1、湘潭大学本科毕业论文目录摘要错误！未定义书签。Abstract错误！未定义书签。第一章 绪论11.1 热风炉的分类11.2 热风炉的应用21.2.1 国内的发展和应用21.2.2 国外的发展和应用31.3 本文的主要内容及意义4第二章 热风炉设计62.1 热源选择62.1.1 燃煤热风炉62.1.2 燃油热风炉62.1.3 燃气热风炉62.1.4 电加热式热风装置72.1.5 方式的选择72.2热风炉的热力计算72.2.1 完全燃烧的条件82.2.2 热风炉参数及其计算82.3 热风炉结构尺寸计算112.4 热风炉的阻力损失172.4.1 风机的选型172.4.2 阻力损失的计算172.5 小
2、结20第三章 热风炉的数值模拟213.1 物理模型213.1.1 整体计算网格划分213.1.2 热风炉燃烧器223.2 数学模型243.2.1 流体动力学控制方程243.2.2 计算模型273.3 边界条件29第四章 热风炉模拟结果及分析324.1 温度场324.2 速度场354.3 物质的量404.4 数值模拟小结41第五章 结论42参考文献43附录：附录1：中文翻译附录2：CAD图纸热风炉的设计及流动、燃烧的数值模拟摘要：热风炉在生产和生活中起着巨大的作用，由热风炉所获得的烟气不仅可以进行高炉炼铁，还可以进行烟气的余热回收，大大地节约了能量。此外，热风炉还可以起到干燥的作用，广泛应用于化
3、工、制药、纺织、农业等各部门。本文主要着眼于实验室用的小型热风炉，根据所设计的热风炉可以开展一些基础实验。此外，研究所得的结果也可为同类型热风炉在其它工业领域的应用提供一定的参考依据。本文在设计实验室用热风炉时主要依据燃烧学的基本理论，对主要参数（如燃气量、炉膛面积、炉膛容积、烟气流量等）进行了计算。所设计的热风炉结构简单、体积小、造价低、使用方便，并使用旋流燃烧器，稳定和强化了热风炉的燃烧。为了证明所设计的热风炉达到了预期目标，本文对热风炉炉内的流动及燃烧过程进行数值模拟，模拟所得的结果表明混合后烟气的温度达到了205，且燃烧后天然气的物质的量为零，已经完全燃烧。此外，与采用直流燃烧器的风炉
4、相比，旋流燃烧热风炉的火焰更短，燃烧的稳定性也得到了加强。关键词：热风炉；燃烧器；数值模拟Design of hot stove and numerical simulation of flow and combustionAbstract：Hot stove plays an essential role in production and life. Flue gas obtained from the hot stove can not only smelt iron in blast furnace, but also recover surplus heat from waste g
5、as, therefore greatly save energy. In addition, the hot stove can serve to dry many things as well, which widely used in chemical, pharmaceutical, textile, agriculture and other sectors. This article focuses on a small laboratory stove that can be designed to carry out some basic experiments. Furthe
6、rmore, the results of studies can also to provide a frame of reference for the same type of stove in other industrial applications.As to the designing of the laboratory hot stove, this article is mainly based on the theory of combustion, and calculate the main parameters such as the gas volume, the
