導(dǎo)讀：本文研究了熔窯在生產(chǎn)過程中的傳熱機(jī)理, 通過建立一個(gè)忽略了孔口輻射等客觀條件對熔窯散熱量影響的玻璃熔窯理想模型, 得到可以量化熔窯散熱量的計(jì)算方法。研究表明:因熔窯外壁保溫層性能欠缺而向周圍環(huán)境的散熱損失是現(xiàn)有熔窯熱耗較高的主要因素。運(yùn)用得到的理論計(jì)算公式, 可以準(zhǔn)確地配置熔窯節(jié)能保溫所需的保溫材料種類、用量及其規(guī)格。通過在某玻璃熔窯上實(shí)際應(yīng)用, 對計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析, 驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的正確性。
引言
熔窯是玻璃廠主要耗能設(shè)備, 其能耗占全廠的80%左右。玻璃熔窯的熱量約有30%消耗在窯體散熱上, 主要熱損失方式為表層散熱;因此, 浮法玻璃熔窯的保溫一直被視作玻璃生產(chǎn)過程中一條行之有效的節(jié)能降耗措施。據(jù)統(tǒng)計(jì), 窯體保溫后, 可減少散熱25~30%, 節(jié)約燃料7~15%。另外, 窯池保溫還可提高玻璃液溫度、縮短熔化時(shí)間、增加澄清因子、降低火焰溫度, 同時(shí), 它也增加了回流以及微小氣泡 (半徑小0.1mm) 隨出料流流出池窯的可能性。
影響熔窯散熱的因素有窯體的外表面溫度和環(huán)境溫度, 窯體外表面溫度的降低, 就意味著散熱損失的降低, 而窯體外表面溫度和熔窯結(jié)構(gòu)及保溫材料密切相關(guān)。相對于傳統(tǒng)保溫技術(shù), 熔窯全保溫技術(shù)可使熔窯外表面溫度降至80℃以下, 散熱損失減少80%以上, 節(jié)能效果明顯。玻璃熔窯亦可進(jìn)行二次保溫, 可大幅度降低表面溫度。保溫后窯體外表面溫度和保溫材料本身有很大關(guān)系, 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低, 保溫效果越好。
目前, 對于熔窯熱力學(xué)計(jì)算模型已有相關(guān)研究, 但是主要集中在窯爐整體散熱方面, 而計(jì)算窯體外表面溫度的理論模型相對較少, 窯體外表面溫度是進(jìn)行熔窯保溫設(shè)計(jì)以及計(jì)算散熱量的重要依據(jù)。因此本文通過分析熱力學(xué)平衡方程式, 從理論上探討計(jì)算窯體外表面溫度的理論途徑。本文著重于先確定傳熱系數(shù)與外表面溫度和表面散熱量的關(guān)系, 提出最優(yōu)的窯體保溫材料配置方案, 對熔窯保溫技術(shù)以及保溫材料選擇具有理論指導(dǎo)意義。
熔窯散熱量理論研究
為了確定各層保溫材料的冷面溫度以及散熱量, 分析節(jié)能效果, 需要進(jìn)行全面的熱量平衡計(jì)算。
理論模型假設(shè): (1) 窯內(nèi)高溫氣體傳熱方式為對流換熱和輻射換熱; (2) 窯體各層材料之間只存在傳導(dǎo)傳熱; (3) 窯體外壁與周圍環(huán)境只存在對流換熱; (4) 耐火保溫材料之間緊密接觸; (5) 忽略換料等因素對換熱的影響。
2.1 熔窯內(nèi)壁保溫單元之間的熱量傳遞過程
式中:qi為單位表面積單位時(shí)間的散熱量/W·m-2;ki為第i層保溫單元的傳熱系數(shù)/W·m-2·℃-1;λi為第i層保溫單元的導(dǎo)熱系數(shù)/W·m-1·℃-1, λi=ai+bit;xi為第i層保溫單元的厚度/m;ti為第i層保溫單元與第i+1層保溫單元之間的界面溫度/℃。
2.2 熔窯外壁向周圍環(huán)境的傳熱過程
2.3 熱平衡原理
當(dāng)以上傳熱過程達(dá)到熱平衡后,當(dāng)熔窯的內(nèi)壁溫度、環(huán)境溫度、各層的厚度和保溫材料傳熱系數(shù)確定時(shí), 用迭代法, 運(yùn)用VB編寫程序就可以求得該模型近似解, 得到各層保溫材料的表面溫度和窯體表面溫度, 從而計(jì)算散熱量。
3.1 表面溫度與散熱量之間的影響
由以上分析可知, 對于一定的窯型而言, 影響熔窯整體散熱量的主要因素是環(huán)境溫度、表面積和保溫材料性能參數(shù) (如:傳熱系數(shù)) 。本文利用推導(dǎo)所得的理論計(jì)算公式, 通過改變表面溫度, 計(jì)算保溫前后散熱量差異, 研究不同表面溫度對保溫效果的影響 (以保溫前表面溫度為200℃為基準(zhǔn)) 。
