姜天驰, 张卫军, 刘石, 王鑫
东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-11-14
基金项目：国家自然科学基金联合基金资助项目(U176010061)。
作者简介：姜天驰(1995-), 男, 辽宁鞍山人, 东北大学博士研究生;
张卫军(1957-), 男, 河北滦县人, 东北大学教授。

摘要：针对黑体定向辐射技术节能的机理问题, 以实验室规模具有中间辐射体的室状加热炉为研究对象, 建立了具有中间辐射体的物理模型, 以CFD商业计算软件Fluent建立平台计算黑体定向辐射条件下的气体流动、传热、燃烧的三维耦合数学模型, 并根据实验结果对数学模型进行验证.研究结果表明: 中间辐射体的加入改变了炉体燃烧室内的流动情况及炉墙对钢坯固体辐射的比表面积, 分别从气体辐射及固体辐射角度增强了钢坯表面辐射换热强度, 燃烧温度降低20 K左右, 钢坯加热速度提升16.7%, 钢坯表面最高温度提升40 K.加热效率的提升带来了更好的节能效果.
关键词：加热炉定向辐射数值模拟多物理场节能
Numerical Simulation of Influence of Intermediate Radiator on Heat Transfer Process in Heating Furnace
JIANG Tian-chi, ZHANG Wei-jun, LIU Shi, WANG Xin
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: ZHANG Wei-jun, E-mail: zhangwj@smm.neu.edu.cn.

Abstract: The energy-saving mechanism of blackbody directional radiation technology was investigated. Based on a chamber heating furnace with an intermediate radiator in a steel plant, a physical model with intermediate radiators was established. A transient 3-D mathematical combustion model coupled with heat transfer and fluid flow in the furnace was developed based on the CFD commercial software Fluent to simulate the combustion and temperature distribution in the furnace. The model was verified according to experimental results. The research results show that the installation of the intermediate radiators changes the flow pattern in the combustion chamber of the furnace and the view factor of the furnace wall to the slab for solid radiation, and enhances the radiant heat transfer intensity of the slab surface for both gas radiation and solid radiation. The combustion temperature is reduced by about 20 K, the slab heating speed is increased by 16.7%, and the highest temperature of the slab surface is increased by 40 K. The improvement of heating efficiency brings a better energy-saving effect.
Key words: heating furnacedirectional radiationnumerical simulationmulti-physics fieldenergy-saving
加热炉是钢铁冶炼流程中加热处理的重要设备.我国现有约12万台加热炉, 占热工企业总能耗60%以上, 占全国总能耗的23%, 平均能效仅为35%~40%, 吨钢能耗约766 kg标准煤, 低于国际先进水平约18.6%^[1].随着近年来环保标准的不断提升, 如何提高加热炉的能源利用率已成为工业炉研究人员的重要课题.基于工业加热炉的现状, 研究人员开发了蓄热式燃烧技术、高低温烟气回收技术等多种方式对加热炉进行改进, 并取得了良好的节能效果, 但无论是提升烟气钢坯预热温度或是回收烟气余热都无法从加热炉内部加热机理寻求突破.因此, 基于加热炉内部的换热机理对炉体进行结构改造以达到强化换热的目的成为一种新的研究方向.
黑体定向辐射技术通过在炉内壁表面布置锥形、球形、块状等多种形式的发射率近似为1的中间辐射体, 提高内壁面发射率及比表面积, 从而提升钢坯表面温度, 以达到快速升温的节能效果.国内外诸多****对加热炉内传热机理以及辐射黑体进行了研究.Yi等^[2]开发了双板坯控制系统(DMST)对宝钢步进式加热炉进行模拟计算及实验验证.张卫军等^[3]对推钢式加热炉内浓度场进行了数值计算, 结果表明, 适当改进炉体结构增加回流有助于提高加热效率.李治岷等^[4]提出了利用黑体中间辐射元件强化辐射效果的方法以达到节能的目的, 并进行了基本科学解释与实验, 结果表明黑体辐射技术可以在传统加热炉结构基础上节能20%~30%.Meier等^[5]在电弧炉基础上开发了考虑电化学反应及电极几何形变的辐射模型, 并根据粉尘负荷及气体灰度对其进行修正.Qi等^[6]对传统步进式加热炉内燃烧及NO_x生成反应进行研究, 建立了综合考虑流动与传热传质等因素的NO_x求解的数学模型.Han等^[7]采用有限体积法对步进式加热炉内的辐射特性进行预测, 采用WSGGM灰体加权模型对炉气灰度进行计算, 分析了钢坯在加热炉内停留时间对钢坯加热效果的影响, 并以曲线形式给出结论.Khlevnoy等^[8]开发了两种形态的石墨黑体材料, 并对其进行辐射性能测试, 测试结果显示热解石墨黑体加热器应用于熔炉内对提高加热器寿命及加热效果均有好处.Jung等^[9]对加热炉钢坯加热过程中钢坯表面氧化层的形成过程进行了研究, 并结合DOSCO公司实验结果进行验证, 得出加热炉内钢坯表面加热过程中形成的氧化层会严重影响传热效率的结论.Sadiq等^[10]开发了基于灰体假设的加热炉内辐射传热模型, 并根据实验结果提出钢坯表面发射率与理论值不符, 并在辐射方程中引入修正因子以校准钢坯表面由高温氧化带来的辐射屏蔽影响.Liu等^[11]对多种不同燃烧气氛下钢坯的加热效果进行了数值计算，建立了基于实验数据研发的数学计算模型.Elmabrouk^[12]以辐射热管加热改善金属元器件质量为研究对象, 进行了物理实验与CFD模拟计算分析优化燃烧辐射管内的传热传质过程，通过热回收与多级燃烧技术有效提升了辐射热管的加热效率.Qi等^[13]对碳氢化合物在燃烧初段的反应机理及对气体吸收性的影响进行了分析计算, 以统计学窄谱带模型(SNB)及串行计算方法(LBL)对乙烯在空气中的燃烧进行了计算, 结果表明燃烧过程中产生的C₂H₂和CO对气体辐射的影响分别为33%，14%.
在前人研究基础上, 本文建立了具有中间辐射体的室状加热炉, 在数学模型方面进行改进, 充分考虑湍流流动带来的燃烧变化, 结合室状加热炉模型对炉内流动、传热、燃烧情况采用三维瞬态弱耦合方法进行数值分析计算, 通过实验对该数学模型进行验证, 在此模型基础上对具有中间辐射体的室状加热炉多物理场进行计算, 从而获得中间辐射体对强化板坯表面换热的影响途径与效果.该数学模型对探究中间辐射体对炉内多物理场的影响具有基础研究意义.
1 数学模型与基本假设1.1 物理模型及边界条件加热炉加热钢坯的过程是一个复杂的燃烧传热过程, 从炉膛预热到加热钢坯均在高温燃烧环境下进行, 本文对室状加热炉内的台车、支架等对燃烧传热过程无关的附加结构进行简化, 保留了烧嘴位置、炉体尺寸等燃烧过程中不可或缺的部分, 旨在直接寻求中间辐射体对加热效果的影响.在原有室状加热炉的结构基础上建立了具有中间辐射体的室状加热炉计算模型, 除顶部辐射体外, 其他几何参数均相同(见图 1).
图 1(Fig. 1)

