基于CFD的夹套式热风炉结构优化.pdf

2023年8月机电技术机电技术基于基于CFD的夹套式热风炉结构优化的夹套式热风炉结构优化韩 雨（福建南方路面机械股份有限公司，福建 泉州 362000）摘要提高热风炉性能对于保证热系统稳定、高效运行以及实现经济绿色发展具有重要意义。文章建立了夹套式热风炉与燃烧器的三维模型，借助计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）软件ANSYS Fluent进行燃烧与混合数值模拟，分析了热风炉部分壁面温度偏高的原因，并以速度场、温度场和压力为指标，对热风炉进行结构优化。结果表明：热风炉出口热风回流是导致壁面温度偏高的主要原因；通过增加一级辅助烟道进行低温烟气流量分配，解决了出口热风回流问题，从而使壁面温度显著降低；当一级辅助烟道烟气量占比为10%时，热风炉综合性能较好。关键词热风炉；数值模拟；结构优化中图分类号：TK175文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-058-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.018作者简介：韩雨（1991），男，工程师，硕士，主要从事工程机械流体仿真分析工作。热风炉是沥青路面机械的重要组成部分1-3，其主要作用是为沥青加热系统提供高温热风。夹套式热风炉的工作原理如下：燃料和助燃空气通过对应的管道进入燃烧器，通过燃烧器点火后输送到热风炉中充分燃烧；通过辅助烟道将低温烟气输送到热风炉中，低温烟气在炉膛和夹套近壁区形成低温气层，降低壁面温度，并通过多级夹套间隙与燃烧烟气逐渐混合形成高温热风。优化热风炉结构、提高热风炉性能一直是重点研究方向。热风炉内的燃烧和混合过程涉及复杂的物理和化学现象，包括燃烧反应、对流、传热等。随着计算机数值模拟技术的发展，CFD成为一种十分有效的研究方法。张劲松4通过对夹套式热风炉三次风的改向，将炉膛温度降低到7001200。祝浩钧等5利用CFD模拟技术对内燃式热风炉烟气中CO含量超标问题开展研究，在煤气通道中加入挡板来进行结构优化，并指出挡板倾斜角度为60时CO浓度下降最多。赵臣臣等6采用Fluent软件对热风炉燃烧和送风过程进行多次连续性模拟，分析了混烧不同比例的焦炉煤气对热风炉温度场的影响规律。目前，通过数值模拟技术分析夹套式热风炉结构温度偏高的原因并进行结构优化的研究很少。为此，本文建立了夹套式热风炉和燃烧器的三维模型，借助Fluent软件模拟得到热风炉速度场和温度场，分析结构高温的原因，并进行结构优化。1数值模拟1.1几何模型夹套式热风炉主要由炉膛、蜗壳、筒体、夹套等零部件组成，其和燃烧器组成的结构三维模型如图1所示。蜗壳上设置有辅助烟道，用于将回收的低温烟气输送到热风炉内。44=&71EF图1几何模型1.2数学模型热风炉内的燃烧过程比较复杂，包括传热、传质以及湍流和化学反应的相互作用等。本次模拟采用天然气作为燃料，燃料和助燃空气分别从燃气管道和空气通道进入燃烧器和热风炉内混合燃烧，属于非预混燃烧。热风炉辅助风切向进入筒体，属于强旋流。基于流体力学质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程7，综合考虑数值模拟的精度和耗时，湍流模型采用Realizable k-Model8，9，辐射模型采用离散坐标（DO）模型10，11，湍流与化学反应相互作用（Turbulence-Chemistry Interaction）采用有限速率/涡耗散58第4期模型11，12。