井式爐爐墻優化設計

1爐襯密度的優化近年來，為了減少熱處理爐的能量損失，在設計熱處理爐時采用了許多新的節能材料，并取得了一定的經濟效益。但因為爐襯的散熱損失和蓄熱損失較大(約占總熱損失的23%～36%),為進一步減少能耗,降低成本,提高企業經濟效益,我們對熱處理爐爐襯進行了優化設計。在常規的熱處理電阻爐設計中,爐墻砌體的尺寸主要是根據所設計的爐子的功率和爐子的工作溫度從經驗數據中進行選取,再通過爐墻表面溫升的驗算加以確定。但是,這種設計方法僅僅適用于工作在穩定傳熱條件下的熱處理爐。事實上,完全處于穩態工作狀態下的熱處理電阻爐是極少見的,即使是連續式軋鋼加熱爐在開爐、停爐、調整爐況時蓄熱損失仍有一定變化,也不能認為是完全穩態的工作狀況,而對于周期式作業爐,常常是工作一個周期后,爐墻的溫度場也沒有建立起穩定態,因此,對于爐墻的傳熱必須按非穩態進行計算。本文運用非穩態傳熱的數學理論模型來計算爐壁的熱傳導和熱損失,利用坐標輪換的優化設計方法來確定爐墻用不同砌體材料組合時的厚度值,求得最佳的耐火層和保溫層的厚度,使熱損失達到最小。2優化設計方法和設計框架圖的優化設計方法2.1熱損失優化“最優化設計方法”是在現代計算機廣泛應用的基礎上發展起來的一項新技術,是根據最優化原理和方法綜合各個方面的因素,以人機配合方式或“自動探索”方式,在計算機上進行的半自動或自動設計,以選出在現有工程條件下的最佳方案的一種現代設計方法。本文是在有限差分的傳熱計算公式的基礎上進行優化,使爐墻的熱損失為最小,對于單層結構的爐墻,將采用一維尋優計算;對于雙層爐襯結構,選取的最優化方法是直接法中的坐標輪換法,達到將一個多維的無約束最優化問題,轉化為一系列的一維問題來求解的目的。對于單層爐墻結構,就是先假定一個爐墻厚度,該厚度值應取小一些,然后將爐墻厚度分成幾份,給定每一份薄層的厚度值,計算出假定厚度值時的散熱量和蓄熱量,利用循環語句,在此爐墻厚度的基礎上,增加一小薄層。重復以上計算過程,求得總熱損失,這樣往復循環,直到求出總熱損失最小時的爐墻厚度,優化確定爐墻的厚度尺寸。對于雙層爐襯結構,先給定耐火層厚度任意一個值(最好是取小一些),優化確定保溫層厚度,此過程與單層結構的優化相同,找出總熱損失最小時的保溫層厚度值,再將優化結果固定,反過來優化確定前面給定的耐火層厚度,求出總熱損失最小時的耐火層厚度值,這樣如此反復下去,直到優化結果達到給定的精度,求出最佳的耐火層和保溫層的厚度值,亦即求出總熱損失為最小時的爐墻尺寸。由于熱損失的計算量很大,并且優化計算中亦存在著大量的往復循環運算,故借助計算機高速處理能力,求得爐襯上的各位置、各時刻的溫度后,求出爐墻的總體散熱和蓄熱,確定總熱損失最小時的爐墻厚度及不同材料組合的最佳方案。熱損失與爐墻厚度之間的關系式為:Q總損失=Q蓄+Q散式中:Q總損失—爐墻砌體在升溫、保溫時間內總的熱損失;Q蓄—爐墻砌體在升溫、保溫時間內蓄熱熱損失;Q散—爐墻砌體在升溫、保溫時間內散熱熱損失;m—耐火層爐墻份數,n—保溫層爐墻份數;Δγm—耐火層每薄層厚度;Δγn—保溫層每薄層厚度;ρm—耐火層砌體材料的容重;ρn—保溫層砌體材料的容重;Cm—耐火層砌體材料的熱容;Cn—保溫層砌體材料的熱容;thm—耐火層第h層在工作結束時的平均溫度;thn—保溫層第h層在工作結束時的平均溫度;t0—室溫;αm—耐火層綜合給熱系數;αn—保溫層綜合給熱系數;t(m+1)i—耐火層最外層第i時刻的溫度;t(n+1)j—保溫層最外層第j時刻的溫度;Fm—耐火層最外層表面面積;Fn—保溫層最外層表面面積;i—耐火層中第i時刻;j—保溫層中第j時刻;Δτ—差分時間間隔。