CN102184271B - 一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法 - Google Patents

一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及硫化炉设计方法技术领域，具体涉及一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法。一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立硫化炉热平衡模型；步骤二，对现有旧炉进行现场热工测定；步骤三，由现场热工测试所得数据建立旧炉热平衡表；步骤四，建立基于ANSYS仿真软件的旧炉的三维立体模型；步骤五，基于ANSYS仿真软件CFD模块进行热流耦合分析，设计硫化炉；步骤六，对设计的硫化炉进行性能评价。根据本发明的设计方法，具体的数据都由公式独立核算，不会由于经验公式导致数据不准确，数据计算精度高；并且根据现有的硫化炉进行测试，准确性高。

Description

一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法
技术领域
本发明涉及硫化炉设计方法技术领域，具体涉及一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法。 
背景技术
 在现有的热处理炉的设计方法中，在设计方案的定制问题中，关于热处理炉的传热计算，炉体的尺寸大小，加热功率的供给值等主要是基于经验公式进行估算，也可通过建立电炉工况的热供给模型，对电炉进行热平衡计算，或者查有关电炉的综合技术表中查出。当用经验公式对所设计系统进行估算时，往往与实际系统的运行工况相差很大。而采用热平衡计算方法时，需要计算包括炉子的各种热损耗，把工件加热到工作温度时所需要的有效热消耗、电热元件的尺寸等，同时还要进行必要的热工测试，通常炉内壁及炉衬各层内的温度实测比较困难；而有些热损失很难精确计算，因此由热平衡方法所得到的炉子的热效率的准确度不够精确。而基于从有关电炉的综合技术表查出的数据进行设计的电炉的运行工况与实际期望的工况也会有较大的偏差。这些常规设计思路中所采取的数据基本计算方法的不精准的缺点通常会导致实际设计出的加热炉设备与用户的需求有较大的出入。 
发明内容
本发明提供一种设计效果好、技术精确的硫化炉的设计方法。 
1、一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法，其特征在于：包括以下步骤： 
步骤一、建立硫化炉热平衡模型；
在进行热平衡测试前，先要划分体系与建立热平衡模型；
步骤二，对现有旧炉进行现场热工测定；
现场工况测试：
测试时炉内工况应处于稳定状态，并要求在所有测点上同步测定，即在同一时期内测定所需的各个参数。
表1 硫化炉稳定状态下特定工况 
Figure 98354DEST_PATH_IMAGE001
测定项目和方法如表2所示：
表2 硫化炉参数测试表
步骤三，由现场热工测试所得数据建立旧炉热平衡表；
热平衡表如表3所示：
表3热平衡表
Figure 284801DEST_PATH_IMAGE003
步骤四，建立基于ANSYS仿真软件的单线硫化炉的三维立体模型；
步骤五，基于ANSYS仿真软件CFD模块进行热流耦合分析，设计硫化炉；
步骤六，对设计的硫化炉进行性能评价。
与现有技术相比，本发明的优点如下： 
一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立硫化炉热平衡模型；步骤二，对现有旧炉进行现场热工测定；步骤三，由现场热工测试所得数据建立旧炉热平衡表；步骤四，建立基于ANSYS仿真软件的旧炉的三维立体模型；步骤五，基于ANSYS仿真软件CFD模块进行热流耦合分析，设计硫化炉；步骤六，对设计的硫化炉进行性能评价。根据本发明的设计方法，具体的数据都由公式独立核算，不会由于经验公式导致数据不准确，数据计算精度高；并且根据现有的硫化炉进行测试，准确性高。
附图说明
图1是本发明的热平衡的模型图 
 具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细描述。
参见图1， 一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法，包括以下步骤： 
第一步，建立硫化炉热平衡模型；
在进行热平衡测试前，先要划分体系与建立热平衡模型。以炉膛作为体系（“体系”就是确定热平衡的范围，即进行热平衡的对象），以炉体外壳作为体系边界，建立热平衡的模型如图1所示；
第二步，对现有旧炉进行现场热工测定；
现场工况测试：
测试时炉内工况应处于稳定状态，并要求在所有测点上同步测定，即在同一时期内测定所需的各个参数。
表1 硫化炉稳定状态下特定工况 
Figure 314462DEST_PATH_IMAGE004
测定项目和方法如表2所示：
表2 硫化炉参数测试表
Figure 732805DEST_PATH_IMAGE002
第三步，由现场热工测试所得数据建立旧炉热平衡表；
电阻炉是将电功率转变为热功率的，两者应相平衡，即电功率基于硫化炉热量的总收入应等于热量的总支出建立热平衡方程式，即
Figure 212196DEST_PATH_IMAGE005
1. 首先计算输入热量：
电热元件供给的热量
Figure 193928DEST_PATH_IMAGE006
：      
     
