【正文】 流煙氣影響產(chǎn)生偏移形成有利制品換熱的流體循環(huán)。陶瓷燒成工藝技術(shù)的提高和發(fā)展需要依耐窯爐的發(fā)展來(lái)實(shí)現(xiàn)，而窯爐設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)又必然促進(jìn)陶瓷燒成技術(shù)的發(fā)展。主要用于陶瓷磚、日用陶瓷、衛(wèi)生潔具等陶瓷制品的生產(chǎn)?，F(xiàn)如今則有了隧道窯、輥道窯等各式各樣的窯爐。世界上最先將輥道窯燒成技術(shù)應(yīng)用到建筑陶瓷和衛(wèi)生潔具陶瓷上的國(guó)家是蘇聯(lián)，臨近70年代時(shí)，蘇聯(lián)建筑陶瓷科學(xué)研究院設(shè)計(jì)出許多類型的輥道窯，將其應(yīng)用到建筑陶瓷工業(yè)等領(lǐng)域，借此取得了巨大的成功。80年代初期我國(guó)著名陶瓷爐窯專家劉振群教授對(duì)陶瓷爐窯提出了“輕體化、煤氣化、輥道化、自動(dòng)化”的現(xiàn)代化目標(biāo),指出輥道窯代表先進(jìn)陶瓷爐窯生產(chǎn)技術(shù)，我國(guó)雖然已成功建立陶瓷輥道窯生產(chǎn)線，但與西方輥道窯技術(shù)相比差距仍然較大。等在控制系統(tǒng)選用方面對(duì)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩種控制方式進(jìn)行了比較研究，認(rèn)為神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)在輥道窯溫度控制上全面優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，但該研究的不足在于研究成果并未經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)[[] Nguyen Quoc Dinh, Nitin V. Afzulpurkar. Neurofuzzy MIMO nonlinear control for ceramic roller kiln[J]. Simulation Modelling Practice and Theory, 2007,15:12391258.]。在基礎(chǔ)傳熱研究方面，胡國(guó)林、胡曦等人對(duì)輥道窯內(nèi)壁溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬， 得出輥道窯預(yù)熱帶與燒成帶的內(nèi)壁溫度比制品溫度高的定量結(jié)論，證實(shí)了輥道窯內(nèi)壁溫度比制品表面溫度高這一猜想[[] 胡國(guó)林，[J].陶瓷學(xué)報(bào)，2000，21(1)：3236.]。童劍輝、汪和平對(duì)輥道窯內(nèi)閘板的結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)熱帶中煙氣流動(dòng)的影響效果進(jìn)行了一些研究。 綜上可知，對(duì)于燃料入口速度和空燃比對(duì)輥道窯燒成帶內(nèi)溫度場(chǎng)的影響方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究資料較少，本研究重點(diǎn)探尋這兩個(gè)因素對(duì)燒成帶溫度場(chǎng)的影響，以期獲得最優(yōu)操作參數(shù)。輥道窯采用輥棒傳動(dòng)來(lái)進(jìn)行連續(xù)式生產(chǎn)，沒有使用窯車、匣缽，與傳統(tǒng)隧道窯相比，減少了因窯車運(yùn)動(dòng)所帶走的一部分熱量而產(chǎn)生的熱能損失，從而提升了熱效率；并且由于沒有使用窯車，輥棒上下均可加熱，窯內(nèi)溫差較隧道窯、梭式窯小，溫度分布更加均勻，在很大程度上減小了產(chǎn)品的燒成周期，為實(shí)現(xiàn)窯爐高效節(jié)能環(huán)保奠定了基本條件。 研究?jī)?nèi)容 本文主要針對(duì)衛(wèi)生陶瓷輥道窯燒成帶內(nèi)溫度均勻性較差的問(wèn)題進(jìn)行研究，研究工作以工程熱力學(xué)、流體力學(xué)和溫度場(chǎng)理論等理論知識(shí)為基礎(chǔ)，借助Fluent流體力學(xué)模擬軟件，建立輥道窯燒成帶仿真模型，得出有利于輥道窯窯內(nèi)溫度均勻性的最優(yōu)燃料入口速度、空燃比等工藝控制參數(shù)，為生產(chǎn)實(shí)踐及窯爐的自動(dòng)控制提供有效的指導(dǎo)。 第2章 衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理 本文以湖南臨澧某陶瓷廠一44m衛(wèi)生潔具輥道窯燒成帶為研究對(duì)象，輥道窯實(shí)物圖如圖21所示。