2.2雙層爐襯優化框圖由于單、雙層爐襯結構優化設計原理基本相同,以下將不再討論單層爐襯結構問題。圖1是根據雙層爐襯的計算公式和優化原理畫出的優化框圖。其中:m—耐火層等分數;n—保溫層等分數;L—爐墻厚度;QL—爐墻在升溫、保溫時間內總的熱損失;ε—收斂系數。3優化結果3.1保溫層厚度ln根據上述非穩態傳熱有限差分法的計算公式,無論是對于全纖維的單層結構的爐墻,還是由不同材料所組成的雙層結構的爐墻,均可求出其總的熱損失,由此分析出爐墻厚度尺寸對熱損失影響的一般規律。對于雙層爐襯的爐墻,在不同爐溫下,變化耐火層尺寸或是變化保溫層尺寸,對熱損失都有很大的影響。圖2a為當耐火層的厚度Lm固定時,保溫層厚度Ln同總熱損失的關系曲線。從圖中可以看出,隨著保溫層厚度的增加,散熱量不斷減少,蓄熱量不斷增加,但減少的散熱量高于增加爐墻厚度所帶來的散熱量減少的數值,故曲線呈下降趨勢。爐襯厚度增加,其蓄熱損失量增大,而其散熱損失卻不斷減少,且大于蓄熱損失增加的量,當保溫層厚度達到一定數值時,總的熱損失減少變得非常緩慢,之后有一個最小值,對應于曲線中最低點,再繼續增加保溫層的厚度,蓄熱損失的增加量高于散熱損失的減少量,曲線又呈上升的趨勢,但增加的速率非常小,明顯低于開始下降時的速率;接下來,再固定保溫層的厚度,增加耐火層的厚度。從圖2b中可以看出散熱量不斷地減少,蓄熱量逐漸增加,總的熱損失變化也存在一個最小值,曲線的變化規律也是先減后增,當熱損失為最小時,耐火層厚度為最佳。3.2保溫層厚度對界面溫度的影響由文獻可知,適當增加保溫層的厚度和減少耐火層的厚度,其熱損失和爐外殼溫度變化不大,但界面溫度升高。在耐火層厚度一定的情況下,增大保溫層的厚度,界面溫度也隨著增加,而且增加的幅度越來越小,此時爐外壁溫度則隨著保溫層厚度的增加而不斷地下降;在保溫層厚度一定的情況下,增加耐火層的厚度,界面溫度呈下降的趨勢,爐外壁溫度與固定耐火層增加保溫層有同樣的規律,也是隨著厚度的增加而下降。3.3優化前的厚度和保溫層厚度比較通過所選的爐襯材料的優化計算,與非優化的設計方法相比較,其結果見表1。表中Ⅰ為用硅酸鋁耐火纖維與巖棉相組合作為爐壁砌體,優化以后,熱損失遠小于優化以前,而且耐火層和保溫層厚度都明顯小于優化以前的厚度。表中Ⅱ是氧化鋁耐火纖維與巖棉組成的爐襯優化結果,可以看出,以氧化鋁耐火纖維與巖棉為爐壁砌體時,優化前后,熱損失也減少很多,爐壁厚度也減少很多,但是與硅酸鋁耐火纖維與巖棉為爐壁砌體時相比,優化率偏低,并且熱損失也遠遠大于硅酸鋁耐火纖維與巖棉。表中Ⅲ是硅酸鋁耐火纖維與膨脹蛭石爐襯優化的結果,可以看出,以硅酸鋁纖維與膨脹蛭石為爐壁砌體時,優化前后的熱損失相差不多,厚度也相差不多,優化結果明顯低于硅酸鋁纖維與巖棉,只是界面溫度隨著耐火層厚度的增加而減少。4最佳爐墻尺寸確定(1)在非穩態傳熱的基礎上對爐墻厚度進行優化設計,可使爐墻厚度尺寸的確定科學化、最佳化,尤其是對于使用非標準尺寸的材料,優化更為重要。(2)優化結果表明最佳爐墻尺寸應以爐子在整個工作期間的熱損失為目標確定。僅以爐殼表面溫升為基準來確定爐墻厚