Figure 888214DEST_PATH_IMAGE007
 kJ/h
式中  E——硫化炉所消耗的电能，
      P——电加热元件的功率 kw
H——一个测试周期 h；
2. 计算输出热量
Figure 477459DEST_PATH_IMAGE008
：
(1) 硫化工件所需的有效热量
Figure 709726DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 42618DEST_PATH_IMAGE010
 kJ/h
式中  
Figure 591411DEST_PATH_IMAGE011
——单位时间内硫化工件的重量，即硫化能力kg/h
Figure 863474DEST_PATH_IMAGE012
——线缆入炉出炉时的温度 ℃
Figure 68190DEST_PATH_IMAGE013
——线缆在
Figure 454041DEST_PATH_IMAGE012
温度下的比热 kJ/(kg·℃)；
(2) 铜芯吸收热量
Figure 795024DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 53967DEST_PATH_IMAGE015
kJ/h
式中 
Figure 995247DEST_PATH_IMAGE016
——铜在
Figure 669942DEST_PATH_IMAGE017
之间的平均比热容 kJ/(kg·℃)
    
Figure 380278DEST_PATH_IMAGE018
——硫化过程铜线的质量 kg
——炉内、炉外空气的温度 ℃；
(3) 炉体散失热量
Figure 913732DEST_PATH_IMAGE020
：
炉体散失热量包括：炉壁（炉体外壁、炉顶、炉底）、炉门等部分散失的热量；
① 炉衬的散失热量
Figure 454434DEST_PATH_IMAGE021
：
对于多层平壁炉墙，炉体由内至外一共n层，而第n层为金属炉壳，稳态时，从最内层通过中间各层至最外层的热量是不变的，故单位时间通过炉墙的热量也就是炉墙的热损耗率，可用下式表示：
Figure 160222DEST_PATH_IMAGE022
 w/h
其中 F——炉墙外表面积m2
Figure 495389DEST_PATH_IMAGE023
——炉墙内壁面的温度 ℃
Figure 411261DEST_PATH_IMAGE024
——炉墙外壁面的温度 ℃
Figure 427758DEST_PATH_IMAGE025
——组成炉壁的各层的厚度 m
Figure 112687DEST_PATH_IMAGE026
——炉壁各层材料的导热系数 w/(m·℃)
由于炉体、炉顶及炉底的外表面温度有差异，因此计算炉壁散热时需要分成三个部分分别计算，然后将散失热量相加；
② 炉门壁的散失热量
Figure 556437DEST_PATH_IMAGE027
：
Figure 772655DEST_PATH_IMAGE028
w/h
其中 
Figure 839181DEST_PATH_IMAGE012
——炉膛与空气的温度 ℃
Figure 129348DEST_PATH_IMAGE029
——耐火层与隔热保温层厚度 m
Figure 71897DEST_PATH_IMAGE030
——耐火层与隔热保温层材料的导热系数 w/(m·℃)
0.0696——炉门表面对空气的综合换热系数
F——炉门的散热面积 m2
Figure 696782DEST_PATH_IMAGE031
——炉门每小时的平均关闭时间 h；
③ 炉门缝隙处辐射散失热量：
   