图 1 加热炉几何模型Fig.1 The geometric model of heating furnace (a)—常规室状加热炉几何模型；(b)—具有中间辐射体室状加热炉几何模型.

中间辐射体通常有梯形、楔形、矩形等多种形状, 本文建立的室状加热炉模型顶部采用两根矩形带状辐射体, 并根据几何特征将中间辐射体简化为依附于顶部壁面的矩形隆起, 其尺寸为4 m×0.1 m×0.1 m.出于安全考虑, 略微降低了烧嘴处预混燃气的喷射速度.本文的计算内容主要为流体流动、燃烧、传热等, 采用基于Fluent平台的有限体积法进行计算, 为了更好地适应有限体积法的计算需求, 模型网格全部采用六面体网格划分, 对中间辐射体、烧嘴等位置进行局部网格加密, 差分格式为二阶中心差分.经网格无关性验证后划分总网格数约60万.加热炉边界条件如下: 炉膛燃烧室尺寸为6 m×1.5 m×1 m; 燃烧室侧壁均匀分布6个烧嘴, 平均间隔1.5 m, 烧嘴直径0.01 m; 燃气流速3.5 m/s, 燃料组分主要为甲烷，体积分数85%, 乙烷、丙烷体积分数分别为9%, 6%;钢坯密度为8.03×10³ kg/m³, 比热容为502.48 J/(kg·K), 导热系数为16.27 W/(m·K).
为简化计算, 本文进行如下假设: ①假定湍流混合控制化学反应速度, 忽略时间尺度的影响, 因此避免Arrhenius化学动力学计算.②使用Methane-air一步反应机制对燃烧进行建模, 并在反应物中添加乙烷与丙烷, 忽略中间反应产生的CO部分, 使用涡耗模型考虑湍流-化学相互作用.③壁面反射假定全部为漫反射.④燃烧气体及炉体内壁面假定为灰体.⑤忽略氧化钢坯表面的氧化过程.⑥不考虑炉内由于密封不严及炉膛内外温差带来的温度变化.⑦由于气体本身质量较小, 忽略气体重力.
本文数学模型结合了燃气流动、混合、化学反应、热对流、热辐射等多种复杂物理过程建立了描述炉体燃烧室内传热传质过程的三维数学模型.首先根据原炉体的实验数据对模型的准确性进行验证, 随后基于数学模型对中间辐射体在传热传质过程中的影响机理进行分析, 为加热炉的节能改造提供指导意义.
1.2 流动模型加热炉内流动涉及情况复杂, 本文采用雷诺时均法(RANS)对N-S方程进行求解, 采用二阶迎风差分进行离散.由于连续性方程、动量方程、能量方程等在数值格式上存在相似性, 采用通式表达:

(1)

式中：ρ为不可压缩流体假设下的流体密度; φ为广义因变量, 当φ=1时式(1)为连续性方程, 当φ为某方向上的速度矢量分量时, 式(1)为该方向上的动量守恒方程, 当φ赋值为质量分数时, 式(1)为质量守恒方程; u_i为x, y, z三个方向上的速度分量; Γ_φ为广义扩散系数; S_φ为广义源项.
根据加热炉实验经验, 加热炉内流动情况采用realizable k－ε模型进行计算, 壁面附近采用增强壁面函数.
湍动能k表示为

(2)

耗散速率ε表示为

(3)

湍流黏度μ_t表示为

(4)

式中: μ为流体的动力黏度；G_k为速度梯度导致的湍动能; G_b为浮升力导致的湍动能; Y_M表示流体波动扩张对耗散率的影响; C_1ε，C_2ε和C_3ε为经验常数, 通常C_1ε=1.44，C_2ε=1.92, C_3ε=1，C_μ=0.09, σ_k=1.0, σ_ε=1.3, σ_k和σ_ε分别是湍动能与耗散率对应的普朗特数; S_k和S_ε为考虑其他影响因素的湍动能与耗散率的自定义源项.
1.3 燃烧模型燃烧模型化学反应部分由组分输运模型确定, 组分输运模型主要基于各成分的对流、扩散、反应来确定守恒方程, 对流-扩散守恒方程表示如下:

(5)

式中：w_i代表各物质的质量分数; R_i为生成物的净生成速率; S_i为自定义反应过程的生成物产生速率; J_i为湍流状态下生成物的扩散通量; v为反应物速度矢量.在本文的数学模型中, 化学反应发生时间尺度小于湍流流动的时间尺度, 且考虑到计算的经济性, 采用考虑湍流时间尺度的涡耗散模型进行计算, 从而避免化学反应动力学的计算, 节约计算时间.基于湍流流动的化学反应生成物模型^[11]如下:

(6)

(7)

式中：R_{i, r}为由不同反应r产生的生成物i的净生成速率；v′_{i, r}为由不同反应r产生的生成物质i的化学计量数；M_{w, i}为生成物质i的摩尔质量；w_j为不同反应物的质量分数；v′_{j, r}为参与不同反应r中的反应物j的化学计量数；M_{w, j}为反应物j的摩尔质量；A=4.0，B=0.5为经验修正常数.R_{i, r}的最终取值由式(6)和式(7)计算结果较小者决定.
1.4 辐射模型加热炉内由于温度较高, 根据Stefan－Boltzman定律, 温度与热通量存在四次方关系, 热辐射在炉内换热中占据主导地位, 因此准确地进行辐射换热的计算也不可或缺, 出于节省计算资源考虑, 本文选取P－1辐射模型进行辐射计算, 传热基本方程表达式如下:

(8)

其中: r为位置矢量; s为方向矢量; s′为散射方向矢量; l为射线行程; a为吸收系数; n为折射率; σ_s为散射系数; σ为Stefan－Boltzman常数(5.669×10^－8 W/m²·K⁴)；I代表辐射强度; Φ代表相位角函数; Ω代表空间立体角.

(9)

其中: q_r为辐射热流；α为吸收系数; C为线性各向异性相位函数系数; G为入射辐射.P－1辐射模型综合考虑了散射的影响, 并且适用于光学厚度范围较广.
2 计算结果与分析2.1 出口温度与实验验证根据实验条件建立了如前文所述实验室规模室状炉, 并根据出口烟气温度对计算结果进行验证, 因采取瞬态算法进行计算, 数值计算结果显示烟气出口截面温度分布不均, 需对其结果进行二次数据处理, 选取出口截面长度方向上的中心线提取数据进行加权平均后与实验测量值进行对比, 比较结果如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 计算结果的实验验证Fig.2 Experimental verification of calculation result

由图 2可看出, 烟气出口温度与数值计算结果趋势基本相同, 计算误差较小, 经计算后最大温差不超过50 K, 考虑到实验条件不可避免地产生热损失, 数据对比结果可以证明本文数学模型对计算分析的可靠性.
2.2 流动分布与火焰形状依据加热炉点火基本流程, 本文将数值模拟过程简化为预混阶段与点火阶段.在室状炉预混阶段, 首先向炉膛内吹入燃气, 5~10 min后观察燃烧室内流动分布(见图 3), 并点火进入点火阶段, 燃烧稳定后观察火焰形状(见图 4).
图 3(Fig. 3)

图 3 炉内燃气流动状态Fig.3 Gas flow state in furnace (a)—常规室状加热炉内流场分布；(b)—具有中间辐射体室状加热炉流场分布.

