耐火纤维喷涂炉衬的计算机辅助设计

耐火纤维喷涂炉衬的计算机辅助设计

耐火纤维填充技术是近20年开发的一种新技术，可以建造工业炉的抗火恐惧衬里。该技术采用专用设备,将经过预处理的耐火纤维和结合剂喷涂到炉壳表面,以形成耐火保温层。导热系数是耐火纤维喷涂炉衬的重要物理性能参数,而且随温度和体积密度而变。在国标GB/T16400中仅给出了在特定温度(500±20)℃下,不同体积密度的普通硅酸铝耐火纤维制品的导热系数,而在国标GB13350中也仅给出了绝热用玻璃棉及其制品在70℃时的导热系数和参考性导热系数的线性方程式,这些数据不够以作为纤维炉衬设计的依据。工程上一般采用试算或估算法设计炉衬厚度,可是计算麻烦,精度也较差。本文提出了一种耐火纤维喷涂炉衬的计算机辅助设计方法,给出了耐火纤维喷涂炉衬材料导热系数与温度依赖关系的计算机拟合方程式,在此基础上进行了炉衬厚度及其内部温度分布的计算机设计与计算。对两个石化工业炉案例进行的分析核算表明,采用计算机辅助设计,方法简便,结果可靠合理,具有实用性。1导热系数与温度依赖关系及其处理经过耐火材料传递的热量是由下列同时发生的过程构成的:凝聚相传热(热传导、热辐射)、气体传热(气体的热传导、辐射和对流)、以及颗粒间的接触和气体与固体(液体)物质间的界面传热。因此耐火材料的导热系数将随着温度和体积密度的变化而发生改变。为了进行炉衬的计算机辅助设计,首先需要给出导热系数与温度依赖关系的解析表达式。大量数据统计结果表明,体积密度在200～300kg/m3范围内的不同种类(普铝、高铝和含锆)耐火纤维喷涂材料的导热系数差别不大。图1曲线上的圆圈给出了实测的导热系数λ随温度T的变化关系。假设导热系数与温度的关系可用一个三次多项式表示λ(T)=aT+bT2+cT3(1)其中a、b和c三个系数可由最小二乘法求得,结果为a=1.644×10-4b=-2.896×10-8c=1.018×10-10图1给出了计算机拟合的导热系数与温度T的变化曲线(圆圈为实验数据,实线为计算机拟合曲线),与实测数据符合得很好。可作为以下耐火纤维喷涂炉衬计算机辅助设计的基础。2热流密度q指向温度根据热传导理论,高度与宽度是厚度的10倍以上可近似为一维传热,而对大直径的圆筒式容器来说,用平板一维稳态热传导理论对其衬里厚度进行计算是合理的。在连续操作的窑炉中,对于均匀各向同性固体,根据一维稳态热传导的傅里叶定律:q=-λdΤdx(2)q=−λdTdx(2)式中,x为热传导方向的笛卡儿坐标,温度梯度垂直等温面,热流密度q指向温度降低的方向。当导热系数λ是温度T的函数时,热传导方程为变系数微分方程式,炉衬厚度及其内部温度分布的计算,可借助计算机来完成。将式(1)代入式(2),并对式(2)两边积分,代入边值条件x=0,T=T1得∫Τ2Τ1T2T1-(aT+bT2+cT3)dT=∫x0x0qdx=qx其中,x为炉衬厚度,T1和T2分别为炉衬内、外壁温度,可得到炉衬内的温度分布,由下式表示qx=12a(Τ21-Τ22)+13b(Τ31-Τ32)+14c(Τ41-Τ42)(3)qx=12a(T21−T22)+13b(T31−T32)+14c(T41−T42)(3)根据式(3),利用计算机可作如下计算:1)若已知炉衬内壁温度T1,炉衬外壁温度T2,炉衬厚度x,可求热流密度q。2)若已知炉衬内壁温度T1,热流密度q,炉衬厚度x,可求炉衬外壁温度T2。3)若已知炉衬内壁温度T1,热流密度q,炉衬外壁温度T2,可求炉衬厚度x。3案例分析以加氢炉和焦化炉为典型案例,将上述计算机程序计算所得结果与实测数据进行比较,以验证这一方法的精确程度。3.1表面粗糙度的计算加氢炉为一辐射-对流型立管式圆筒加热炉,油气混合燃料底烧型。辐射室内径2.732m,高6.585m;炉膛设计温度为900℃,炉衬总厚度为200mm,由140mm厚普铝纤维和60mm厚高铝纤维组成的复合层衬里结构。温度以点温度计测定,其结果列于表1中。环境因素对炉外壁温度有直接影响,这体现在表面损失热流密度的计算中。设计时可按当地年平均温度和年平均风速进行计算;而当与运行效果进行检验计算时,可取实测时的环境温度和风速值。表1中表面损失热流密度按下式计算qs=αs(T2-Tr)式中αs为表面散热系数,这里αs=αr+αc,其中αr=5.669εΤ2-Τr[(Τ2100)4-(Τr100)4]αc=4.24W0.805D0.152(WD2＞0.8?m2/s)其中W为风速,D2为炉体的外径,αr为辐射散热系数,αc对流散热系数,ε为外表面材料的黑度,随材料光洁度越高而越低,对于油漆取0.80～0.90,这里取ε=0.90,对应于两次测量分别取W=4.5m/s和3.8m/s,取D2=2.7m,这样,对应于两次测量分别为αs=16.6W/(m2·K)和16.2W/(m2·K)。计算表明,炉外壁计算温度与实测温度间基本相符,对应于两次测量其相对偏差分别为0.63%和0.10%,具有一定实用性。图2给出了计算得到的炉衬内温度分布曲线。3.2炉衬内温度分布用TVS2000型红外热像仪对焦化加热炉外壁温度进行了测试,测试精度为0.05℃。测定结果列于表2中。焦化加热炉为辐射-对流型、底烧、方箱型炉,炉衬面积约600m2,炉膛设计温度为800℃,炉衬为普铝纤维和高铝纤维组成的复合层衬里结构,总厚度为200mm。计算得到炉衬内温度分布曲线如图3。取ε=0.85,等效炉外径D2=5.0m,对应No.1和No.2加热炉分别为αs=10