CN112580121A - 一种多层壁炉衬导热计算系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层壁炉衬导热计算系统，属于工业炉领域。该系统包括：文件菜单模块、模型选项卡模块、图形显示窗口模块和结果显示窗口模块，在计算炉衬选型的时候有以下步骤：S1、根据实际情况选择相应炉型模型；S2、在系统界面上设置模型参数和边界条件、选择合理的热面朝向和炉衬材质；S3、进行几何建模，网格划分和模拟计算；S4、对计算结果进行云图绘制、曲线图绘制和生成结果报告。本发明可使工业炉炉衬的设计选型工作更为方便高效，计算结果稳定可靠，对工程实践具有一定的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于工业炉领域，涉及一种多层壁炉衬导热计算系统。在工业炉炉衬设计时，通常采用多层复合炉衬结构根据工艺要求，选定适当的炉衬材质和厚度十分重要。而目前缺少一款方便炉衬选型的计算系统，鉴于此，本发明基于COMSOL APP开发器，开发了一款便于炉衬选型的计算系统，以提高工程计算效率。
背景技术
哈尔滨建筑大学的马继勇研究了多层壁导热反问题的解析公式及其应用、边界元方法在计算多层壁温度场中的应用等课题。南京航空航天大学的裘燮纲研究了多层壁瞬态温度分布计算。山东建材学院设计院的孙庆利研究了多层壁稳态导热计算新方法及其程序。以上研究都是对多层壁导热的计算方法展开的，并未建立一套完备的计算系统。自2010年中冶成工上海五冶建设有限公司的程爱民开发了一款基于VB的稳定态多层壁炉衬参数的计算系统以来，目前还未有新的计算系统出现。但此计算系统过于简单且在处理受热面的对流换热问题采用方向系数的方法，此方法构建的模型对外壁面处自然对流换热问题处理的不够精确。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多层壁炉衬导热计算系统，该系统便于炉衬选型以提高工程计算效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多层壁炉衬导热计算系统，该系统包含平板壁面计算模块、圆柱壁面计算模块和球形壁面计算模块，其中，平板壁面计算模块、圆柱壁面计算模块和球形壁面计算模块在系统里面是独立运行的；该系统通过设置壁面厚度，选择炉墙材料和和施加定解条件，求解稳态导热微分方程；
该系统的界面包括：文件菜单模块、模型选项卡模块、图形显示窗口模块和模型结果显示窗口模块。
可选地，文件菜单模块包括帮助模块、退出模块和清除计算结果模块。
可选地，模型选项卡模块包括平板形壁面模块、圆柱形壁面模块和球形壁面模块三个模块；该三个模块都包括模型参数菜单、定解条件菜单、材料选择菜单和功能菜单；
模型参数菜单对几何模型的参数进行设置；定解条件菜单对物理模型的边界条件和初始条件进行设置；材料选择菜单对模型的每层材质进行设置；功能菜单进行几何绘制，网格划分，求解计算，生成云图，生成线图和生成报告。
可选地，图形显示窗口上侧为工具栏，下侧为绘图区；所述绘图区对几何模型、网格，云图和曲线图进行可视化显示；所述工具栏对图形进行显示设置和图片导出设置。
可选地，模型结果显示窗口显示模型参数设置和计算结果。
可选地，系统的计算过程包括以下步骤：
S1、根据实际情况选择相应炉型模型；
S2、在系统界面上设置模型参数和边界条件、选择合理的热面朝向和炉衬材质；
S3、进行几何建模，网格划分和模拟计算；
S4、对计算结果进行云图绘制、曲线图绘制和生成结果报告。
可选地，该系统是基于COMSOL APP开发器开发；
该计算系统的数学模型为稳态导热微分方程；边界条件中对流换热系数的数学模型是瑞利数Ra、特征长度L和热物性参数的复合函数，通过此模型处理外壁面与周围流体的耦合换热；根据热物性参数建立了耐火材料的数据库；
稳态无内热源导热微分方程表述为如下形式：
直角坐标系：
圆柱坐标系：
球坐标系：
统一形式：
式中x，y，z为直角坐标；r，
z为柱坐标；r，
θ为球坐标；T为温度；λ为物质导热系数；
为哈密顿算子Hamiltonian；
所述微分方程的定解条件如下：该定解条件包括初始条件和边界条件，初始条件为初始时刻物体内部各点温度值，边界条件为第一类边界条件和第三类边界条件，
初始条件：
T(x,y)＝T0
边界条件：
其中hw是传热系数，Tf表示远离边界的外部流体的温度，Tw为外层墙壁温度，T0为初始温度。
本发明的有益效果在于：本发明可使工业炉炉衬的设计选型工作更为方便高效，计算结果稳定可靠，对工程实践具有一定的指导意义。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为多层壁物理模型示意图，(a)为平板形壁面，(b)为圆柱形壁面，(c)为球形壁面；