（1）窯墻窯墻外部包有45mm的薄鋼板結(jié)構(gòu)?？紤]到該衛(wèi)生潔具輥道窯工作溫度并非很高，采用和窯墻同樣的材料也能滿足要求，故本著節(jié)約簡(jiǎn)便的原則，該型輥道窯窯頂最里層使用250mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用140mm厚耐火纖維，最外層包裹含鋯針刺保溫氈、高鋁針刺保溫氈及硅酸鋁纖維保溫毯(板)等保溫層。該型輥道窯燒成帶窯底采用三層結(jié)構(gòu)，最里層使用134mm厚的高溫聚輕莫來(lái)石質(zhì)絕熱磚，中間使用67mm厚耐火纖維，最外層填充134mm厚輕質(zhì)粘土。（5）燒嘴輥棒將窯內(nèi)空間分為上下兩個(gè)通道，燒嘴交錯(cuò)布置在窯墻輥棒下方兩側(cè)，本課題研究的輥道窯為新型節(jié)能輥道窯，使用的燃料為天然氣。（7）制作物理模型時(shí)可忽略的附屬結(jié)構(gòu)測(cè)溫孔:主要用于對(duì)溫控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于使?fàn)t窯按照預(yù)定的燒制程序?qū)μ沾芍破愤M(jìn)行燒制。爐窯運(yùn)行時(shí)有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)輥棒折斷，制品掉落甚至發(fā)生倒窯事故。其與事故處理孔一樣在模擬工況時(shí)可忽略。制品的前進(jìn)方向與窯內(nèi)煙氣流動(dòng)方向相反。 第3章 輥道窯燒成帶數(shù)學(xué)模型的建立陶瓷制品在輥道窯燒成帶中的燒制過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的演變過(guò)程，其涉及到流體運(yùn)動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等復(fù)雜的物理變化過(guò)程，同時(shí)還伴隨有不同的化學(xué)反應(yīng)與變化。 簡(jiǎn)化與假設(shè)為便于幾何模型的建立，合理利用計(jì)算資源，對(duì)輥道窯窯體的建立以及計(jì)算進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化與假設(shè)，具體如下：（1）陶瓷制品在輥棒間的傳動(dòng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，但由于設(shè)備配置無(wú)法滿足過(guò)高要求，對(duì)燒成帶內(nèi)的溫度場(chǎng)變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真較為困難，故在建模時(shí)忽略了輥棒，且只選取兩個(gè)特定的衛(wèi)生潔具來(lái)分析其各個(gè)表面的溫度分布特點(diǎn)。（5）忽略燒成過(guò)程中陶瓷制品內(nèi)因化學(xué)物理反應(yīng)產(chǎn)生的熱源對(duì)溫度場(chǎng)的變化影響，即在燒成過(guò)程中不考慮制品內(nèi)熱源問(wèn)題。該模型窯長(zhǎng)1000mm、窯內(nèi)空寬1220mm、窯內(nèi)空高1194mm，輥棒下側(cè)交錯(cuò)布置兩個(gè)垂直于窯墻的燒嘴，每?jī)蓚€(gè)交錯(cuò)燒嘴間距為250mm，燒嘴距窯體兩端間距也為250mm，擋火墻在窯底,高198mm。 數(shù)學(xué)模型和解析域數(shù)學(xué)建模是基于計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)而建立起來(lái)的熱工理論，數(shù)值模擬的核心部分就是建立合理的數(shù)學(xué)模型。（2）能量守恒方程能量守恒定律是熱力學(xué)第一定律在流體力學(xué)中的具體表現(xiàn),即控制體中凈熱流率與體積力、表面力對(duì)體系作功功率之和等于流體內(nèi)能量的增加率。湍流數(shù)值模擬有很多種類，Reynolds平均法(RANS)在工程應(yīng)用上效果良好。爐窯內(nèi)的天然氣能否充分燃燒，對(duì)陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量和輥道窯的能源利用率評(píng)估有著重要的影響。其能量方程為： （36）公式（36）中，為氣體密度；為氣體焓熵；為氣體源項(xiàng)。模型主要適合于大尺度的輻射計(jì)算，其主要思想是把輻射強(qiáng)度展開為正交；離散坐標(biāo)模型是從有限個(gè)立體角發(fā)出的傳播方程出發(fā)進(jìn)行求解，每個(gè)立體角對(duì)應(yīng)著坐標(biāo)系下的固定的方向角，該模型把方程轉(zhuǎn)化為空間坐標(biāo)系下的輻射強(qiáng)度的輸運(yùn)方程[[] [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014，5：2728.]