7、furnace area, furnace volume, gas flow, etc. The simple hot stove is in small size, low cost, and easy to use. What is more, the stove has innovative burner design, which uses a swirl combustion that can stabilize and strengthen burning. To prove the hot stove designed that achieves the expected goa
8、l, this paper use statistical simulation to simulate the flow and the combustion progress in the hot stove. The result of the simulation shows that mixed gas temperature reached 205, and the material of natural gas after combustion is zero, which means that the gas has been completely burned. In add
9、ition, with the comparison of the hot stove designed in this paper and ordinary hot stove, the result shows that not only the flames of swirl burning hot stove shorter than the ordinary hot stove, combustion stability has also been strengthened, which further displayed the advanced identity of the h
10、ot stove designed in this article.Key words: hot stove, burner, numerical simulation44第一章 绪论热风炉是用于气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、塔式干燥、隧道干燥以及回转干燥等装置的主要辅助设备，也是温室及家畜饲养场加温的主要设备，广泛地应用于农业生产、农产品及食品加工、冶金、建材等行业。此外，利用热风炉废气的热量来预热热风炉的煤气或助燃空气是有效地节约炼铁能耗的措施之一。作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。还值得一提的是，近20年来
11、，我国热风炉的发展速度十分迅速，引进了霍戈文高风温热风炉、卡鲁金顶燃式热风炉，对大型外燃式热风炉或大型外燃式热风炉与辅助小热风炉进行组合，还开发了球式顶燃式热风炉和逆旋流顶燃式热风炉。这些技术大大缩小了我国与世界先进水平的差距。1.1 热风炉的分类目前用于热风炉的热源主要有天然气、煤、油等。加热形式主要有直接烟道气式和间接换气式。换热器的类型有列管式、无管式、热管式等。根据燃料或热源的不同可分为燃气热风炉、燃煤热风炉、燃油热风炉、燃生物质材料热风炉等。根据炉体结构分为卧式热风炉和立式热风炉。根据功率的大小分为大型热风炉和小型热风炉，其中根据炉排的分布形式分为水平炉排热风炉和倾斜炉排热风炉，其中
12、功率在100万大卡以上为大型热风炉，功率在100万大卡以下为小型热风炉。根据加热形式分为直接加热式热风炉和间接加热式热风炉。本文详细介绍下直接加热热风炉和间接加热热风炉的特性。（1）直接加热热风炉的特性直接加热热风炉的特点是燃料燃烧后的烟气直接用于加热干燥，不通过换热器。设备成本低，热损失小。该种方法燃料的消耗量约比用蒸汽或其他间接加热器少一半左右。因此，在不影响产品质量的情况下，尽量使用直接加热。直接加热热风炉的工作流程为燃料经燃烧反应后得到的高温燃烧气体进一步与外界空气接触，混合到某一温度后直接进入干燥室，与被干燥物料相接触，加热、蒸发水分，从而获得干燥产品。直接加热热风炉燃料主要有固体燃