图2为受热面的位置示意图，(a)为平板受热面垂直图，(b)为平板受热面倾斜图，(c)为平板受热面水平朝上图，(d)为平板受热面水平朝下图，(e)为球体图，(f)为垂直圆筒壁图，(g)为水平长圆柱图；
图3为系统界面组成，(a)为平板形壁面图，(b)圆柱形壁面图，(c)球形壁面图；
图4为热面选择与参数设置的快速帮助图；
图5为计算流程图；
图6为平板形计算结果图；
图7为温度云图；
图8为温度曲线图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图8，为一种多层壁炉衬导热计算系统。
在工业炉炉衬设计时，通常采用多层复合炉衬结构根据工艺要求，选定适当的炉衬材质和厚度十分重要。如图1所示为工程中常用的三种壁面类型，其中(a)为平板形壁面、(b)为圆柱形壁面，(c)为球形壁面。图1为四层炉衬的模型示意图，图中L表示每层炉衬的厚度，m；T0表示初始温度，K；Tin为炉膛内壁温度，K；hw为自然对流换热系数，W/(m2·K)，Tf为环境温度，K。其中自然对流换热系数原则上可以通过两种方式建模：第一种方法：若模型简单，可以使用表面上的传热系数扩展模型描述周围流体中的流动和传热。第二种方法：如果几何形状和外部流动较为复杂，需要对流场和温度场进行耦合计算。但是，这样的模拟在计算时间和内存需求方面代价较高。由于第一种方法简单高效，因此，本系统采用第一种计算方法。
热通量的数学描述如下：
g＝hw(Tw-Tf)
其中hw是传热系数，W/(m2·K)；Tf表示远离边界的外部流体的温度，K；Tw为外层墙壁温度，K。
流体由于各部分存在温差而流动的现象叫做自然对流。对于一个受热的固体表面，它与周围流体产生自然对流时，自然对流表面传热系数的测试关系可以表达如下：
Nu＝C(Gr·Pr)n＝CRan
式中Nu为努塞尔数(Nusselt number)；Gr为格拉晓夫数(Grashof number)；Pr为普朗特数(Prandtl number)；Ra为瑞利数(Rayleigh number)；L为物体的特征尺寸；λ、a、ν分别为流体的热导率、热扩散率和运动粘度；αP为流体的体膨胀系数，αP＝1/T；h为对流表面传热系数；△T为固体表面与周围流体间的温差，C、n为常数。
研究自然对流换热系数的目的是确定各种工况条件下，固体表面与流体之间的换热准则，也就是确定式Nu＝C(Gr·Pr)n＝CRan中C和n的数值，同时根据式
得到表面对流换热系数h。
《Heat Transfer》、《Fundamentals of heat and mass transfer》、《HeatTransfer Module User's Guide of COMSOL》和《工程传热传质学》中给出了不同受热面的位置和不同范围Ra数下计算自然对流表面换热系数的数学模型。如图2所示，根据受热面的位置和类型的不同该模型可分为7种类型。图2中各序号对应的表面类型及其对流换热系数的数学模型表述如表1所示。表1中L为特征长度，对于受热面水平布置时L＝面积/周长，H圆柱高度，D直径。
表1空气自然对流换热系数的计算式(1atm)
如图3所示系统包括(a)平板形模块，(b)圆柱形模块，(c)球形模块三部分。下面以图3(a)平板形模块为例对系统模块的组成和使用等进行详细阐述。
系统模块包括：①文件菜单，②模型选项卡，③图形显示窗口，④模型与结果显示窗口。
文件菜单包括帮助、退出和清除计算结果等功能。
模型选项卡，包括平板形壁面模块、圆柱形壁面模块和球形壁面模块。在相应的模型中包括模型参数、定解条件、材料选择和功能菜单。其中在模型参数菜单栏可以对几何模型的参数进行设置，在定解条件菜单栏可以对物理模型的边界条件和初始条件进行设置，在材料选择菜单可以对模型的每层材质进行设置，功能菜单栏可以进行几何绘制，网格划分，求解计算，生成云图，生成线图和生成报告等功能。
图形显示窗口上侧为工具栏，下侧为绘图区。在绘图区内可以对几何模型、网格，云图和曲线图进行可视化显示。使用工具栏可以对图形进行简单的显示设置和图片导出等设置。其中，使用鼠标点击云图可以将该点的计算结果实时显示在动态显示栏内。
模型与结果显示窗口，根据模型选择相应的模型示意图和计算结果，可以查看具体的模型参数设置和计算结果。
参数输入：①根据实际工况设置边界条件，预定义几何尺寸，点击“功能菜单”中的“几何”按钮，可查看几何模型。②初步选定各层墙壁的材质，点击“文件”菜单中“帮助”按钮，可在帮助文档的附录中搜索材质的物性信息。③根据实际情况输入定解条件，包括初始条件、边界条件和墙壁的热面类型。④对于墙壁热面类型参数的设置，可点击“定解条件”菜单中“辅助工具”的“热面参数”按钮，根据弹出的“热面选择与参数设置”的快速帮助，如图4所示选择热面类型和设置热面参数，当热面朝向为(a)的时候，L等于壁面高度；热面朝向为(b)的时候，L等于壁面高度；热面朝向为(c)的时候，L等于面积/周长；热面朝向为(d)的时候，L等于面积/周长。⑤需要特别指出的是本系统最多只支持四层炉的设置，对于单层、两层或三层的设置，需要在几何模型长度Li上设置为零厚度。如图5所示计算流程可总结为：①根据实际情况选择相应模型；②根据实际工况设置边界条件，预定义几何尺寸和材质初步选择；③更新几何模型、网格划分与计算求解；④判断计算结果是否满足条件；⑤若不满足条件需要调整参数和材质重新计算，直至满足条件为止。⑥若满足条件停止计算，对结果进行可视化处理，包括生成云图，曲线图和生成结果报告。