Figure 527652DEST_PATH_IMAGE033
kcal/h   
其中 
Figure 562473DEST_PATH_IMAGE034
——炉膛与空气的温度 ℃
F——炉门口或缝隙的面积 m2
Figure 425386DEST_PATH_IMAGE035
——综合角度系数，指壁厚对辐射的遮蔽影响，
Figure 649694DEST_PATH_IMAGE036
 的值小于1，查表可取0.99。；
④ 炉门和缝隙的溢气散失热量
Figure 163721DEST_PATH_IMAGE037
：
Figure 385755DEST_PATH_IMAGE038
 kcal/h
其中 
Figure 798282DEST_PATH_IMAGE039
——换算成标准状况下溢出的空气量 N m3℃, 
Figure 750582DEST_PATH_IMAGE040
——空气溢出流量 m3/h , 
Figure 325100DEST_PATH_IMAGE042
——溢出空气平均比热 kcal/N m3℃
——炉门口内测、炉外空气的温度 ℃
          、——的开式温度 K
        B——炉门口的宽度 m
H——炉门口开启高度 m；
⑤ 其他热量损失
Figure 193885DEST_PATH_IMAGE045
：
此项热量损失可按炉衬散热的50~100%或者按总热量损失的10%计算；
Figure 537010DEST_PATH_IMAGE046
Figure 334065DEST_PATH_IMAGE047
者
3. 热效率的计算：
设备热效率是指设备为达到特定目的，对外界供给的能量利用的有效程度，它等于有效利用的能量占供给能量的百分数，用下式表示：
Figure 880584DEST_PATH_IMAGE048
；
4. 能耗计算：
该硫化炉的热源采用的是电加热元件供热，所以，硫化炉的能耗指标为电能消耗率，即单位时间生产单位产品所需的电能消耗量，用符号δ表示；
其中 
t ——单位时间 h
P——加热管的功率 kw
M——硫化炉的生产能力，即每小时能够生产线缆的质量 kg；
对单线硫化炉进行热工测试之后，由实测的现场数据得到的硫化炉的热平衡表；
热平衡表如表3所示：
表3热平衡表
Figure 248779DEST_PATH_IMAGE050
由热平衡表的结果表明，单线硫化炉热效率非常的低，加热功率没有得到有效的利用，炉衬散失的热量比例很大，其次是炉门和炉孔溢气热损失；根据这些分析结果，可以给出改进炉体的一些主攻的方向性措施；
第四步，建立基于ANSYS仿真软件的旧炉的三维立体模型；
生产采用的硫化炉主要用于对信息线缆的外层橡胶进行硫化，增加其弹性、强度以及对化学物品的抵抗能力。该待改进的旧炉——单线硫化炉由炉壳、炉衬、垫层、加热元件、炉门及控制柜等部件组成。炉壳由304号钢制成的薄钢板焊接而成，炉衬是硅酸铝耐火纤维高密度压制成的模块，垫层采用石膏，铺设在炉底，加热元件是由高电阻合金丝绕制成螺旋状，均匀安置在垫层上，炉门主要控制进线高度及同时进线数。
第五步，基于ANSYS仿真软件CFD模块进行热流耦合分析，设计硫化炉。 
（1）硫化炉外形结构设计 
FLOTRAN CFD是ANSYS用来分析计算流体动力学过程或热力学过程的专用模块，现用其对所建立的炉体的ANSYS模型进行流固耦合分析，根据分析结果提出优化策略，并验证优化的合理性，确定改进策略。
在分析前做如下约定：1.各模型相同部件网格划分大小一致；2.施加载荷相同：截面模型的加热管生热率为110kW，三维模型中的加热管生热率为250kW；3.模型施加的边界条件一致：在腔体内部流固接触处施加固定壁面约束，在硫化炉的外表面施加空气对流边界条件（对流系数为8W/m^2·℃，温度为常温20℃）。 
对旧炉——单线硫化炉腔体内空气对流和炉衬热传导进行直接热流耦合仿真分析，利用FLOTRAN模块分别导入模型，定义单元类型、材料特征、流体属性，划分网格，施加生热率、边界条件和壁面约束，采用直接耦合法求解。 
由ansys仿真结果表明，单线硫化炉腔体内自然对流的空气的对流形式为紊流，主要形成两个比较大的漩涡，下一步需要改进的地方在于加强腔体内部的空气对流，以加快炉子升温速度，并且保证炉腔空气温度分布的均匀性。由此可见，加热炉节能的重点在于提高热效率，减少炉衬的热损失，加强空气的自然对流。 
由以上分析可知，电炉内侧面和外侧面表面的突起设计能加快空气的流速，促进对流，故硫化炉结构外形的设计中在炉腔表面应设计一些梯形凸起。 
（2）新型硫化炉加热棒的安放位置进行定位设计 
在上述分析结果及讨论的基础上，结合电阻炉设计原理和硫化炉的实际工作状态提出以下几个改进策略：
调整加热管横向分布
按照表4所示调整d1大小，用来分析加热管横向的分布对炉腔内的空气流速的影响，
观察其变化趋势，通过多次分析对比，确定d1的最佳大小。
     表 4  调整d1—d3大小 
通过对比可得到：当加热管逐渐远离腔体中心线时，由于自然对流的原因，炉腔中心流速逐渐增大，其他区域的流速分布基本不变，由于橡胶的硫化过程基本在腔体中心位置进行，更为有效的利用了热能。
分析给出加热管的位置分布原则：第一，尽量靠近腔体两侧，增大腔体中心的空气流速，可以加快预热速度，有利于热量传递；第二，加热管在腔体内应该按照均匀但不对称的原则分布，降低腔体内部空气的水平流动强度，减少炉口空气流动引起的散热损失。 
（3）新型硫化炉炉门加保温层设计 
侧盖添加保温层前后的分析结果，
旧炉的侧盖为单层钢板设计，正常工作时整个侧盖与外界有很大的温度差；当添加了保温层后，侧盖除炉口附近，其他部位都较接近常温，与原旧炉相比，大大的减少了有效对流散热面积，进而较少了热量损失。
（4）新型节能型硫化炉确定结构参数进行制备 
根据以上设计方案所设计出的节能硫化炉的一些主要尺寸和参数指标如下：
硫化炉30m
1、共分12段，每段2.5m，规格400mm*360mm*2500mm（外）。
2、有效硫化长度50m，往返一次来完成，即在后面10m炉道中往返。 
3、发热材料：不锈钢发热管，规格，功率每段5kW（共60kW），最高升温350℃，温度可调。 
4、保温材料：硅酸铝保温棉+20mm隔热板，保温效果好。 
5、加热形式：温控表（RKC）配合发热管实现温度随意可调。 
6、内外部材料：硫化炉内外部材料为不锈钢。 
7、硫化炉的具体结构尺寸。 
第六步，对所设计的新型硫化炉进行性能评价； 
主要从设备热效率，电能消耗率、产品硫化能力以及综合节能能力四方面进行评价。
节能计算 
Figure 437500DEST_PATH_IMAGE052
式中 
Figure 883525DEST_PATH_IMAGE053
——旧炉单位时间内生产单位质量产品所需电能（kW·h/kg）
Figure 951975DEST_PATH_IMAGE054
——新炉单位时间内生产单位质量产品所需电能（kW·h/kg）
下面是对旧炉——单线硫化炉和新型节能型硫化炉分别进行热工计算所得的热平衡、设备热效率、电能消耗、硫化能力的对比结果： 
表5  改进前后旧炉新炉热平衡比对表
表6 改进前后旧炉新炉性能评价对比
Figure 861211DEST_PATH_IMAGE056
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (1)

