王曉紅（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司能源管理部，黑龍江　哈爾濱　150000）

井式爐爐壁砌體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王曉紅
（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司能源管理部，黑龍江哈爾濱150000）

摘要：近年來(lái)，隨著能源供需矛盾的進(jìn)一步加劇，降低熱處理加工爐中的能量損耗，在熱處理爐設(shè)計(jì)中采用新材料、新技術(shù)勢(shì)在必行，并且通過(guò)這些改進(jìn)也取得了一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。本文從井式爐爐壁砌體的熱力傳遞損失問(wèn)題入手分析，采用了不同方法對(duì)爐壁砌體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到節(jié)省筑爐材料、提高生產(chǎn)效率的目的。

關(guān)鍵詞：井式爐；爐壁；砌體；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)；數(shù)學(xué)模型

堅(jiān)持開(kāi)放與節(jié)約并重、努力追求能源節(jié)約是建設(shè)社會(huì)主義和諧社會(huì)、資源節(jié)約型社會(huì)、環(huán)境友好型社會(huì)的重點(diǎn)，也是貫徹國(guó)家節(jié)能改造指令的關(guān)鍵。鍋爐作為社會(huì)能源消耗大戶，目前我們已經(jīng)對(duì)各種不同的鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，且這些鍋爐改造后節(jié)能效果良好。為此，我們這里有必要對(duì)井式爐爐壁砌體優(yōu)化改造工作進(jìn)行分析，并提出有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1　數(shù)學(xué)模型對(duì)井式爐爐壁砌體優(yōu)化改造分析

目前，為了更好的解決鍋爐生產(chǎn)、加工中熱能量損耗大的問(wèn)題，在鍋爐設(shè)計(jì)優(yōu)化工作中已經(jīng)采用了許多新材料、新技術(shù)，也取得了明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。但在井式爐中效果并不明顯，究其原因是爐壁太薄而造成巨大的熱損失，這一能量損失甚至占整個(gè)井式爐能耗的1/3以上，因此為了更好的控制井式爐熱能損耗、降低生產(chǎn)加工成本、提高企業(yè)效益，做好井式爐熱處理爐壁優(yōu)化設(shè)計(jì)迫在眉睫，也是未來(lái)工作者研究重點(diǎn)所在。在常規(guī)的熱處理電阻爐設(shè)計(jì)中，爐壁砌體的尺寸主要是根據(jù)鍋爐功率和工作溫度設(shè)置，然后通過(guò)鍋爐爐壁表面溫度變化值加以確定的，但是這種方法在目前僅僅適用于條件穩(wěn)定的鍋爐熱處理中。事實(shí)上，時(shí)至今日很少有完全處于穩(wěn)定狀態(tài)的井式爐，因此即便在鍋爐正常運(yùn)行中采用連續(xù)式軋鋼、開(kāi)爐、停爐以及調(diào)整井式爐蓄熱變化的方式進(jìn)行控制，也不可能有效的實(shí)現(xiàn)完全穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的理想工作狀態(tài)，面對(duì)周期式作業(yè)爐，常常都是在工作之后的一個(gè)周期內(nèi)，爐壁的溫度還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定，因此就需要我們采用一定的計(jì)算方式對(duì)熱傳遞不穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

2　優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域廣泛采用的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，這一技術(shù)在利用過(guò)程中需要根據(jù)最有原理和方法綜合處理，全面統(tǒng)籌、前后兼顧的利用人機(jī)互動(dòng)、人機(jī)配合、人際交流和自動(dòng)探索等方式進(jìn)行綜合計(jì)算的模式。通常都是在計(jì)算機(jī)上采用半自動(dòng)或者全自動(dòng)設(shè)計(jì)的方式，利用現(xiàn)有的工程條件選擇出最大、最有效的設(shè)計(jì)方案。面對(duì)此情況，以有限差分熱傳計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化效果明顯，同時(shí)這一技術(shù)和計(jì)算方法在爐壁熱損失最小值的基礎(chǔ)上對(duì)單層爐壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到一維優(yōu)化計(jì)算要求。