13、料、液体燃料和气体燃料。有相关资料表明，从节能的观点出发，在正常生产、操作和充分预热空气和煤气的情况下，与直接燃煤相比，炉子燃油节能最多，发生炉煤气次之，而燃煤最浪费能源。煤炉、煤气炉、油炉三种炉子能源消耗之比为1:0.96:0.611。（2）间接加热热风炉的特性间接式热风加热装置主要适用于被干燥物料不允许被污染或应用于要求热风温度较低的热敏物料的干燥，如食品、制药、精细化工、合成树脂等行业。此种加热装置，即是将蒸汽、导热油、烟道气等做载体，通过多种形式的热交换器来加热空气。其工作原理可分为蓄热式和换热式两种。适用于热风干燥的热风间接加热装置有三种类型：烟道气间接加热装置；蒸汽间接翅片加热装置
14、；热管加热装置；还有电加热热风装置。间接式热风炉的最本质问题就是热交换。热交换面积越大，热转换率越高，热风炉的节能效果越好，炉体及换热器的寿命越长。反之，热交换面积的大小也可以从烟气温度上加以识别。烟温越低，热转换率越高，热交换面积就越大。1.2 热风炉的应用1.2.1 国内的发展和应用目前国内高温热风炉主要有两类：一是用燃油燃气直接作热源，但是燃料贵，运行费用高，增加了干燥成本。二是用燃煤作热源，虽然燃料费用降下来了，但也存在着热效率低、使用寿命短、体积庞大等问题。我国燃煤热风炉多采用火床燃烧，热风温度仍比国际先进水平差了2002左右。在一定程度上制约了我国中型高炉炼铁生产技术的发展，影响了
15、高炉喷吹煤粉量和企业经济效益的进一步提高。为了获得高风温，国内基本上采用富化高炉煤气的措施；此外，烟气余热回收技术、热风炉自身预热法和配置预热空气炉法也是常用的措施。现代热风炉的发展方向是：高风温，热风温度125050。高热效率，总热效率85。长寿命，一代寿命25年3。但是，随着我国石油和天然气的发展，燃油和天然气户式热风供暖方式开始发展。热风炉供暖已在我国的一些工业厂房、民用建筑和野外作业等场合使用，并显示了较好的效果。与锅炉供暖相比，热风炉供暖具有以下特点：（1） 工程造价、运行和维修费用低。热风供暖无需供回水管道、散热器及循环泵等，仅散热器一项，节省工程造价的20%-30%；不用循环水，
16、节省了用水、水处理及管道的清洗、除垢等费用；将热风直接送入供暖点及空间，热损失极少；管气窗不会发生积垢、堵塞、漏水、冻裂等现象，维修量极少。（2） 操作简单，易于调节。热风供暖升温快，可调性强，便于以地域、用热单位和家庭为供热单元进行管理、控制，操作方便，可随时关闭或运行。如环境温度发生变化不会影响正常运行。（3） 热风炉为常压运行，安全可靠。无供热介质水，适宜于高寒缺水地区。在一些大型空间和需要排风的空间也适宜用热风炉供暖。（4） 受空气物性的影响，输送热风的管路管径较大，不适宜远距离输送 4。1.2.2 国外的发展和应用在国外，以天然气和石油为热源中心的户式热风采暖方式得到广泛的应用。在北
17、美地区很多别墅建筑都采用这种热风采暖方式。国外的燃气热风炉多采用自然循环、机力循环和强制给排气机力循环等燃气方式。各种循环方式都有其相应的特点。自然循环对流方式：其传热系数小。需要的传热面积大，因此这种热风炉的体积比较大，同时热风出口温度也比较高。因自然循环的风速小，烟气的热量很难传递给空气，所以造成自然循环烟气热风炉的体积过于庞大。为了提高传热系数，减小热风炉的体积。可以采用机力循环的方式。强制给排气机力循环方式：为了保证烟气畅通，可以采用鼓风式燃烧器形成强制给排气燃气热风炉。这种强制给排气的方式保证烟气与燃烧需要的空气畅通。对安全运行有可靠保障。在高炉热风炉方面，随着高炉送风温度和送风压力
18、的提高，国外对热风炉的炉型结构和炉衬材料进行了大量研究工作，逐渐从内燃式热风炉向外燃式热风炉，内燃式热风炉从一般温度操作向高温度操作方向发展，炉衬材料也由普通粘土砖向高铝砖、莫来石砖、优质硅砖、硅线石砖和红柱石砖方面发展，取得了很好效果，大幅度提高了使用寿命。今后，国外热风炉仍将朝着改进现有炉型结构和耐火材料质量，开发新型热风炉和新型耐火材料，进一步提高使用寿命方向发展。利用热风炉废气（主要指间接加热热风炉的废气）的热量来预热热风炉的煤气或助燃空气是有效节约能耗的措施之一。七十年代末开始研究利用热风炉废气的热量，发展十分迅速。日本设有废气热量利用装置的高炉占70%以上5。热管是一种新型高效率的
19、热交换元件。它是传热技术中出现的一项重要技术成果。在六十年代首先被应用于航天领域，七十年代后在西方工业国家开始用于电子、机械、石油、化学等工业部门。由于能源紧张，近年来，以热管制造的热管式交换器得到了迅速的发展。 热管式热风炉是将热风炉产生的热量供给热管换热器，再由热管换热器直接供给被加热装置的供热设备。热管及热管换热器是热管式热风炉的核心部件。热管通过在全封闭真空管内工质的蒸发与冷凝来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可以任意改变、可以远距离传热以及可控温度等一系列优点，将大量的热量通过很小的截面积远距离、高效地传输而无需外加动力。热管的典型结构如图所示图1-1 热