图 4(Fig. 4)

图 4 燃烧火焰形状Fig.4 Burning flame shape (a)—常规室状加热炉火焰形状；(b)—具有中间辐射体室状加热炉火焰形状.

图 3展示了将燃料与空气以1.15过量空气系数预混并预热至500 K经炉体两侧共6个混合烧嘴高速喷入燃烧室内, 燃气进入燃烧室后充分混合, 并在内部产生强对流, 在炉体中心处高速混合并形成向炉顶及炉底方向运动的漩涡, 炉膛内部的高速对流使炉内浓度分布更加均匀.
图 4展示了烧嘴纵截面燃烧过程中的火焰形状, 在中间辐射体带来流动的扰动下, 根据前文的流场计算结果, 气体喷入燃烧室内后在燃烧室中心处强对流, 由于中间辐射体的存在改变了流场分布, 产生一部分由炉顶向下的速度分量, 使炉体死角处产生漩涡, 并促使烟气带动新喷射入炉膛的气体向上卷积, 从而扩大了火焰的面积, 使得火焰进入炉内燃烧更快且高温区范围更大, 炉内温度分布更加均匀, 但由于中间辐射体的存在, 使得炉内容积略微减少且更大的火焰面积也导致了火焰外焰的最高温度降低了20 K.
2.3 中间辐射体对钢坯加热速度的影响在评估加热炉工作能力的各项指标中, 钢坯加热速度是最重要的, 其直接影响了加热炉的工作效率与节能效果, 本文将两种结构下钢坯加热的模拟结果进行分析, 图 5展示了0~90 min加热炉内预热阶段炉内温度变化, 炉内温度由以炉体中心点为中心建立的0.5 m×0.5 m×0.5 m的立方体顶点及各边中点取值并求均值, 图 6展示了温度为300 K钢坯进入加热炉后0~90 min内钢坯加热的表面温度变化.
图 5(Fig. 5)

图 5 炉内预热温度变化Fig.5 Evolution of preheating temperature in the furnace

图 6(Fig. 6)

图 6 钢坯加热温度变化Fig.6 Evolution of slab heating temperature

结果显示: 在加热炉预热阶段(见图 5), 具有中间辐射体的炉体升温较慢, 炉内预热需70 min, 炉内稳定后炉温为1 650 K, 而原炉体在60 min时即达到了稳定炉温, 但炉温仅有1 590 K.由于中间辐射体在预热阶段需额外吸收一部分热量, 导致相同的热源加热条件下, 炉体升温较慢, 但当中间辐射体的温度达到稳定后, 会向炉内低温区域辐射热量, 从而提升炉内的平均温度, 改善炉内温度分布的均匀性.在加热钢坯阶段(见图 6), 由于中间辐射体的存在, 炉膛内壁相对钢坯的比表面积增加了约6%，炉膛燃烧室内的系统黑度增加了约7.8%, 炉内固体壁面对常温钢坯的辐射热通量增加, 从固体辐射角度增加了钢坯接收的辐射热通量.另外, 由于在预热阶段, 中间辐射体对炉内的低温区域产生良好的预热效果, 高温烟气的平均温度提升, 对钢坯的平均温差增加, 根据辐射的四次方定律, 气体辐射热通量也会增加.因此根据图 6显示的结果, 中间辐射体的加入, 使钢坯表面分别在气体辐射热流与固体壁面辐射热流两方面得到加强, 钢坯加热速度提升了16.7%.
3 结论1) 使用流动－燃烧－传热三维耦合模型对两种条件下加热炉内传热传质情况进行模拟计算.模型综合考虑了炉内流动对气体辐射的扰动、炉墙内壁面的温度分布对钢坯表面热流的影响，以及高温烟气与钢坯表面存在的对流换热, 并通过实验结果对原室状炉体燃烧情况进行验证, 数学模型的计算误差为30 K左右.
2) 中间辐射体的存在改变了燃烧室内流动分布情况, 促进了燃料的充分燃烧, 增加了燃气高温区域, 炉温提升了约100 K, 增强了燃烧室内燃气对钢坯的辐射强度, 在初始阶段由于气体和固体间存在较大的温差, 且由中间辐射体带来的流动扰动使钢坯表面流速增加也对换热效果存在一定积极影响.
3) 顶部中间辐射体为近似黑体, 在充分预热后为炉内环境提供了稳定的辐射热源, 相对钢坯表面的比表面积增加了6%, 加热速度提升了16.7%.
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