对于计算结果的快速查看，可在模型与结果显示窗口中点击结果按钮进行查看。如图6所示为平板形计算结果。如图7～8所示，结果处理包括温度云图和曲线图及生产报告三部分。按系统相应提示即可完成操作，其中生产报告可对结果处理的云图、曲线图、输入的参数和材料以及相关计算结果进行输出，其格式为*.html。
最后生成的报告目录包含了全局参数、物理模型和处理结果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，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，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述系统包含平板壁面计算模块、圆柱壁面计算模块和球形壁面计算模块，其中，平板壁面计算模块、圆柱壁面计算模块和球形壁面计算模块在系统里面是独立运行的；该系统通过设置壁面厚度，选择炉墙材料和和施加定解条件，求解稳态导热微分方程；
该系统的界面包括：文件菜单模块、模型选项卡模块、图形显示窗口模块和模型结果显示窗口模块。
2.根据权利要求1所述的一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述文件菜单模块包括帮助模块、退出模块和清除计算结果模块。
3.根据权利要求1所述的一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述模型选项卡模块包括平板形壁面模块、圆柱形壁面模块和球形壁面模块三个模块；该三个模块都包括模型参数菜单、定解条件菜单、材料选择菜单和功能菜单；
所述模型参数菜单对几何模型的参数进行设置；所述定解条件菜单对物理模型的边界条件和初始条件进行设置；所述材料选择菜单对模型的每层材质进行设置；所述功能菜单进行几何绘制，网格划分，求解计算，生成云图，生成线图和生成报告。
4.根据权利要求1所述的一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述图形显示窗口上侧为工具栏，下侧为绘图区；所述绘图区对几何模型、网格，云图和曲线图进行可视化显示；所述工具栏对图形进行显示设置和图片导出设置。
5.根据权利要求1所述的一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述模型结果显示窗口显示模型参数设置和计算结果。
6.根据权利要求1所述的一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述系统的计算过程包括以下步骤：
S1、根据实际情况选择相应炉型模型；
S2、在系统界面上设置模型参数和边界条件、选择合理的热面朝向和炉衬材质；
S3、进行几何建模，网格划分和模拟计算；
S4、对计算结果进行云图绘制、曲线图绘制和生成结果报告。
7.根据权利要求1所述的一种多层壁炉衬导热计算系统，其特征在于：所述系统是基于COMSOL APP开发器开发；
该计算系统的数学模型为稳态导热微分方程；边界条件中对流换热系数的数学模型是瑞利数Ra、特征长度L和热物性参数的复合函数，通过此模型处理外壁面与周围流体的耦合换热；根据热物性参数建立了耐火材料的数据库；
所述稳态无内热源导热微分方程表述为如下形式：
直角坐标系：
圆柱坐标系：
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式中x，y，z为直角坐标；r，
z为柱坐标；r，
θ为球坐标；T为温度；λ为物质导热系数；
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所述微分方程的定解条件如下：该定解条件包括初始条件和边界条件，初始条件为初始时刻物体内部各点温度值，边界条件为第一类边界条件和第三类边界条件，
初始条件：
T(x，y)＝T0
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| CN117709169A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-15 | 南京净环热冶金工程有限公司 | 一种复合炉衬升温曲线的确定方法及其应用 |
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