20、管的结构1-热管壳体；2-吸液芯；3-蒸汽流；4-液体热管是由壳体、吸液芯和工作液三个部分组成。管内抽成真空，充以液体，使之填满毛细材料的微孔并加以密封。管子的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据需要中间可设一绝热段。蒸发段吸收热流体热量，并将热量传给工质，工质吸热后以蒸发与沸腾的形式变为蒸汽，在微小压差作用下流向冷凝段，同时凝结成的液体放出汽化潜热，并传给冷流体。冷凝液借助于毛细材料的毛细作用力或重力回流至蒸发段。工质如此循环的同时，也将热量由一端传向另一端。由于是相变传热，因此热管内部热阻很小，能以较小的温差获得较大的传热量。而且由于管内抽成真空，所以工质易于沸腾，热管启动迅速。在热管的冷热
21、两侧均可加装翅片以强化传热。并且热管不受热源类型的限制。1.3 本文的主要内容及意义本文主要是依据燃烧学的基本理论设计一台实验用的热风炉，并对炉内的流动及燃烧过程进行数值模拟。在设计方面，要依据热风炉的功率和燃气的低位发热量来确定燃气和燃烧空气的量，并计算出燃烧的温度。为了在热风炉的出口处得到所需烟气的温度，按照能量守恒定律，计算出所需混合空气的量。再对热风炉进行结构设计。需要计算出燃气和燃烧空气的入口总面积，炉膛截面积和炉膛容积。然后选择耐火材料，并根据耐火材料的导热系数计算出耐火材料的厚度。最后，计算出热风炉的局部损失，选择能提供适当风量和压力的鼓风机。 在模拟方面，主要利用FLUENT软
22、件建立热风炉的仿真模型，根据设计时确定的边界条件对炉内的流动及燃烧过程进行模拟计算。并将模拟的结果与普通热风炉的模拟结果进行对比。本文所设计的热风炉的功率为30kW，烟气的出口温度为150250。 依托本文设计的热风炉可开展一些基础实验，如：为换热器提供热源,并对换热器换热性能进行测定；分析热风炉的燃烧效率、烟气成分等；对热风炉的燃烧过程进行实验研究与数值计算，提出高效低污染燃烧的改进措施等。此外，研究所得的结果也可为同类型热风炉在其它工业领域的应用提供一定的参考依据。第二章 热风炉设计热风炉设计要追求的目标是高效、节能、长寿命，同时还要力求达到低成本、低动力消耗和方便维修。2.1 热源选择为
23、了能够得到温度为150250之间的烟气，可以通过燃煤，燃油，燃气还有电加热等方式。下面分别介绍一下各种不同热源的热风炉。2.1.1 燃煤热风炉煤的燃烧方法主要有两种：块煤的层状燃烧法和粉煤的悬浮燃烧法。目前大都采用块煤的层状燃烧法，即煤在炉排上保持一定的厚度进行燃烧。层状燃烧的燃烧层结构有一定的规律性。从上到下分为四个区域：新燃料区、挥发物析出和燃烧区、焦炭燃烧区和灰渣燃尽区。四个区域中燃烧的强度不同，新燃料区基本不燃烧，只是对燃料加温；灰渣燃尽区由于燃料的耗尽，燃烧强度也很低；焦炭燃烧区燃烧强度最大，耗氧量也最大。使用层状燃烧法时，燃料层的厚度、燃料的颗粒大小对燃烧的经济性有重要影响。因此，
24、根据燃料种类和燃烧方式选用合理的燃料层厚度和颗粒度是保证燃料完全燃烧的关键。但煤燃烧的稳定性很差，烟气中会含有大量的有害物质，用在直接加热热风炉上受到了很大的限制。2.1.2 燃油热风炉燃油热风炉以重油或者柴油为燃料，与燃煤热风炉相比，除燃油价格要贵一些之外，其他一切特点都要优于燃煤热风炉。不需要专人看管，炉温均匀，很容易进行自动控制，且基本上不污染环境，而对于一些热敏性较大，本身价格较高的被干燥物料来说，燃油热风炉则是保证产品质量和产量的基本要求。重油和渣油含杂质较多，而且燃烧控制比较困难，存在不完全燃烧，因此大多用在间接加热。由于轻油易于完全燃烧，污染比较小，因此燃油设备大都采用直接加热方
25、式，尤其是用于干燥农产品或温室加热的场合。2.1.3 燃气热风炉气体燃烧的空气污染和固体燃烧污染很少，具有基本无公害燃烧的综合特征，是一种比较清洁的燃料。气体燃烧锅炉燃气系统简单，可以进行燃烧调节，调整发热量，操作管理方便，容易实现自动化。气体燃料包括氢气、一氧化碳、碳氢化合物等成分。按燃气获得方式可以分为天然气和人工燃气。虽然煤气燃烧完全，产物中污染物也少，但是由于燃气不像燃油、煤或固体生物质燃料那样便于运输和储存，必须经过管道输送。另外，液化石油气可以用罐装，运输方便的特点。目前，煤气加热热风炉只是在能够比较容易得到燃料的地方应用。2.1.4 电加热式热风装置在食品、医药、木材、印染等加热
