玻璃熔窑蓄热室格子砖的热分析

陈国平

(陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安 710021)

格子砖是指蓄热室格子体的耐火砖材，用于热工设备烟气的余热回收。玻璃熔窑的蓄热室可采用标准砖砌成西门子式、李赫特式、编篮式等格子体，也可用八角筒形、十字砖形格子砖砌成的格子体。蓄热室在热烟气流入时格子砖处于加热期，烟气以辐射和对流方式传热。蓄热室在冷空气流入时格子砖处于冷却期，主要以对流方式预热空气。格子砖的壁面与中心的温度与格孔内气流的温度和速度、格子砖厚度、格子砖材质、换向时间(冷却或加热时间)等因素有关[1]。

因蓄热室格子体在加热期和冷却期的传热为非稳态传热，解析计算过程较为复杂，而采用数学模拟具有一定的优势。蔡建祥[2]对玻璃熔窑蓄热室进行了三维数值模拟，分析了改变格子砖厚度、格子砖材质、换向时间等因素对格子体温度与传热的影响。

ANSYS Workbench具有强大的结构、流体、热、电磁及其相互耦合分析功能。其中的热分析遵循能量守恒定律的平衡方程，用于计算系统或部件的温度分布及其他热物理参数，包括三种热传递方式：热传导、热对流和热辐射，还能分析相变、接触热阻及有内热源等问题。利用ANSYS Workbench非稳态传热模型求解玻璃熔窑蓄热室的格子砖传热非常有意义[3]。本文基于ANSYS Workbench热分析模拟软件，分析玻璃熔窑蓄热室冷却期时格子砖在不同厚度、换向时间、材质的温度分布，并与解析计算结果对比，取得了有益的结论。

1 格子砖传热解析计算

1.1 计算问题背景

针对一座玻璃熔窑蓄热室格子砖在冷却期非稳态条件下的传热计算。格子砖的厚度为65和40 mm。格子砖的材质为镁砖和粘土砖，冷却期时间为20和30 min，冷却期格子体上部的格子砖初始温度为1 125 ℃，空气温度设为900 ℃，砖表面的对流换热系数为9.0 W/(m2·K)。冷却期格子体下部的空气温度设为312.5 ℃，砖表面的对流换热系数为7.2 7 W/(m2·K)。

1.2 解析计算的简化与设定

格子砖传热计算可看作一维温度场在第三类边界条件下的不稳定导热过程，导热微分方程可简化为[4]

(1)

采用过余温度θ的概念来表示物体在任何瞬间的温度，即物体在任何瞬间的温度t与介质温度tf之差：

θ=t-tf

(2)

由于介质温度为常数，式(1)可改写为

(3)

初始条件：当τ=0时,θ=θ′

边界条件：当x=0或l处，有

(4)

对于式(1)可采用过余温度准数Θ、傅里叶准数Fo、毕渥准数Bi查阅有关无量纲图求解出。

对无限大平壁在恒温介质中的非稳态导热，可通过上述准数，得出壁面和中心处的过余温度准数式Θw，Θo，进而求得壁面温度tw和中心处的温度to。

2 格子砖传热模拟分析

格子砖传热模拟分析是利用ANSYS Workbench热分析软件，包括3个过程：①前处理，创建几何模型并划分网格；②加载和求解，施加材料载荷、边界条件并求解计算；③后处理，基本数据和导出数据。主要利用稳态传热和瞬时传热模型联立求解。

2.1 几何模型

蓄热室本身是由许多平行排列的通孔格子砖组成，而格子砖的对称性较好，因此格子砖传热模型做如下的假设[5]：

(1)高温烟气和预热空气在格子体截面上的气流分布均匀且流速相等，各孔内传热相同；

(2)格子砖及气体热物性仅为温度的函数，不考虑砖内相变过程；

(3)气流在格孔内与格子砖的传热主要是边界层传热，而气流平行方向孔格内的导热省略。

几何模型简化为二维长方形(见图1)，分为65 mm厚和40 mm厚两种模型。

图1 几何模型图

2.2 材料加载数据

镁砖体积密度为3 040 kg/m3，导热系数为3.7～4.3 W/(m·K)，比热容为0.94～1.22 kJ/(kg·K)。耐火粘土砖密度为2 070 kg/m3，导热系数为0.835～1.488 W/(m·K) ，比热容为0.84～0.914 kJ/(kg·K)。

2.3 网 格

模型采用四边形主导网格划分(见图2)。

图2 网格划分图

2.4 边界条件

边界条件是获取热分析结果的定解条件，边界条件有初始温度、对流换热系数、冷却介质温度等，边界条件与实际情况的近似程度对分析结果将产生很大影响。

计算前需先确定格子砖的初始温度、换热系数，即确定窑内壁表面温度，换热系数以及外壁的环境温度。这些属于第三类边界条件。图3 为模型边界设置图。

图3 模型边界设置图

3 后处理分析

3.1 非稳态传热结果

图4、图5分别为经过30 min冷却期后，格子体上部65 mm和40 mm厚格子砖的温度分布。

图4 65 mm厚格子体上部温度分布

图6、图7分别为经过30 min冷却期后，格子体下部65 mm和40 mm厚格子砖的温度分布。

图5 40 mm厚格子体上部温度分布

图6 65 mm厚格子体下部温度分布

图7 40 mm厚格子体下部温度分布

3.2 非稳态传热结果分析

(1)格子砖厚度。格子砖在不同厚度时的中心与壁面温度见表1。从表1可看出，解析计算结果与模拟结果十分接近，说明ANSYS Workbench热分析时适用的。格子砖厚度较小时壁面和中心温度降低较多。结合图4～图6结果可知格子砖中心温度大于壁面温度，冷却期时厚度减少壁面冷却较快。

表1 不同厚度格子砖的中心和壁面温度 ℃

图8和图9为利用ANSYS Workbench热分析制作的材料瞬时温度变化曲线图。可直观得出格子砖在不同厚度时随时间变化的温度曲线， 有利于掌握蓄热室格子砖的运行状况。从图8～图9可知，格子砖厚度减小时中心与壁面的温度差较小。格子砖厚度减小将使蓄热室的单位格子体换热面积增大，余热利用效率增高，提高空气的预热温度，增加窑炉火焰的温度。

图8 65 mm厚格子体上部中心与壁面随时间变化的温度曲线

图9 40 mm厚格子体上部中心与壁面随时间变化的温度曲线

(2)换向时间。表2为格子体上部镁质格子砖换向时间分别为30 min和20 min时的中心与壁面温度的模拟结果。换向时间越长，中心与壁面的温度越低。冷却时间过长，空气预热温度下降较多，将降低窑炉火焰温度，影响玻璃熔制生产。

表2 不同换向时间格子砖的中心与壁面温度 ℃

(3)格子砖材质。表3为格子体上部格子砖分别采用粘土砖和镁砖格子砖时，中心与壁面温度模拟结果。从表3中温度值看出，镁砖的中心与壁面温度降低较少，表明镁砖的蓄热能力超过粘土砖。

表3 不同材质时格子砖中心与壁面温度 ℃

4 结 论

(1)结果表明，用ANSYS Workbench热分析模拟结果与解析计算结果十分接近， 适用于格子砖传热计算。且模拟出瞬态温度变化有利于掌握蓄热室运行情况。

(2)换向时间越长，格子砖厚度越小，冷却期的格子砖温度降低越大。