。綜上所述，本研究所建立的輥道窯燒成帶模型選擇采用輻射模型。因此該模型的解析域包含燒嘴燃?xì)鈪^(qū)域、爐膛煙氣區(qū)域、陶瓷制品區(qū)域三個(gè)部分。區(qū)域離散化也被稱為網(wǎng)格生成，計(jì)算過(guò)程中待求的參數(shù)就是通過(guò)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)傳遞的，所以網(wǎng)格與算法對(duì)傳遞過(guò)程中的數(shù)值仿真結(jié)果的最終精度與計(jì)算過(guò)程的效率有著重要影響，網(wǎng)格的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果[[] Filipiak M. Mesh Generation(Version 10). Edinburgh Parallel ComputingCentre, The University of Edinburgh, 2006.]。其中坯體、爐窯壁面、爐膛和出煙口使用結(jié)構(gòu)化六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分；燒嘴比較特殊，由于其結(jié)構(gòu)為圓柱體，先將其進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蟹?，然后再使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)化分。本研究所建立的模型的控制方程都是偏微分方程，如果直接計(jì)算解析解，計(jì)算量巨大，所以采用離散法求解十分有效。一階迎風(fēng)格式誤差較高，適用于密集的網(wǎng)格條件或較低的精度要求條件，但其計(jì)算容易收斂；二階迎風(fēng)格式比一階迎風(fēng)格式精度更高，計(jì)算更加穩(wěn)定，對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)而言，可以獲得更為精確的結(jié)果，但其計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備要求更高。SIMPLE算法是分離式求解法中的一種算法，主要用于求解不可壓縮流動(dòng)，較少用于求解可壓縮流動(dòng)，這種算法現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用在流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的數(shù)值模擬上。第4章 輥道窯燒成帶基準(zhǔn)工況數(shù)值模擬輥道窯燒成帶內(nèi)溫度比較高,一般在1200K以上，一般測(cè)量方法很難得到整個(gè)爐窯內(nèi)的物理特性分布情況。主要內(nèi)容如下：（1） 分析基準(zhǔn)工況下的窯內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的分布特性；（2） 分析陶瓷制品表面溫度分布均勻性，并比較兩塊陶瓷制品之間的區(qū)別。求解時(shí)，需要注意離散化格式、收斂性和穩(wěn)定性控制、算法的松弛因子以及數(shù)學(xué)模型的選擇等求解方法對(duì)最終結(jié)果的影響[[] [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2014，5：3031.]。 窯壁邊界條件及物性參數(shù)窯壁主要包括燒成帶爐膛內(nèi)墻面、擋火墻和陶瓷坯體外表面?！?）： +104輥道窯墻面邊界條件釆用第一類邊界條件，窯體外墻面溫度設(shè)為300K (，為了便于計(jì)算取整300K)。表42 爐膛進(jìn)、出口邊界條件屬性天然氣入口空氣入口爐膛出口速度流量（m/s）/溫度（K）300300/壓力（Pa）150015003湍流強(qiáng)度（%）555水力直徑（m）根據(jù)之前預(yù)定，本研究選擇Realizable湍流模型。由第3章可知，本研究采用的輻射模型為輻射換熱模型。求進(jìn)行解時(shí)，連續(xù)性方程的迭代殘差取，能量、密度等方程的迭代殘差取。相對(duì)誤差計(jì)算公式為：具體數(shù)據(jù)如下表所示：表43 模擬值與實(shí)測(cè)值誤差分析表編號(hào)（坐標(biāo)mm）模擬值實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差A(yù)（0，605，804）12811255%B（0，605，804）12721251%測(cè)溫點(diǎn)坐標(biāo)分別為A和B（A、B兩點(diǎn)在實(shí)際條件下容易測(cè)量到數(shù)據(jù)）。