辊道窑窑内温度场变化研究
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摘 要：由于辊道窑断面温度均匀、传热效率高、能耗低，已成为建陶企业普遍采用的烧成设备。目前，随着建陶企业的产量越来越大，窑炉也越建越长、截面愈来愈宽，但窑内温度也越来越难以控制，而由于窑内温度不均匀造成的诸如变形、色差等烧成缺陷也日趋严重。因此，如何均匀窑内温度、减小断面温差成为建陶企业最关心的问题之一。
关键词：辊道窑；温度均匀器；数值模拟；温度场
1 辊道窑温度均匀器的应用
辊道窑温度均匀器是一种新型窑内温度均匀装置，能有效地改善窑内（尤其是横断面）温度的均匀性，减少制品变形、色差等缺陷。温度均匀器如何能达到改善窑内温度的均匀性？了解这一点，对合理操作温度均匀器很有必要。
图1为窑体模型结构示意图。辊道窑温度均匀器一般安装在烧成带中的辊上（或辊下）空间。安装时先在烧成带窑墙两侧开圆形的孔洞，再放入调节器， 最后将其位置调平，调节器伸出窑外通过金属圆盘连接，其在窑墙间的空隙用耐火棉填实，以防止漏气。其中一端的圆盘通过轴承与轴承座固定，另一端圆盘通过轴承连接一手柄，调节器由两根辊棒组成。通过手柄调节改变装置上两辊棒在窑内的相对位置，改变窑内气流流动状态，从而改变温度分布，达到均匀窑温的目的。
2 物理结构模型及网格划分
2.1物理结构模型的简化
本文主要是研究辊道窑烧成带内垂直放置温度均匀器后，温度均匀器对窑内附近空间烟气温度场的影响。因此，窑体物理模型的长度只需在一、两节窑长范围内选取即可，而模型的高度和宽度以一般辊道窑的内高和内宽选取。本文中窑体模型结构尺寸为：长×内宽×内高=4000mm×2500mm×800mm。另外，考虑到窑内制品除离两侧窑墙有一定的间距（一般为100～200mm）外，它们之间的纵向和横向间隙很小，故可将其简化为一块长为窑长，宽为窑内宽减去两倍离窑墙间距的制品大整体，将窑内气流空间分成辊上、辊下两部分，其尺寸为：长×宽=4000mm×2300mm。由于温度均匀器装置中除辊棒外，其他部件对研究窑内气体流场没有任何影响，故模型中其他部件可忽略。均匀器辊棒结构尺寸为：长×直径=2500mm×50mm。经合理简化后，加入温度均匀器后的窑体模型结构如图2所示。
2.2网格划分
模型计算区域采用四面体非结构网格。窑内烟气经过温度均匀器的辊棒时会发生绕流，附近烟气速度场较大变化会导致温度场的变化。为了更合理地模拟放置温度均匀器后烟气的温度场，先对两辊棒四个圆端面的圆周曲线生成线网格，然后再生成体网格，实现对辊棒周围的网格局部加密，最后生成的网格总数为171029个。
3 窑内流动与换热的数学模型
窑内流动与换热的数学模型主要由基本控制方程、模型方程和边界条件等组成。另外，由于烧成带温度高（一般大于900℃），辐射换热占较大比例，故能量方程中的辐射源项S需要用辐射模型来模拟。
3.1基本控制方程
3.2紊流粘性模型和热辐射模型
紊流粘性模型采用标准κ-ε两方程紊流模型，该模型简单且计算方便，目前广泛应用在工程数值模拟计算中。紊流动能κ和紊流动能耗散率ε分别由下面输运方程（4）、（5）计算得到。另外，紊流粘度可表示成和的函数，即方程（6）。
其中：C=0.09，c1=1.44，c2=1.92，[k=1.0，\]=1.3。由于模型的几何结构不是很复杂，故热辐射模型采用计算机内存耗费不大且计算精度又能保证的P-1辐射模型，其模型方程如方程（7）：
3.3边界条件和数值方法
3.3.1边界条件
