中间辐射体对强化炉内传热的影响规律

李 成 ，娄锦东 ，张卫军 ，李 娜

（1.东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819；2.沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035）

连续加热炉[1-3]是轧制或热处理工序的必要加热设备，用于加热钢坯，使钢坯温度达到再结晶温度。据统计，钢铁企业中，轧钢加热炉是仅次于炼铁的第二大能耗设备[4]。因此，降低炉子的燃料消耗是节能降耗工作的重要部分。炉内强化传热的研究有利于提高加热炉的热效率，有助于实现生产的节能降耗、提高产品质量，使企业可持续发展，进而实现节能减排的大目标[5-7]。其中，在炉墙悬挂中间辐射体是强化炉内传热的主要方式之一[8-10]。

由于缺少机理研究，中间辐射体的节能效果仅能通过实验来证明，还无法在理论上对黑体元件技术进行描述和研究。这导致中间辐射体的最佳结构、表面辐射特性及安装位置等都没有理论依据，也无法找到通过中间辐射体来调控温度的明确方向。为了该技术在加热炉上得到更好的应用，对黑体技术的节能原理和蓄热式加热炉的特点进行研究具有重大意义。本文根据中间辐射体技术增加炉体表面黑度和表面积的特点，采用数值模拟的方法，选择合适的流动、燃烧、组分输运和换热模型，模拟加热炉内水管出水温度分布，研究黑体辐射技术对强化炉内传热的效果及不同位置、不同形状的中间辐射体对炉内辐射的影响。

1 加热炉物理模型

1.1 加热炉的基本参数

实际连续加热炉的结构复杂，影响因素较多，不便于分析中间辐射体对炉内传热的直接影响。因此本研究提出新型实验炉，结构如图1所示。炉底面积为1.8×1.8=3.24 m2。采用水管代替钢坯，目的是构建稳定的工况，仅仅考虑其吸热，模拟炉膛内的流动以及传热情况。通过在壁面上插入一系列高辐射率的中间辐射元件来达到强化壁面辐射的目的。

图1 不同配置加热炉结构示意图

为了简化计算，中间辐射体的参数如表1所示。

表1 中间辐射体形状参数

加热炉的辐射室为立方体，辐射室内的水管等间距排列，共4根。燃烧器在整个炉膛的端部，共两个，选用套筒燃烧器。其他具体尺寸材料如表2所示。

表2 炉子结构主要参数

1.2 加热炉简化处理

烧嘴选用低压涡流式烧嘴，简化模型釆用最简单的套筒式进料方式。燃料气和空气都沿竖直方向进入炉膛内。其中内圈是燃料气入口，外圈是空气入口。针对实验加热炉，本论文网格划分属于结构化网格，这样有利于提高网格质量。由于本研究的加热炉模型沿宽度方向上对称，因此在网格划分时进行对称化处理，可以减少网格的数量，便于计算。对不同模型网格质量进行检查，网格质量均在0.45以上，质量良好符合计算要求。

2 加热炉数学模型建立

2.1 基本假设条件

加热炉实际的燃烧传热过程非常复杂，为了高效并具有针对性地完成数学模拟试验，作出如下简化和假设：

（1）加热炉内混合气体为不可压缩流体，不考虑气体对热辐射的选择性吸收，将其视为灰体。

（2）加热炉内不考虑燃烧之外其他的化学反应和变化。

2.2 基本控制方程

（1）质量守恒方程

根据质量守恒原理，得到如下微分形式的质量守恒方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；x，y，z 为坐标；u，v，w 为流体在 x，y，z坐标上的速度分量。

由于本文为不可压缩流体，其密度为常量，故公式可表示为：

（2）能量守恒方程

任何包含有热交换的流动系统必须满足能量守恒这一基本定律。该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际上是热力学第一定律，其表达式如下：

式中：H为动能的总热焓，J；Γh为热源扩散系数，无量钢；Qrad为辐射与热源项，W/m3；QR为化学反应热源项，W/m。

（3）动量守恒方程

动量守恒方程的建立遵循的是牛顿第二定律，作用力的合力等于单位时间内动量的变化量。下式为黏性为常数的不可压缩流体形成的流体系统在三个坐标方向上的动量守恒方程：

式中：v为流体的运动黏度，m2/s；p为表面力，N/m2。

（4）组分质量守恒方程

系统内某种化学组分质量对时间的变化率，等于通过系统界面的净扩散通量与通过化学反应生成或消失的该组分的净生产率之和。根据这一定律，可以写出组分质量守恒方程：

式中：Γs为组分s的交换系数；Rs为组分由于化学反应引起的生成或消耗率。

2.3 数学模型选择

（1）湍流数学模型

炉膛内的流动为湍流，采用标准k-ε模型进行湍流的模拟求解。

（2）燃烧模型

湍流燃烧包含了流体流动、传热、传质和化学反应以及它们之间的相互作用。本文加热炉内流动属于湍流，燃料和氧化剂通过多股射流，以非预混的形式送入炉内。涡耗散概念模型（EDC）的特点是在湍流反应中考虑了详细的化学反应机理，并且适用于预混、非预混和部分预混燃烧的情况，因此本研究采用涡耗散概念模型（EDC）。

