漆包机烘炉循环风道温度均匀性的仿真优化研究

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Numerical Simulation and Optimization on Temperature Uniformity of Circular Air Duet in the 0ven for Enamel-covered MachineOU Jianping，LIAO Wengao，MA Aichun，DONG Hongli(School ofEnergy Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)Abstract：To improve the transverse temperature uniformity ofcircular air duct in the oven ofenamel-covered machine and meet the requi·-rement ofenameled wire production craft，the FLUENT software was used to simulate the temperature field，flow field and pressure fieldof the circular air duct in the oven for the enamel-covered machine RHW3600，then the main causes of uneven temperature distributionand high pressure loss in air duct was analyzed，and the design of duct structure was also optimized.Results indicate that divided ductmodel is helpful to the transverse temperature uniform ity of the oven，the pressure losses in air duct was decreased and the temperaturedistribution in the two flanks ofthe oven is improved with the guide bafle naowed properly in air uniform device，but the transverse tern-perature difference in air duct increases slightly.The transverse temperature uniformity ofthe oven can be improved effectively with guidebafl e at the horizontal segment of air uniform device exits and branch ducts entrances.Among the 4 schemes proposed in this papescheme D is the best scheme to improve temperature uniformity ofthe system.Compared with the real object model，the maximum tern·perature difference in air ducts and the pressure losses of scheme D are reduced by 7 K and 4.7 Pa respectively。

Key words：circular air duct；numerical simulation；hot air uniform ity；guide bafl e；pressure loss漆包线的生产主要经过放线、退火、涂漆、烘焙、冷却、收线等 6个工序，其中烘焙是影响漆包线生产质量的重要工序。其过程是导线经过涂漆后进入漆包机烘炉，经蒸发和固化后形成-层漆膜，再进行涂漆、烘焙，如此反复数次，便完成了漆包线的烘焙全过程。烘炉内温度过高或过低都会对漆包线质量产生影响，且漆包机头数较多，若烘炉内横向温度均匀性不好，则会导致烘焙过程中各头导线油漆颜色深浅不-，严重影响漆包线产品质量、生产效益以及能源利用效率。炉内温度分布及压力损失主要受烘炉循环风道内匀风装置结构形式的影响。目前我国漆包机的设计和生产厂家主要为规南小的民营企业，缺乏对烘炉设计的理论研究，对漆包机收稿日期：2013-03-15作者简介：欧俭平(197O-)，男，博士，副教授，研究方向为热工过程与设备的数值仿真与优化。

的研究主要为溶剂催化燃烧的改进、计算机控制系统等方面[1-9]，匀风装置设计及配风方案的确定等均靠经验，而目前将数值仿真技术运用到漆包机中以实现热风均匀性的研究尚少。本文运用FLUENT软件对漆包机烘炉循环风道匀风装置对炉内温度分布及压力损失的影响进行模拟分析，对其结构形式进行了优化，使热风分布更加均匀，并将通风阻力控制在合理范围内。

1 数学模型1.1 计算模型和网格划分RHW3600热风循环型卧式漆包机烘炉的简化结构如图 1所示。漆包线 (行线)上涂有油漆溶剂，进入烘炉底部炉膛蒸发段后溶剂蒸发并随着热风进入催化燃烧室，燃烧后的气体-部分经过排废风机排出烘炉，另-部分经循环风机进入循环风道，经过匀风装置及分风道，进2 童 扣 熟INDUST砌 AL HEATING2013年 第 42卷 第 3期VO1.42 NO.3 20l 3人炉膛以保证漆包线在固化段所需温度。漆包线的行进方向与热风流向相反，漆包线行进时所处的位置为 vV截面。漆包线烘焙要求横向最大温差不超过5 K，而匀风装置和风道结构 (图 1中粗线条部分)是影响烘炉横向温度分布的主要原因，故本文以此为研究对象，其网格划分如图2所示 (坐标原点为匀风装置中心)，考虑模型的复杂性，采用混合网格来划分[1训，共 182 888个网格。

行线方向进口风机 匀风装置、 分风道起点illl II1 风道- -- l热风进口 I Tr J。Ⅳ 、Il热风出口 、 ：-，r l l . 。

～ I lI - 于 遁蒸发段 底部蟊膛 T兀悃化段。I1 I图1 漆包机烘炉简化示意图图2 计算模型网格划分24条分风道尺寸如图3所示。

堡1. Q .I Q§I 鲤L .1 2l图3 漆包机烘炉分风道横截面尺寸 (mm)1.2 基本假设为保证计算的可行性和结果的可靠性，作以下简化和假设：(1)顿流体；(2)性 良好；将烟气视为各向同性、均匀连续的不可压缩牛不考虑风道漏风的影响，认为烘炉风道内气密(3)忽略漆包线行进过程中固化段吸热对系统温度场的影响。