26、干燥过程中，应用电热可以保证加热的均匀性，操作简便，对产品的控制非常方便。电热现在已经得到了较大的发展，因为电加热清洁卫生，无烟尘、油污和环境污染。热效率高，加热速度快，易于实现自动化控制，并且温度控制精度高，加热效果好。2.1.5 方式的选择实验室中所用的热风炉具有功率小，炉膛体积小的特点，在使用过程中要求点火方便，燃烧稳定，控制方便。表2-1表示的是各燃料性能优劣的对比。表2-1 各燃料的性能 方式性能煤油天然气电着火难易程度难较易易效率低高高低环保角度差较好好好价格因素低较高一般高控制难易程度难较易易易从以上几种方式的特点可以看出，燃煤式热风炉着火和燃烧比较困难，燃油式热风炉重油容易不完
27、全燃烧，电加热式热风炉使用的是二次能源，电能经过了热电转化，其转换效率为30%。而天然气是一种清洁的气体，所含的灰分极少，几乎不会产生有害物质，其燃烧属于均相反应，着火和燃烧要比固体燃料容易得多。并且燃烧时能产生很大的热量。从燃烧得稳定性来看，扩散燃烧具有最好的性能，随着预混程度的增加，稳定燃烧得范围缩小，特别是燃用高热值的天然气时，为了提高燃烧的稳定性，大多采用预混程度较低的扩散燃烧方式。本次设计所采用的是非预混燃烧。由于天然气的诸多优点，它很适合实验型的小型热风炉。本设计所采取是燃气式直接加热热风炉。2.2热风炉的热力计算2.2.1 完全燃烧的条件对于热风炉的设计，需要组织良好的燃烧过程，
28、其标志是尽可能接近完全燃烧。对于完全燃烧我们要满足下列条件：（1） 供应充足而又适量的空气（2） 适当高的炉内温度（3） 空气和天然气的良好扰动和混合（4） 足够的停留时间供应充足而又适量的空气是燃料完全燃烧的必要情况，一般情况，为了使燃烧完全，我们取比理论值多一些的空气。炉温高，着火快，燃烧速度快，燃烧也易趋于完全。但过分的提高炉温是不可取的，过高的炉温一方面能加快燃烧，另一方面也会使所获得的物质分解。同时，过高的炉温会导致耐火隔热层的损害，降低了热风炉的使用寿命。实验证明炉温在1000-20006内比较适宜。天然气的燃烧属于扩散式燃烧，燃烧所需要的时间完全取决于混合时间，空气和天然气良好扰
29、动和混合，增加了空气和天然气接触的机会，有利于燃烧完全。天然气燃尽需要一定的时间，其停留的时间主要取决于炉膛容积、炉膛截面积、炉膛高度及烟气在炉内的流动速度，因此，我们要根据相关资料取合适的值。2.2.2 热风炉参数及其计算所设计的热风炉的功率为30kW，烟气的出口温度为150250。天然气是一种优质气体燃料，它的主要成分为甲烷，其次为乙烷等饱和碳氢化合物。这些碳氢化合物在天然气中的含量在90%以上。因此，天然气的发热量很高，一般为3344041800或更高。为了使计算简便，我们设定天然气中甲烷的含量为100%，其低位发热量。设计时，取排烟温度为200，环境基准温度为15。（1） 甲烷耗气量所
30、设计的热风炉的功率为30kW，热风炉的甲烷耗气量可由式2-1求得： （2-1）式中：为热风炉的功率，30kW； 为天然气的燃烧效率，本设计中取为0.98；根据热风炉的功率及天然气的低位发热量，可求得热风炉的耗气量为。（2） 理论空气量为了正确地设计炉子的燃烧装置和鼓风系统，必须知道为保证一定热负荷所应供给的空气量。1天然气完全燃烧的理论空气需要量为： （2-2）式中： ， ， ， 为各物质的体积百分数，。因各气体的分子体积均相等，即1燃烧需要2的氧气。故1燃烧的理论空气需要量为。上述空气需要量是按照化学反应式的配平系数计算的,而不估计任何其他因素的影响。（3） 实际空气量上述空气需要量为理论值
31、，实际上，不论在设计或操作中，炉内实际消耗的空气量与上述计算值有区别。例如，在实际条件下保证炉内燃料完全燃烧，便常常供给炉内比理论值多一些的空气；而有时为了得到炉内的还原性气氛，便供给少一些空气。因此要确定实际空气消耗量。而为了保护燃烧室和烧嘴喷头，热风炉采用较大的空气系数（一般取）进行燃烧，目的是为了降低火焰温度。则此热风炉的实际空气量为： （2-3）式中：为理论空气量，； 称为“空气消耗系数”，当时，被称为“空气过剩系数”。为了保护燃烧室和烧嘴喷头，所设计的热风炉需采用较大的空气系数（一般取7）进行燃烧，这样就能够降低火焰温度，从而达到保护炉膛和烧嘴的作用，延长了热风炉的使用寿命。此时，得14.28。则燃烧空气量为： （2-4）式中：为甲烷的耗气量，； 为实际空气量，（4） 理论生成烟气量燃烧