通過理論公式計(jì)算保溫前后表面溫度每降低20℃, 都會(huì)引起散熱量的大幅度降低, 理論上甚至達(dá)到80%以上, 根據(jù)熔窯節(jié)能和實(shí)際生產(chǎn)的要求, 經(jīng)加強(qiáng)保溫后散熱量約減少50%。因此, 引入有效的新型保溫技術(shù)或新型保溫材料, 對熔窯節(jié)能是非常行之有效的。
3.2 理論公式計(jì)算實(shí)例
以某公司熔化部碹頂保溫為實(shí)例, 研究計(jì)算固定保溫層下外表面溫度。
假設(shè)窯內(nèi)溫度t為1600℃, 外部溫度ta為50℃。已知散熱位置系數(shù)Aw在頂部處, 取2.8, 當(dāng)傳熱達(dá)到平衡時(shí), 根據(jù)上述熱力學(xué)平衡式各層材料視為一個(gè)整體, 各層材料的傳熱系數(shù)通過調(diào)和平均數(shù)的計(jì)算方法得到整體平均傳熱系數(shù)。
通過迭代計(jì)算法, 利用VB編程該方程, 求解該方程表面溫度123.3℃。同時(shí)已知外表面溫度情況下, 可利用公式求解窯體散熱量1225.7W·m-2。
3.3 熔窯二次保溫節(jié)能效益評估計(jì)算
以某公司采用新型保溫材料進(jìn)行二次保溫的熔窯為例, 經(jīng)過模擬計(jì)算, 提出使用鈦鈉硅高效保溫復(fù)合層納米絕熱保溫材料作為二次保溫材料, 該保溫復(fù)合層主要由微晶纖維毯層 (一層厚度:50mm) 、酸鋁纖維毯層 (兩層, 每層厚度:6mm, 共計(jì)12mm) 、高效保溫氣凝膠層 (三層, 每層厚度:6mm, 共計(jì)18mm) 復(fù)合構(gòu)成, 實(shí)施于原窯體的保溫輕質(zhì)硅磚外側(cè), 緊貼保溫輕質(zhì)硅磚;然后在復(fù)合層表面再覆蓋鍍鋅鐵皮 (一層厚度0.4mm) , 完成施工。
已知環(huán)境溫度為50℃, 通過模擬計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測的溫度參數(shù), 保溫前后外表面溫度及散熱量等具體參數(shù)如表3所示。
表3 保溫參數(shù)計(jì)算
熔窯保溫后節(jié)能率測算如下:
(1) 復(fù)合節(jié)能保溫后散熱量減少量:
2528284-1217977=1310307kcal/h
(2) 熔窯輸入的總熱量:
已知:單耗1500kcal/kg玻璃液;平均拉引量600t/d。則輸入熔窯的總熱量為:
1500×600×1000=900000000kcal/d
(3) 節(jié)能率:
(1310307×24÷900000000)×100%=3.5%
熔窯總節(jié)能率是衡量一座窯爐能耗是否節(jié)能的重要指標(biāo), 通過模擬計(jì)算二次保溫后的節(jié)能率達(dá)到3.5%, 但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中, 由于熔窯本身存在孔口輻射、保溫部位熱橋效應(yīng)等客觀因素, 使得節(jié)能率肯定會(huì)略有降低, 實(shí)測實(shí)際節(jié)能率約為3.24%。
通過對模擬計(jì)算公式的分析, 以及二次保溫后熔窯內(nèi)部溫度的測量, 熔窯保溫后散熱量的降低, 冷面溫度的下降, 但熔窯內(nèi)部溫度變化甚微, 因此窯齡并不會(huì)受到影響。
結(jié)論
1.通過簡化熔窯結(jié)構(gòu)材料傳熱的理想模型, 并且結(jié)合熱工原理推導(dǎo)出適用于熔窯熱工環(huán)境的計(jì)算公式, 最后使用VB程序, 將各個(gè)影響熔窯散熱量的主要因素進(jìn)行編程計(jì)算, 最后得到模擬計(jì)算結(jié)果, 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了理論計(jì)算公式的可行性。
2.通過總結(jié)熱力學(xué)平衡式得出表面溫度的理論公式, 分析表面溫度與散射量的對應(yīng)關(guān)系, 表面溫度降低60℃, 理論上可降低散射量50%以上。
3.在某公司的一座熔窯上, 以及對熔窯散熱量的測算, 預(yù)估得節(jié)能率為3.5%;施工完成實(shí)測節(jié)能率為3.24%, 達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。