1.3 控制方程在上述假设下，流动和传热的通用控制方程[ 如下：击(p (pv )岳(p∞ )击( )专( )岳( ㈩式中： 代表、v、W、 等求解变量；Jr为广义扩散系数；S为广义源项；P为流体密度；U、y、W分别代表 、Y、z方向的速度分量，rn/s。

控制方程包括连续性方程、动量方程及能量方程，各变量相应的表达式见表 1。

表 1 变量 厥 S的表达式表 1中：功 温度，K；P为压力，Pa； 为动力黏滞系数，N·s·m ； 为湍动能，m /s ；c为比热容，J/( ·K)。

1.4 边界条件(1)进口条件：定义进口边界为速度人口，12 m/s，进口温度为873 K；(2)出口条件：将热风出口定义为自由流出边界。

2.1 实物模型计算结果分析图4所示为炉膛内漆包线在、 ，截面 (y-0.42m)上，图1中I( 0.15m)、II( -0.35m)、II( - 0.75 n1)位置处横向温度分布曲线 由图4可知：横向温度分布大体呈现中间和靠近壁面两侧温度偏低、局部存在高温区域的规律，且越靠近热风出口 (II)，温度越低，I、I、II处的最大温差分别为 12、11、10K。本文均以I位置处的最大温差来衡量温度分布的均匀性。

Z向尺寸/m图4 实物模型V-V截面上I、II、III位置处横向温度分布图分风道入口处 (图 1中Ⅳ截面)速度和温度等值线图如图5所示。由图5可知，竖向上顶部速度明显高于底部，横向上中间区域速度最低，两侧略高，局部速度较高的区域达 3.8 m/s；温度分布特性与速度相似，速度较高的区域温度为 820 K，速度较低区域的温度为 800～810K。热风速度在分风道入口处分布不均是造成上述横向温差较大的主要原因。

雠赠2013年 第 42卷 第 3期VO1.42 NO.3 201 3案 加 熟 3INDUSTRIAL ItEATING(a)速度分布(m/s)(b)温度分布(K)图5 实物模型IV截面速度、温度分布等值线图图6所示为 1～7截面的平均压力分布图，由图6可知：靠近热风入口段的压力损失最大，达到了27.3 Pa。

这主要是由于热风入口呈扇形设计，且分为四道，热风以 12 m/s的速度进人模拟段及分道挡板后速度急剧下降，造成了较大的压力损失；计算结果显示热风进口到出I：3的压力损失为47.5 Pa♂构形式是导致炉膛横向温度分布不均匀及风道阻力较大的原因，必须对其进行优化。

d图6 实物模型 1～7截面平均压力分布图2.2 模型结构的优化2.2.1 分风道对横向温度分布的影响分析为分析分风道对横向温度分布均匀性的影响，将分风道挡板去掉，使热风从匀风装置出来后不进行分道直接吹入底部炉膛中，计算得到其横向温度分布如图 7所示。

z向尺寸，In图7 无分风道模型横向温度分布图图 7表明，将分风道挡板去掉后，炉膛内横向温度分布大体-致，但其最大温差明显变大，I位置处的最大温差达到了23 K，说明分风道有利于横向温度分布的均匀性，故在进行结构优化时保留分风道的结构型式。

2.2.2 匀风装置挡板的优化为加大炉膛两侧热风速度，考虑改变匀风装置挡板尺寸，让-部分热风不经匀风装置挡板直接吹人分风道。

在原匀风装置挡板横向 (1 720 mm)和竖向 (420 mm)尺寸的基础上分别取5个水平，组合成 25种挡板结构形状，利用上述计算模型，计算得到其两侧最低温度、最大温差、压力损失，结果如表2所示。

表2 25种挡板结构形状的模拟结果结构编号横向尺寸/mm竖向尺寸/mm最低温度/K最大温差/K压力损失/Pa表2显示，挡板结构尺寸横向为 1 520mm，竖向为420 mm (即结构 12)时两侧最低温度明显升高，而结构1 l～25的两侧最低温度变化较小；最大温差随着尺寸的变化没有规律性，但在结构 11～25中，结构 11和 12的最大温差最小，为 18 K；压力损失的变化呈现出-定的规律，当横向或竖向的某-个尺寸恒定时，压力损失随另-个尺寸的变小而变小，但变化幅度较小，其中结构 l2的压力损失比结构 11稍低，为 43-3 Pa。综合考虑该25种结构形状的最低温度、最大温差、压力损失的计算结果，选柔构 l2作为优化的基瘁构，虽然其最大温差为 1 8 K，相比原实物模型要大，但其两侧温度有了明显的升高。

