的计算
在燃烧期内由于烟气中含有大量的CO 2和H 2O ，
因此具有较大的辐射能力，烟气的辐射传热系数$r 可以用下式计算：
$r =$r （CO 2）+$r （H 2O ）J /（
m 2SK ）.由于水平方向的对称性，只计算1个格孔从上到下的传热情况.对于正方形格的格子砖，其边界条件为：
!水平方向上与其它相临格子砖的界面处为对称边界条件；
"燃烧期内，
对于气体通道，上边界取第一类边界条件，即气体温度为常数，下边界为自由边界；对于格子砖非通道面积处，均采用第三类边界条件.
初始条件：由于在一般的生产过程中，上一周期送风结束时的温度分布是下一周期中燃烧过程的初始温度.对于本文的计算过程，首先采用初始均匀温度，进行类似于开炉的升温过程的模拟计算；在此基础上，通过计算燃烧和送风相结合来给出燃烧过程的初始温度.
1.3模型处理方法
气体与格子砖之间的热量传递包括对流和辐射
2部分，
由于在送风期空气中非对称双原子气体很少，辐射传热可以忽略不计.
由于格孔中气体的速度分布仅是温度的函数，因此在入口速度确定后，通过联立耦合求解，即可得到格子砖内部及格孔通道内气体的温度分布、气体
的速度分布等［4，5］.由于计算中将整个求解区域
（包括格子砖和格孔内的气体）作为求解对象，因此，将对流项、扩散项和积累项一起考虑，并对格子砖砖体部分的速度场设为零.对于燃烧期和送风期的区别，可以用气体流动的方向变化来决定，如在燃烧期气体从格子砖顶部向下流动，气体流动方向与坐标方向相同，速度取正值，在送风期速度取负值.
2计算条件
计算原型采用方孔格子砖，其形状如图1所示.
计算条件以国内某高炉热风炉为例，其原始数据
为［3］：
高炉风量：34800m 3/1；冷风入口温度：80C ；
拱顶温度：1300C ；烟气量：14776.1m 3/1；烟气流速：1.267m /S ；烟气成分（体积分数，%）
：5
张胤等：热风炉蓄热室内传热过程计算
C02H 20N 20224.46
7.33
67.65
0.56
图l
计算原型形状
Fig.l
Schematic diagram of the calculation model
3计算结果及讨论
应用所开发的热风炉蓄热室格子砖内部传热过
程计算机模拟软件，计算了给定条件下的蓄热室内的热量传递情况.通过计算，得到了格子砖内部的温度分布、格孔内气体的温度分布等随时间的变化情况.
图2为某一时刻某一高度上格子砖水平截面上的温度分布.从图2中可以直观地看出，整个截面分成2个差别明显的部分，中间部分等温线稀疏，除角部外呈l 个正方形分布，从其中的等温线稀疏可见其水平方向上的温差相对于砖体内部较小；四周部分等温线较密，是格子砖的砖体部分，由于仅依靠导热作用，使得温差相对较大，表现在图2中等温线
较密.但是也可以看到，虽然图2中的格孔和砖体部分存在一定的温差，但总的差值并不是很大，仅l0C 左右，这说明在水平方向上温度基本是均匀的，温差主要存在于高度方向上和随时间的变化上
.
图2
格子砖水平截面温度分布
Fig.2
Temperature distribution of the horizontal section of the checker
为了分析在整个燃烧期内格子砖的温度变化情况，根据计算结果，给出了在整个燃烧期内格子砖下部出口处的烟气温度和出口处格子砖壁面温度随燃烧时间的变化关系，如图3所示；几个不同时刻整个格孔内烟气温度随高度的变化关系如图4所示；蓄热室上部入口和下部出口处烟气温度随燃烧时间的变化关系如图5所示.
从图3可以看出，在燃烧加热初期由于热量首先被蓄热室上部的格子砖吸收，下部的温度保持不变.对于从常温开始加热的格子砖，出口处的温度
直到加热7h 后才开始升高，在此之前一直保持在初始温度（80C ）.但是在温度开始升高后，升温速度是很快的，这是由于此时上部的格子砖温度已经升高到一定的温度，吸收的热量也已很少，烟气的热量开始向下部移动，主要被下部吸收，因此升温速率加快，4h 内出口烟气温度即达到250C.同时可以看出，在出口处烟气和格子砖之间存在一定的温差，不过差值不是很大，这是很容易理解的.
从图4可以发现，随着加热时间的不同，整个格
6
包头钢铁学院学报200l 年3月第20卷第l 期
图3蓄热室格子砖出口处烟气和砖壁面温度
随燃烧时间的变化关系
Fig.3
The relation of the temperature of the outlet
gas and checher surface in the chamber to
the combustion
time
图4不同加热时刻格孔内烟气温度随蓄热室
高度的变化关系
Fig.4
The relation of gas temperature of the height of the chamber at different
time
图5烟气入口和出口处温度随加热时间的变化关系
Fig.5
The relation of the temperature of the inlet and outlet gas to the heating time
孔内的烟气温度的分布规律是不同的.在初期，上
部升温较快，而下部较慢，然后逐渐开始整体温度升高.另外有一点需要指出的是，在加热过程中温度分布不是近似线性分布，这与一些资料上的结果不同，造成这种差别的主要原因是，其它资料给出的是在生产过程中热风炉操作达到稳定，在一段时间内保持燃烧-送风的循环过程的结果，本文给出的是在开炉时，从常温开始加热的结果.随着热风炉开始生产，这种燃烧结束或送风结束时的温度分布才逐渐趋向线性.
图5显示了蓄热室格子砖上部入口和下部出口处烟气的温度随燃烧时间的变化，可以看出，与其它图说明的一样，入口处升温很快，11左右就已达到最高温度，然后一直保持不变；出口处的温度直到加热到一定时间才开始升高.
4结论
从以上计算结果及分析可以得出以下几点结
论：
（1）热风炉蓄热室格子砖在燃烧加热过程中的温度差主要集中在高度方向上，以及随时间的变化上，而在水平方向上虽然存在温差，但是差值相对较小.
（2）为了增加蓄热室格子砖的蓄热量，在蓄热室高度一定的情况下，可以通过在一定范围内减小格
子砖格孔通道面积来实现.
（3）对于所研究的热风炉开炉过程，在整个蓄热室高度方向上烟气和砖体温度均不是线性分布，而是随加热时间的不同呈一定的曲线关系变化.参考文献：
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7
张胤等：热风炉蓄热室内传热过程计算
热风炉蓄热室内传热过程计算
作者：张胤， 刘中兴， 贺友多， ZHANG Yin， LIU Zhong-xing， HE You-duo
作者单位：包头钢铁学院 冶金工程研究所,
刊名：
包头钢铁学院学报
英文刊名：JOURNAL OF BAOTOU UNIVERSITY OF IRON AND STEEL TECHNOLOGY
年，卷(期)：2001,20(1)
被引用次数：11次
1.张胤;陈义胜;贺友多带凸台冷却壁温度场的数值模拟 1997(05)
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本文链接：/Periodical_btgtxyxb200101002.aspx。