化学反应采用甲烷五步反应机理，如下所示11：1)CH4+1.5O2 CO+2H2OR1=1015.22CH41.46O20.5217exp()-20643/T2)CO+0.5O2 CO2R2=1014.902CO1.6904O21.57exp()-11613/T3)CO2 CO+0.5O2R3=1014.349CO2exp()-62281/T4)N2+O2+CO 2NO+COR4=1023.946CO0.7211O24.0111exp()-53369/T5)N2+O2 2NOR5=1014.967T-0.5N2O20.5exp()-68899/T热风炉额定功率为18.6 MW/h，燃气成分为甲烷，流量为1.882103Nm3/h，温度为20。过量空气系数为1.2，助燃空气温度为20。辅助风采用烘干系统的回收烟气，组分见表1。辅助风总流量为8.554104Nm3/h，温度为65。出口边界条件设置为压力出口，静压为0 Pa。结构为钢材，壁面边界条件设置为无滑移壁面边界。内部结构设置耦合传热，发射率为0.66。外部壁面设置为绝热，发射率为0.8。表1辅助风烟气组分组分体积分数/%O29.545CO25.027H2O11.704N273.7251.3数值计算方法采用 ANSYS Workbench Meshing 对热风炉计算域进行网格划分。网格类型为六面体和四面体混合网格，对燃烧火焰区划分六面体网格。热风炉的整体网格和局部网格分别如图2a、2b所示。网格的 Skewness 不超过 0.88，并且大部分低于0.35。在ANSYS Fluent中将四面体网格转换成多面体网格，网格质量最低为0.37，网格数量为483万左右。（a）整体网格（b）燃烧器头罩附近网格图2热风炉网格模型在ANSYS Fluent求解方法中，选择压力-速度耦合的 Pseudo Transient 方法、PRESTO!压力插值方法、二阶迎风离散格式。2结果分析利用ANSYS Fluent软件，首先对热风炉原结构的燃烧与混合进行数值模拟，得到速度场、温度场。然后根据模拟结果对热风炉结构进行优化，并分析辅助烟道烟气量配比对热风炉性能的影响，确定合适的烟气量配比。2.1原结构分析模拟得到的热风炉内速度场如图3所示。从图3可以看出，从辅助烟道进入蜗壳的低温烟气形成强旋流，并通过夹套间隙进入热风炉燃烧混合区。燃烧混合区的低温烟气以较大的轴向速度沿夹套壁面附近旋转流动，导致热风炉出口形成大量热风回流。热风回流对燃烧烟气产生较大逆向冲击，导致燃烧烟气接触结构壁面。图3热风炉内速度场模拟得到的热风炉温度场如图4所示。从图4a4d可以看出，通过夹套间隙进入热风炉燃烧混合区的低温烟气在夹套内侧形成近壁区低温气层，降低夹套温度。一级夹套和二级夹套的最高（a）燃烧火焰（b）中截面温度场韩雨：基于CFD的夹套式热风炉结构优化592023年8月机电技术机电技术（c）炉膛和夹套壁面温度场（d）热风炉外壁面温度场图4热风炉温度场温度分别为967 K、912 K。受回流热风影响，高温火焰在炉膛和一级夹套连接处附近向外围扩散，在炉膛近壁区形成了1600 K左右的高温区，导致炉膛温度最高达到1235 K，高于内部结构温度设计值1073 K。端面板、燃烧器法兰、筒体外壁和蜗壳外壁的最高温度分别为1186 K、971 K、826 K和795 K，均高于外部结构温度设计值773 K。2.2结构优化针对热风炉存在的出口热风回流和结构壁面温度偏高的问题，在炉膛端面增加一级辅助烟道，并在端面板上设置进风孔。回收的低温烟气一部分通过炉膛一级辅助烟道进入炉膛内，另一部分通过蜗壳的二级辅助烟道进入夹套区。优化结构如图5所示。1MN4EF4EF图5热风炉优化结构设置一级辅助烟道烟气量占比为10%，模拟得到的热风炉速度场如图6所示。从图6可以看出，部分低温烟气进入炉膛端面后，在炉膛内侧和燃烧烟气之间形成旋转气流。通过一级辅助烟道分流，使热风炉中轴线附近轴向风速增加、壁面附近气流速度降低，避免了出口热风回流。