基于定向辐射的火焰炉强化传热基础研究

Higher heating quality in industrial furnace is required by the process of reheating and heat treatment for the modern advanced materials. Effective heat transfer is a critical factor which may affect the furnace’s yield, energy consumption and product quality. The most important scientific problem in the research of industrial furnace is the heat transfer enhancement. Therefore, heat transfer enhancement technology of furnace has been a forward-looking theme for studying furnace thermal behavior. The directional radiation heat transfer has the effects on both enhanced heat transfer and regulation of temperature distribution. Aiming at this character，base on the directional radiation instead of diffusive reflection in the furnace, the heat transfer enhancement mechanism and control realization are studied in this research. On the one hand, the three-element radiation system which is composed of the gas flue, slab and wall is analyzed by the lumped parameter method. The analytic expression of heat flow between gas and slab will be obtained. The analytic expression of heat flow between the wall and slab will be obtained as well. The expressions are explicit basic equation of directional radiation heat transfer in the furnace. On the other hand, the mathematical model of furnace thermal process will be established. The radiative heat transfer path will be tracked by simulation. The influence law of structural parameters and operating parameters on directional radiation are studied as well. This study will provide a theoretical guidance for both the blackbody radiation technology and the infrared coating radiation technology.

现代高端材料的加热及热处理工艺对火焰炉的加热质量提出了更高的要求。炉子的高产、优质、低耗的最直接影响因素是炉内的有效传热。火焰炉研究的重要科学问题集中体现于炉内强化传热的基础研究。由于定向辐射传热具有强化传热和调控温度分布双重作用，因此，研究以炉内定向辐射代替漫反射的强化传热机制及控制实现为本课题的主要研究目标。课题开展两个层次的研究：（1）、解除齐莫菲耶夫公式炉壁重辐射面的假设，通过用集中参数法对炉内炉气、炉壁、物料三元辐射系统的机理分析，得到包括炉壁辐射在内的料坯传热量更真实的解析表达；（2）、采用离散分析方法分析炉壁及炉内附加中间传热体的辐射射线行为，研究结构参数及操控参数对定向辐射的作用规律。在应用方面，本课题为黑体强化炉内辐射技术和红外高温涂料强化传热技术提供理论指导。

火焰炉是重要的工业加热设备。炉子的高产、优质、低耗的最直接影响因素是炉内的有效传热。火焰炉研究的重要科学问题集中体现于炉内强化传热的基础研究。炉膛可视为由炉气、炉墙及物料构成的三元传热体系。其中，炉墙具有较大的表面积，其结构形式及表面辐射特性对炉内传热有重要影响。因此，许多企业和学者们针对炉墙的传热开展了研究。提出了诸如黑体技术和高温涂料技术等。实践表明，这些技术在某些情况下的确可起到强化炉内传热的作用，但具体的影响规律尚不清晰。这主要是由于对这些技术的研究往往停留在实验层面，没有深入的机理分析。因此，本项目构建炉内传热模型，采用解析分析的方法对炉内传热进行研究，重点考察炉墙黑度及悬挂在其表面的中间辐射体结构形式、位置等参数对强化传热的作用机制。本项目首先分析了齐莫菲耶夫公式中没有炉墙黑度的原因。以此为基础，推导了非灰体系下钢坯表面热流的解析式，解除了齐莫菲耶夫公式中炉墙为重辐射面的假设，从而使该公式能够分析炉墙表面辐射特性对传热的影响。研究结果表明，只有在炉气的发射率大于炉气对炉墙的吸收率时，提高炉墙发射率才能增大物料表面热流，而当炉气的发射率小于等于炉气对炉墙的吸收率时，高发射率涂料技术无法起到强化炉内传热的作用。为考察中间辐射体的作用，本项目在三元模型的基础上，构建了四元辐射传热体系，并推导了物料表面热流解析式，分析了中间辐射体长度、位置对炉内传热的影响。研究结果表明，加入中间辐射体以后，物料表面的换热量都有一定的提升，提升的数值与炉气和钢坯的温度有关。最后，为验证解析式的正确性，同时进一步考察中间辐射体的作用，本项目开展了实验研究。采用室状炉结合风管的形式获得了非稳态及稳态工况下的炉内温度。考察了中间辐射体在炉底中心及侧面时对炉内传热的影响。结果表明，本项目提出的解析式是正确的，能够反映炉内的实际传热。