-3 4 3 3 4 4 3名 2 4 .9 3 7 8 5 郴 螂 州伽 伽 铊 们" " 加 加 加 加 加 加8 9 8 9 8 1 O 1 O 0 7 6 7 6 8 7 7 8 7 8 7 8 7 6 7 m m 瑚 御 御 研御 御瑚w 御 瑚O O 0 O O O O O O 0 0 0 O O 0 O 0 0 O O 0 0 O 0 D 伽枷姗姗 伽伽姗 伽枷姗湖 伽枷姗姗 枷姗O O O 0 O O 0 O 0 O 0 O O O 0 O 0 0 0 0 O 0 O D D 锄 啪 啪 们 伽啪啪伽伽 伽伽i ； i i ! I 2 3 4 5 6 7 8 9 B M " 他 加4 童 加 热INDUSTRIAL HEATING2013年第 42卷 第 3期Vo1.42 No.3 20l 32.2.3 加装导流挡板缩小匀风装置的挡板尺寸后，虽两侧温度有所提高，但热风在进入分风道前均匀性变差，导致温差较大，为使热风均匀分配后吹人分风道，拟在此基础上，在分风道前加装导流挡板。图8所示为未加装导流挡板时z0.1 m截面的速度矢量图，结果显示，热流在匀风装置挡板前后均形成了小小的漩涡，但对整体流动影响不大；匀风装置后的热流主要顺着圆壁面往上流动，热流到达风道顶部后逐渐往下流动并进入分风道，因此在匀风装置出口至分风道人口的水平风道顶部往下吊挂两块导流挡板，挡板高度选为风道高度的-半，即100 mm。

为保证两侧及中间有足够的热风量，在风道两侧及导流板之间分别留有-定宽度的缝隙，且将两挡板对称布置并设计成倾斜状，导流挡板的三维示意图如图 9所示。

根据风道结构特点和热风分布特性，设计了4种结构的导流挡板方案，其主要尺寸如表3所示。

匀出图8 z1.0m截面速度矢量图A向挡板位置示意图图 9 导流挡板三维示意图面表3 各方案挡板尺寸表 mm方案A～方案D对应的横向温度分布如图10所示。

. . .- .三 -、.八 厂、竺 /./、r、..～ ， ：/ . 赠图l0 各方案横向温度分布图由图l0可知，方案A的中间部分温度较均匀，但两侧温度偏低，且存在两个高温区，整体温差较大；方案B 的两侧温度升高较明显，但出现了两个低温区，且高温区仍较明显；方案 C已呈现出较好的温度均匀性，但高温区仍存在；方案D的横向温度分布较均匀，高温区不再明显。各优化方案的最大温差与压力损失如表4所示。

表4 各方案的最大温差与压力损失对比表结果表明，方案 D模型与原实物模型相比，其炉膛内横向温度的最大温差从 12 K降低至 5 K，下降幅度最大，炉膛内横向温度均匀性最好，且其压力损失从47.5 Pa降低到了42.8 Pa，优化效果明显。

3 结 论(1)通过对原实物模型的温度尝流嘲压力场分析表明，循环风道的结构形式导致了分风道前热风速度不均衡及较大的压力损失，并最终影响了炉膛横向温度分布的均匀性；(2)对原模型的结构形式进行了优化，结果表明，分风道模型有利于温度分布的均匀性，匀风装置挡板尺寸的减少能提高炉膛两侧温度及减少风道压力损失，加装导流挡板能有效提高炉膛横向温度分布的均匀性；(3)与原实物模型相比，在增大热风的中间流通面积的同时，适当缩小两侧流通面积并靠近分风道人口处加装导流挡板的方案 D模型最优，其横向最大温差降低了 7 K，压力损失降低了 4.7 Pa。

(下转第7页)赠赠赠 巡赠搬- 2013年 第42卷 第 3期Vo1.42 No.3 20l 3童 加 熟INDUSTRIAL HEATING74 结 论(1)根据沥青储罐车装卸工艺要求，设计了二甲醚加热系统，并且确定了铁路沥青罐车的燃烧器的功率。

(2)对于小容积的沥青储罐车，加热温度为 700℃时，既满足工艺要求，又能减少排烟损失；对于大容积的沥青储罐车，加热温度为 900℃时，在排烟损失不变的情况下，满足工艺要求。