热风炉水平运风结构设计及仿真优化

2020-06-10閤海峰高文吴洋蔡传辉

装备维修技术 2020年25期

閤海峰高文吴洋蔡传辉

摘要：针对热风炉在多层卡夹载具下存在换热效果差、热效率较低等问题，本文从热风炉原始结构上进行了设计和改进，提出了一种新型水平循环运风结构，并分析了在该运风结构下炉膛内气流的压力损失问题。同时采用数值仿真软件Fluent对实际的热风炉运风结构模型进行了局部优化计算，模拟结果表明该结构满足设计要求和性能指标。

关键词：热风炉;水平运风;结构设计;结构优化

Abstract： In this paper， the existing the problem of the hot air circulation furnace is not sufficient convective heat transfer and heat transfer effect is poor under the muli-layer clamp. Based on the design and improvement of the original structure model of horizontal circulation air transport is put forward. At the same time， the pipe resistance of horizontal transport air flow in the furnace chamber is analyzed. The standard k-ε turbulence model of Fluent software is used to simulate the actual structure model. The result shows that the structure meets the design requirement and performance indexes.

Key Words： Fluent; horizontal transport air flow; structure design; structure optimization

1 概述

近年来，随着科学技术的发展，对能源的高效利用和节能减排技术提出了迫切的需求。其中，热风循环炉作为一种高效的能源利用设备，一直备受关注。因为热风循环炉采用风机循环送风方式，保持热风在炉膛内循环再利用，可以有效实现热风循环对产品进行干燥和加热目的，达到了能源高效利用。而目前的热风循环炉大多数是上下送风结构，对于多层载具产品而言，上下送风方式不能有效的对每层产品进行充分换热，从而出现上面产品换热充分而下面产品换热不足的现象，导致装置热效率较低、内部温度均匀差等问题。针对目前热风循环炉结构上存在的不足，本文提出了一种新型水平循环运风结构，并分析了在该结构下热风炉内部的气流压力损失，同时根据炉膛内气流特性，开展了热风炉出风口结构的优化设计。针对热风炉多层卡夹载具产品而言，该水平循环运风结构可有效解决炉内换热效率低、换热成本高的技术问题。

2 结构设计

水平循环运风风道循环结构如下图1所示。风机带动多益风轮的旋转将风甩出，经过加热管加热后的热风进入进风板，再进入炉膛内部与产品进行充分对流换热。换热后的热风一部分由出风板进入上腔体进行循环利用，另一部分经过排气管道排出。由于热风在炉内循环流动过程中会产生压力损失，以及影响炉膛内腔的温度均匀性。因此，热风电机带动多益风轮甩出风的风量和风压能否满足炉内气流压力损失和炉膛内腔的温度均匀性，将是本文分析的重点内容。

2.1压力损失分析

气流在循环风道内的流动阻力包括导流装置，各个加热元件、炉料、料架等各个局部阻力和摩擦阻力。在本文中主要分析了气流在热风炉中的损失主要分为以下部分，风道经过上腔体加热，有一个沿程损失hm1，由上腔体到进风板有一个直角拐弯，产生一个局部损失hj1。之后到达进风板后有一个沿程损失hm2，由进风板到达炉膛内腔，有一个局部损失hj2。炉膛内腔有一个沿程损失hm3，炉膛内腔到出风板有一个hj3。出风板内有一个沿程损失hm4，出风板到上腔体有一个局部损失hj4，如图1（b）所示。

其中为通道内气体流速（m/s），为气体密度（kg/m3），t为气流温度（℃），为局部阻力摩擦系数，可查工业炉设计手册，L为通道长度（m），d为通道换算直径（m），为摩擦阻力系数，光滑金属通道为0.025，有氧化皮金属通道摩擦系数为0.035～0.045，切砖通道为0.05。

2.2电机及风轮选型

气流和对流换热系数有着密切的关系，气流速度大，更有利于炉温均匀性的提高。为了更好的反应炉温均匀性，以气流在炉膛内的循环次数来反应炉膛内的温度均匀性。炉温均匀度要求越小，气流在炉膛内每秒中流动周期数要越小，对于普通的铝合金淬火炉要满足炉温要求±3～±5℃，循环次数为0.8～1.0。循环次数一定时，气流流动的路途越长，则需要的风量也越多，所以对于热风循环炉而言，选取合适的风量和風压至关重要。若选取电机风量为Q，风压为P。即炉膛平均速度为

V=Q/A（3）

通过炉膛内平均速度V计算得到全压P1，若P1

针对炉膛内水平运风结构，本文对风量和风压的选取做了如下计算，如图2所示，表明炉膛内的管阻与风量的关系。当风量增大是，选取的风压也应该随之增大，若风量为2000m3/h，则选取电机的风压应该大于250Pa，只有当电机风量大于250Pa时，才能满足炉膛内的管阻压力损失。

3 仿真分析

3.1模型建立及网格划分

本文用Inventor建立热风炉结构三维模型，采用ICEM对模型进行结构化网格划分，划分结果如图2所示。

3.2 仿真结果

设置仿真分析参数，进行仿真分析，本文对出风板小孔结构进行优化设计，其中主要仿真了两种出风板小孔结构，第一种结构为同种腰孔，第二种结构为腰孔形状不一致，上大下小结构。在给定流量入口情况下进行计算。经过仿真发现第二种流速每一排平均流速比第一种结构较好。对炉膛温度均匀性的控制更有利，故选用第二种小孔结构来控制上腔体气流到炉膛内风速的均匀性，从而获得更好的温度均匀性。

如图5所示，腰型孔上大下小结构更能调节风速均匀性的原因是在于，从炉膛上腔体吹到出风板时，出风板内的上部气流都往下积累，从而造成最上一排孔风流速度较小，最下一排孔气流较大，为了缓解气流的均匀分配，采用上大下小结构的腰型孔，来均衡气流速度的不均匀性。所以上大下小结构的腰型孔对比同种腰型孔来说，可以更好的来调节炉膛气流，使炉膛温度均匀性满足设计的要求。

4 实验结果

为了验证炉膛温度均匀性是否满足性能指标和要求，对其进行了实验测试。发现炉膛的温度均匀性在±3℃范围内，满足热风循环炉的性能指标。

5 总结

（1）本文对热风炉在水平运风结构下的气流压力损失进行了分析计算，并提出选用电机和多益风轮的风量和风压方法;

（2）为了更好控制温度均匀性，本文采用Fluent仿真分析软件，对出风板两种结构进行了分析，结果表明本文设计的上大下小腰孔结构，可以满足炉膛温度均匀性的要求。

（3）为了验证水平运风结构的合理性，本文对实际热风炉内的温度均匀性进行了实验测试，实验结果表明炉膛温度曲线满足性能和要求。

参考文献：

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