图图6 6一级辅助烟道烟气量占比为一级辅助烟道烟气量占比为1010%的速度场的速度场模拟得到的热风炉温度场如图7所示。从图7a7d可以看出，部分低温烟气进入炉膛端面后，（a）燃烧火焰（c）炉膛和夹套壁面温度场（b）中截面温度场（d）热风炉外壁面温度场图7一级辅助烟道烟气量占比为10%的温度场60第4期在炉膛内侧形成近壁区低温气层。火焰射流形态未受到影响，高温火焰不会逆向扩散以及接触结构壁面。一级夹套和二级夹套的最高温度分别为983 K和835 K，没有明显改善。炉膛最高温度为957 K，降低了278 K，满足设计要求。端面板最高温度为704 K，降低了482 K，满足设计要求。燃烧器法兰最高温度为629 K，降低了342 K，满足设计要求。筒体外壁最高温度为629 K，降低了197 K，满足设计要求。蜗壳外壁最高温度为546 K，降低了249 K，满足设计要求。分别设置一级辅助烟道烟气量占比为 5%、15%、20%，模拟得到热风炉速度场如图 8 所示。从图 8a8c可以看出，几种烟气量配比下均无出口热风回流现象。模拟得到热风炉燃烧火焰如图9 所示。从图 9a9c 可以看出，几种烟气量配比下，火焰射流形态均未受到影响，高温火焰不会逆向扩散以及接触结构壁面。（a）一级辅助烟道烟气量占比为5%（b）一级辅助烟道烟气量占比为15%（c）一级辅助烟道烟气量占比为20%图8几种烟气量配比下的速度场不同一级辅助烟道烟气量占比下热风炉温度结果对比如图10所示。从图10可以看出，增加一级辅助风后，炉膛内壁、端面板、燃烧器法兰和蜗（a）一级辅助烟道烟气量占比为5%（b）一级辅助烟道烟气量占比为15%（c）一级辅助烟道烟气量占比为20%图9几种烟气量配比下的燃烧火焰壳外壁温度大幅降低；一级夹套、二级夹套和筒体外壁温度小幅降低。在有一级辅助风的情况下，随着一级辅助烟道烟气量占比的增大，一级夹套、二级夹套、炉膛内壁、筒体外壁、蜗壳外壁温度降低，端面板和燃烧器法兰温度升高。50060070080090010001100120013000%10%20%30%$/K4EFG44&71M#1图10几种烟气量配比下的燃烧火焰不同一级辅助烟道烟气量占比下一级、二级辅助烟道入口全压结果对比如图11所示。从图11可以看出，随着一级辅助烟道烟气量占比的增大，一级辅助烟道入口全压升高、二级辅助烟道入口全压降低，当一级辅助烟道烟气量占比为10%韩雨：基于CFD的夹套式热风炉结构优化612023年8月机电技术机电技术参考文献：1 韩国园.沥青路面就地热再生加热工艺及传热机理研究D.上海：同济大学，2004.2 李君璞，涂启明.间歇式沥青搅拌设备“贴”热再生料装置的设计J.筑路机械与施工机械化，2005（10）：13.3 福建南方路面机械股份有限公司.一种消除沥青搅拌站排气口水汽的热风炉装置：201921202481.9P.2020-05-19.4 张劲松.夹套式热风炉的改造J.有色金属（冶炼部分），2004（5）：46-48.5 祝浩钧，苏福永，康振，等.内燃式热风炉燃烧器结构优化J.中国冶金，2022，32（11）：128-134.6 赵臣臣，陈良玉.顶燃式热风炉周期性工作的数值模拟J.中国冶金，2021，31（5）：132-137.7 王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用M.北京：清华大学出版社，2004：7-11.8 SHIH T H,LIOU W W,SHABBIR A,et al.A new k-eddy viscosity model for high 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