1.一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、建立硫化炉热平衡模型；
在进行热平衡测试前，先要划分体系与建立热平衡模型；
步骤二，对现有旧炉进行现场热工测定；
现场工况测试：
测试时炉内工况应处于稳定状态，并要求在所有测点上同步测定，即在同一时期内测定所需的各个参数；
表1 硫化炉稳定状态下特定工况
Figure 734722DEST_PATH_IMAGE001
测定项目和方法如表2所示：
表2 硫化炉参数测试表
Figure 589546DEST_PATH_IMAGE002
步骤三，由现场热工测试所得数据建立旧炉热平衡表；根据旧炉热平衡表测定硫化炉改进的主攻方向；
热平衡表如表3所示：
表3热平衡表
Figure 103704DEST_PATH_IMAGE003
步骤四，建立基于ANSYS仿真软件的单线硫化炉的三维立体模型；
步骤五，基于ANSYS仿真软件CFD模块进行热流耦合分析，设计硫化炉；
其中，各模型相同部件网格划分大小一致；施加载荷相同：截面模型的加热管生热率为110kW，三维模型中的加热管生热率为250kW；模型施加的边界条件一致：在腔体内部流固接触处施加固定壁面约束，在硫化炉的外表面施加空气对流边界条件对流系数为8W/m^2·℃，温度为常温20℃；
步骤六，对设计的硫化炉进行性能评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于热流耦合分析技术的硫化炉的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，以炉膛作为体系，以炉体外壳作为体系边界，建立热平衡的模型。
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