入口边界条件：给定烟气的流速（按经验设为0.2m/s）和温度（t=1200℃）。出口边界条件：给定烟气的表压（按经验设为3Pa）和温度（t=1190℃）。壁面及砖坯的边界条件：壁面和砖坯的流动条件设定为无滑移边界条件。辊道窑烧成带一般都采用隔热保温效果好的轻质耐火材料，故窑内壁热边界条件可设为绝热条件;而制品的设为热耦合热边界条件，只需设定一个参数：砖坯内部发射率（取ε=0.9）。
3.3.2数值方法
方程求解采用SIMPLEC方法。为增加计算精度，选用二阶迎风格式作为控制方程的离散格式，其中各方程的松弛因子采用默认值。所有参数设定完毕后，最后对方程迭代求解。
4 计算结果与分析
4.1垂直放置温度均匀器前后窑长方向的速度和温度分布
辊上空间垂直放置温度均匀器后，沿窑长方向的烟气流速较放置均匀器前的流速要小一点，但流速分布却比放置温度均匀器前的要均匀得多。这主要是因为辊上放置温度均匀器后，当烟气沿窑头方向流动经过均匀器辊棒时，烟气接触均匀器辊棒后发生绕流。在辊棒的后半部分，烟气的流动处在减速增压区，附面层发生分离，由于烧成带烟气流动为紊流，在辊棒的后端形成两个旋转方向相反的相对旋涡，并且不断地交替释放出来。从图4的速度分布图中看到，旋涡对周围的烟气产生不同程度的扰动，在辊棒后半部分烟气的下游附近，扰动尤为明显，这使得烟气之间和烟气与制品之间的对流换热得到进一步的加强，可以缩短烧成时间。另一方面，由于温度均匀器对烟气的扰动，使得窑内烟气的流速和温度分布更均匀，这对制品的受热均匀、减少色差和变形等缺陷是有好处的。
4.2垂直放置温度均匀器前后窑横断面速度和温度分布
由于烟气沿窑宽和窑高方向的流动受两侧窑墙、窑顶和制品的限制，当烟气流经均匀器辊棒发生绕流时，产生的气流旋涡对烟气在这两方向上的流动干扰更剧烈，使得均匀器附近断面上的温度和速度分布较放置均匀器前更均匀，有效地减小了窑宽方向上的温差，这对减少沿窑宽方向上的制品色差等烧成缺陷是有帮助的，尤其是宽断面辊道窑中的制品和大规格制品。另外，因制品离窑两侧的间距较窑内宽小很多，辊道空间被制品分成上下两个连通性较小的气流空间，结果均匀器对辊下空间烟气的温度和速度分布影响较小。因此，为了加强制品下表面气流与制品之间的对流换热和断面温度的均匀性，可在辊下也放置均匀器。但均匀器放置较多会增大烟气的流动阻力，加大排烟设备的动力消耗，因此放置的均匀器数量要适当，不可过多。
由于烟气经过均匀器辊棒发生绕流产生的旋涡强度有限，它只能对周围一定距离烟气的速度和温度起到比较明显的均匀作用，而对离它较远的气流速度和温度分布影响很小。
5 结 论
（1）数值模拟结果反映了垂直放置温度均匀器前后窑内温度场的变化和均匀器对不同方向温度和速度分布的影响；
（2） 放置均匀器后，烟气流过均匀器发生绕流产生的旋涡对周围的烟气扰动剧烈，加强了烟气之间和烟气同制品之间的对流换热，同时还使得窑内附近烟气的速度和温度分布更均匀，有助于减少色差等烧成缺陷；
（3） 由于绕流产生的气流旋涡强度有限，均匀器只能对周围一定距离的烟气速度和温度起到比较明显的均匀作用，而对离它较远的烟气速度和温度分布影响很小；
（4） 为了加强制品下表面气流与制品之间的对流换热和断面温度的均匀性，可在辊下也放置均匀器。但均匀器放置较多会增大烟气的流动阻力，加大排烟设备的动力消耗，因此放置的均匀器数量要适当，不可过多。
参考文献
[1] 曾令可，张明等.陶瓷辊道窑宽断面需解决的问题[J].中国陶瓷工业，2001，8（2）：26-28.
[2] 童剑辉，冯青.辊道窑烧成带气体流场与温度场的三维数值模拟[J].中国陶瓷，2006，42（10）：27-30.