（3）辐射换热模型

本研究采用的辐射模型为DO模型。DO模型是适用范围最大的模型，它可以计算所有光学厚度的辐射问题，并且计算范围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的参与性介质辐射在内的各种辐射问题。

2.4 边界条件确定

（1）入口边界条件

入口设置均为速度入口边界，需要设定入口速度，加热炉的燃料为甲烷，发热值为35 800 kJ/m3，空燃比取1.05，其他参数见表3。

表3 边界条件参数

（2）出口边界条件

废气出口设置为压力出口边界，需要设定出口压力，根据经验设置0 Pa，湍流强度5%，水力直径按照公式计算得0.21 m。同时给出出口边界外的温度为室温，即300 K。水流出口设置为outflow，无需其他设置。

（3）壁面边界条件

采用耦合面条件处理中间辐射体壁面，中间辐射体黑度取0.95。采用耦合面条件处理水管壁传热，因为辐射室内的温度比较高，炉管内的介质被加热，导致炉管内的温度不断升高，根据经验，黑度取0.8。

采用热流壁边界条件处理炉壁散热，加热炉壁面由保温砖、耐火砖、保温棉以及金属壁面组成，传热方式主要为对流传热，炉膛外壁条件由公式Q=εσT4得出，其中σ取 0.8，T取300 K。

3 数值模拟结果

由图2可以看出基础模型中水管内水流的温度分布情况：四根管内水流入口温度均为300 K，在水流进入炉膛到出炉的过程中，随着燃料的不断放热，炉管内水流的温度沿炉管长度不断升高。

图2 管壁温度和水流温度分布图

3.1 不同形状中间辐射体的作用

表4为水管管壁热流量表。由表可知，在相同条件下，不加装中间辐射体的基础模型通过水管管壁的热流量最低，方案2、方案3和方案4较方案1的热流量分别增加了3.8%、4.8%和5.8%，证明中间辐射体有一定的强化辐射作用。

表4 水管管壁热流量表

以炉底中心为坐标原点，宽度方向为x方向建立坐标系。图3是水管温度增长量分布图。三个方案的管内蒸汽入口温度均为300 K。由图可见，随着燃料的不断放热，管内水流温度沿炉管长度不断升高，说明在整个计算域内管内蒸汽不断从炉膛内部吸热。在炉墙上安装了中间辐射元件之后，方案2、方案3和方案4管内水流的出口温度大约比方案1分别提高了3.6%、4.0%和5.2%。

图3 水管温度增长量分布图

在相同条件下，通过在炉墙上安装中间辐射元件来强化炉墙辐射传热可以有效提高加热炉的传热效率，从而有效节省燃料。同时通过对比发现，对于不同形状的中间辐射体而言，梯形中间辐射体较矩形中间辐射体更有优势，强化辐射传热效果更好。

3.2 不同厚度中间辐射体的影响

由于中间辐射体之间存在相互遮挡，虽然炉墙对水管的辐射面积增加了，但有效辐射面积并不一定增加；另一方面，安装中间辐射体将使炉膛燃烧空间减少。矩形1和矩形2中间辐射体厚度不同，对加热炉内辐射传热的影响也随之变化。由表4可以看出，矩形1管壁热流总量比矩形2管壁热流总量降低1.85%；矩形1管壁热流辐射量比矩形2管壁热流辐射量降低1.93%。由图4可知，矩形1水流出口温度相比于矩形2水流出口温度降低了1.47%。对于相同形状的中间辐射体而言，厚度相对较小的中间辐射体强化辐射传热效果更好，可以更加有效地提高加热炉的传热效率。

3.3 不同位置受中间辐射体的影响

提取方案1和方案2中间及两侧水管水流平均温度得到表5。由表可知，在相同条件下，受烧嘴相对位置的影响，加热炉内四根水管出水温度有所不同，靠近中间的两个水管内水流温度较低，靠近两侧的两根水管内水流温度较高，相差不到0.5%。

图4 水管温度增加量分布图

表5 方案1、2水管平均温度（K）

为证明中间辐射体对不同位置的加热元件强化传热效果不同，定义增长率A：

式中：A—增长率，%

T1—方案1同一距离下温度，K

T2—方案2同一距离下温度，K

图5为方案1、2水管平均增长率分布图。可以看出，中间水温的增长率始终低于两侧水温的增长率，加热炉内中间辐射体对靠近两侧的强化辐射效果更好。

图5 水流增长率分布图

4 结论

本文构建了实验炉内热过程数学模型，并研究了中间辐射体对炉内强化传热的作用机制。得到主要结论如下：

在稳定工况下，加热中间辐射体能提高水管出口温度，从而实现强化炉内传热，即中间辐射体对强化炉内传热具有积极作用。

中间辐射体的形状及位置对受热物体表面的热流分布存在一定的影响。由本文研究可知，梯形中间辐射体较矩形中间辐射体更有优势，矩形1水流出口温度比梯形水流出口温度提高了0.3%；对于相同形状的中间辐射体，厚度相对较小的中间辐射体强化辐射效果更好，矩形1水流出口温度比矩形2水流出口温度提高了1.47%。而由受热物体表面的温度分布可知，中间辐射体对靠近两侧的强化辐射效果比靠近中间的效果更好。