截取燒嘴中心位置的XY截面的矢量圖如圖41所示，然后在輥道窯寬度方向截取X=177。燒嘴中噴出的射流主體部分流動(dòng)到到窯壁后方向出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，且兩個(gè)燒嘴形成的射流主體部分流動(dòng)方向相反，在流動(dòng)到窯壁后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)方向也相反，使得兩對(duì)射流主體部分產(chǎn)生了循環(huán)。除此之外，混合氣體在燒嘴磚內(nèi)吸熱迅速升溫，導(dǎo)致氣體內(nèi)能激增而迅速膨脹，其速度最高超過(guò)10m/s，促進(jìn)了煙氣與陶瓷制品的換熱。爐膛內(nèi)氣流速度大部分小于1m/s，氣流運(yùn)動(dòng)較慢，煙氣在爐膛內(nèi)的滯留時(shí)間較長(zhǎng)，這有利于提高燒成帶的溫度場(chǎng)均勻性。(K)分布等值線圖圖46 Y=0中心截面溫度(K)分布等值線圖圖4圖45和圖46為在輥道窯燒成帶計(jì)算模型中選取的三個(gè)特殊截面上的溫度分布等值線圖，通過(guò)分析這三張溫度分布云圖，可以了解輥道窯燒成帶內(nèi)的具體溫度分布特性。由于受到窯爐出口附近的煙氣主流影響，靠近出口方向的燒嘴噴出的射流發(fā)生的偏移更加明顯。由圖46可知，在爐窯的中心垂直截面上，爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)分布比較均勻，部分區(qū)域由于燒嘴的射流火焰影響有所提高。 Technology, 1997,31, 25342539.]對(duì)陶瓷制品外表面的溫度分布均勻性進(jìn)行評(píng)估。它是一個(gè)無(wú)量綱量。 陶瓷制品外表面溫度分布首先設(shè)定兩個(gè)陶瓷制品分別為制品壹、制品貳，然后分別命名兩個(gè)坯體的六個(gè)面為面和面，如圖47所示。表44 陶瓷制品（壹）各測(cè)溫點(diǎn)溫度值（單位：K）測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)溫點(diǎn)溫度111781120811211112041120711206211722121421207212022120221211311653121131204312073119831214411714120641199411994119541211511815119651192512085118851209611846119261188612026118361207711897118871185712027118171203811968118581181812068117781208911799120191196912049118991211101177101208101210101203101205101212111173111216111206111205111200111207121165121212121202121206121199121213131170131205131197131198131196131216141179141217141190141211141191141215151183151193151185151209151185151211161187161187161182161203161179161212171193171183171178171206171174171209平均值117912011195120411911210在基礎(chǔ)工況和初始燃料入口速度和空燃比條件下，測(cè)得的陶瓷制品壹、貳的外表面最高溫度分別為1216K和1214K，最低溫度分別為1165K和1175K；且兩個(gè)陶瓷制品的后表面的平均溫度最高，前表面的平均溫度最低，極大與極小溫差分別為51K、39K，都比兩個(gè)陶瓷制品外表面平均溫度的5%（）要小，說(shuō)明該輥道窯對(duì)陶瓷制品的燒制效果都比較好。 陶瓷制品外表面溫度均勻性分析與評(píng)價(jià)根據(jù)章節(jié)（）介紹的溫度分布均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算表43和44的數(shù)據(jù)可得：。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，陶瓷制品貳的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都要優(yōu)于陶瓷制品壹，這表明陶瓷制品貳的外表面溫度分布均勻性要比陶瓷制品壹好一些。(2)火焰附近溫度分布處于1500K1800K之間，輥道窯爐膛內(nèi)除煙氣出口附近的溫度分布受回流影響呈現(xiàn)梯度分布外，其余區(qū)域的氣流溫度一般在1200K1400K