（1）單層爐壁優(yōu)化設(shè)計(jì)。單層爐壁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要提前設(shè)定一個(gè)爐壁的厚度，將該厚度值應(yīng)當(dāng)選擇數(shù)值較小的一些，然后將爐壁的厚度分成幾個(gè)不同成分，并且給出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的薄層厚度值，然后在利用上述計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，最終求取出最佳熱損失。這種計(jì)算方法是一種循環(huán)計(jì)算的過(guò)程，一直到求得最小熱損失厚度之后為止，這個(gè)時(shí)候我們還需要優(yōu)化爐壁厚度尺寸。

（2）雙層爐壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于雙層爐壁結(jié)構(gòu)，則需要選擇最優(yōu)方法進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方法的應(yīng)用是在傳統(tǒng)坐標(biāo)輪換法的基礎(chǔ)上達(dá)到一個(gè)多維無(wú)約束最優(yōu)化處理模式，將多維問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S無(wú)約束問(wèn)題處理，然后利用上述方法解決。在雙層爐壁襯砌結(jié)構(gòu)分析中，先給出一個(gè)耐火層的厚度值，優(yōu)化并確定保溫層的厚度，這個(gè)過(guò)程與單層爐壁優(yōu)化設(shè)計(jì)大致相同，然后找出總體熱損失最小值，再將這一數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，反過(guò)來(lái)計(jì)算耐火層的厚度，這樣反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，一直到優(yōu)化結(jié)果給出的要求為止。

（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式。由于熱損失的計(jì)算量本身很大，且計(jì)算之中還會(huì)存在反復(fù)計(jì)算、大量運(yùn)算且循環(huán)計(jì)算的過(guò)程，因此要想更好、更快的得到優(yōu)化計(jì)算數(shù)值，必須要在爐壁上不同位置、不同時(shí)間衡量溫度繼續(xù)擰計(jì)算，從而求出最佳、最合理的爐壁散熱和蓄熱數(shù)值，確定熱損失與爐壁之間的具體關(guān)系。在計(jì)算中，熱損失與路壁厚度之間的關(guān)系可以用下面計(jì)算公式表示。

在公式中，Q總損失—爐墻砌體在升溫、保溫時(shí)間內(nèi)總的熱損失；Q蓄—爐墻砌體在升溫、保溫時(shí)間內(nèi)蓄熱熱損失；Q散—爐墻砌體在升溫、保溫時(shí)間內(nèi)散熱熱損失；m—耐火層爐墻份數(shù)。n—保溫層爐墻份數(shù)；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(jié)束時(shí)的平均溫度；thn—保溫層第h層在工作結(jié)束時(shí)的平均溫度；t0—室溫；αm—耐火層綜合給熱系數(shù)；αn—保溫層綜合給熱系數(shù)。

2.2井式爐爐壁砌體優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于在井式爐爐壁砌體優(yōu)化設(shè)計(jì)中，雖然層數(shù)不同，但是具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是一樣的，因此在這里我們不再對(duì)這些計(jì)算方法進(jìn)行深入闡述。

3　優(yōu)化結(jié)果

3.1爐墻厚度對(duì)熱損失的影響。根據(jù)上述非穩(wěn)態(tài)傳熱有限差分法的計(jì)算公式，無(wú)論是對(duì)于全纖維的單層結(jié)構(gòu)的爐墻，還是由不同材料所組成的雙層結(jié)構(gòu)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(duì)熱損失影響的一般規(guī)律。

3.2爐墻厚度對(duì)界面溫度的影響。經(jīng)研究，我們可適當(dāng)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(lái)越小，此時(shí)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(shì)，爐外壁溫度與固定耐火層增加保溫層有同樣的規(guī)律，也是隨著厚度的增加而下降。

結(jié)語(yǔ)

總之，在非穩(wěn)態(tài)傳熱的基礎(chǔ)上對(duì)爐墻厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使?fàn)t墻厚度尺寸的確定科學(xué)化、最佳化，尤其是對(duì)于使用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的材料，優(yōu)化更為重要。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TM924

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