（机械电子工程专业论文）灌缝机加热系统研究.pdf

j 摘要 近几年，我国的公路养护事业呈现蓬勃发展的势头，尤其是高速公路早期病害的防 治与处理。对高速公路早期病害进行有效地预防和处理可延长高速公路的使用寿命并节 约巨大经济成本，受到了人们的普遍重视。本文基于某型号的道路灌缝机的研发，对道 路灌缝机加热系统的传热进行了研究。 灌缝机加热釜设计有两个关键技术，一个是加热系统设计，另一个是搅拌系统的设 计。文章介绍了灌缝机加热系统，分析了灌缝机加热系统的传热机理和传热方式。并 根据传热学基本知识，分析计算了燃烧室辐射传热、烟气自然对流传热和搅拌强迫对 流传热。在此基础了提出了改进灌缝机加热系统传热效率的方法。为结构设计提供了 的理论依据。根据热量平衡原理和导热油和加热釜的热量传递关系，采用分布式建模 方法建立了釜内温度变化与燃烧器加热功率、加热时间的动态关系模型，为今后的实 验起到了很好的指导作用。 在搅拌传热中，文章详细介绍了c f d 技术原理及在搅拌系统中的应用，并分析了灌 缝机高粘度搅拌材料的流变特性。基于c f d 技术理论，在f l u e n t 中对灌缝机桨式搅 拌桨进行了三维流场的仿真模拟，指出了桨式搅拌桨存在的缺点，结合锚式灌缝机的优 点，提出一种新型具有一定刮壁效应的搅拌桨并研究了该搅拌桨的流场特性以及转动速 度对高粘度搅拌材料流场和传热的影响。 关键词：灌缝机，加热系统，传热，流场 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，h i g h w a ym a i n t a i n e di n d u s t r yd e v e l o p sq u i c k l y ，e s p e c i a l l y ，p r e v e n t i o na n d c u r ea b o u th i g h w a ye a r l yd i s e a s e i tc a l lp r o l o n gh i g h w a yn a t u r a ll i f ea n ds a v ep l e n t yo f f o r t u n e a n db ep a i db r o a da t t e n t i o n o nt h eb a s eo fd e v e l o p i n gr o a dc r a c k - s e a lm a c h i n ew i t h a c o m p a n y ，t h ea u t h o rs t u d yh e m i n gs y s t e mo f r o a dc r a c k s e a lm a c h i n e t h e r ea r et w ok e y s - h e a ts y s t e ma n dm i xs y s t e mo nt h ed e s i g no fc r a c k - - s e a lm a c h i n e h e a t i n gr e a c t o r a u t h o ri n t r o d u c e sh e a t i n gs y s t e mo fr o a dc r a c k - s e a lm a c h i n ei nd e t a i la n d a n a l y z e si t sc o n d u c th e a t i n gm e c h a n i s ma n dh e a t i n gf a s h i o n s a c c o r d i n gt ob a s i ck n o w l e d g e o fh e a t i n gt r a n s f e ra u t h o rs t u d i e sh e a t i n gt r a n s f e ri nt h ea s p e c to ff i r e b o xr a d i a t i o n ，s m o k i n g n a t u r a lc o n v e c t i o na n dm i x i n gf o r c e dc o n v e c t i o n a n db a s i so nt h i s ，f i n d se f f e c t i v em e t h o d s o fi m p r o v i n gc r a c k s e a lm a c h i n eh e a t i n gs y s t e me f f i c i e n c y t h ea b o v ec o n c l u s i o n sp r o v i d e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t r u c t u r ed e s i g no fc r a c k - s e a lm a c h i n eh e a t i n gs y s t e m a d o p t e d d i s t r i b u t e dm e t h o do fm o d e l i n g ，b u i l d sd y n a m i cm o d e lb e t w e e nt e m p e r a t u r eo fh e a t i n g r e a c t o ra n dh e a t i n gp o w e ra n dh e a t i n gt i m eo fb u r n e rb a s e do nh e a tb a l a n c ep r i n c i p l ea n dh e a t t r a n s f e rr e l a t i o n ，ag o o dg u i d a n c ef o rf u t u r ee x p e r i m e n t 。 i nt h ea s p e c to fs t u d y i n go nh e a tt r a n s f e ro fm i xs y s t e m ，a u t h o ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e o fc f d t e c h n o l o g yd e t a i l e d l y ，a n da n a l y z e sg r e a s ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hv i s c o s i t ym a t e r i a l s ， b a s i n go nc f d ，a u t h o ri n v e s t i g a t e st h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wf i l e do fp a d d l e - t y p em i x i n g p r o p e l l e ri nt h ef l u e n ta n dp o i n t so u ts o m es h o r t c o m i n g s c o m b i n i n gw i t ha d v a n t a g e so f a n c h o r - t y p em i x i n gp r o p e l l e r ，p u t sf o r w a r dan e wk i n do fm i x i n gp r o p e l l e rc e r t a i n i n gb l o w i n g w a l le f f e c ta n ds t u d y st h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fr o t a t i o n a ls p e e do n t h ef l o wf i e l da n dh e a tt r a n s f e r k e yw o r d s ：c r a c k - s e a lm a c h i n e ，h e a t i n gs y s t e m ，s e a l a n t ；h e a tt r a n s f e r ，t h ef l o wf i e l d i i 长安大学硕上学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 进入2 0 世纪九十年代，我国公路建设，特别是高速公路的建设近年来得到快速发展， 到2 0 0 3 年底，通路历程已经达到了3 2 0 0 0 k m ，紧次于美国，居世界第二位。2 0 0 5 年达到 了4 1 0 0 0 k m 。截至2 0 0 7 年年底我国高速公路通车里程达到5 3 6 万公里，到2 0 1 0 年我国 的高速公路里程达到6 5 万公里。随着我国公路建设突飞猛进的发展和扩大，全国高速 公路网即将形成，今后公路工作的重点将逐渐从建设转为养护，养护工作的重点也将更 加注重预防性养护。 由于设计、施工、养护、气候环境以及道路交通载荷水平及流量等因素的影响，高 速公路路面在使用一段时间后会逐渐出现一些病害，其中裂缝是早期也是最常见的病害 之一，也是引发其他病害的重要因素。路面出现裂缝不但影响路面美观和行车的舒适性， 且易扩展造成路面结构的破坏而缩短路面的使用寿命【l 2 】美国联邦公路局在2 0 世纪8 0 年代开始了一项称为s h r p 的路面检测战略研究计划。调查统计后他们发现一条按照设 计要求质量合格的路面，当寿命7 5 时，性能一般会下降4 0 ，但是如果不及时维修养 护，再使用1 2 的寿命时，性能将再次下降4 0 ，这样就造成养护费用几倍的增加1 2 ，3 】， 严重影响高速公路的使用寿命。灌缝成套设备能够有效地抑制裂缝的扩展，及时地对裂 缝进行修补，提高公路的使用寿命，有效地保证和提高公路的养护质量、速度、效率、 安全和服务水平，保证公路运输大动脉的畅通，充分发挥经济、快速、方便、安全的优 势，降低养护成本，提高经济效益。用于路面裂缝维修的主要设备包括：开槽机、喷枪 和灌缝机，其中开槽机和喷枪主要用于裂缝修补的前处理工作，包括清洁和预热。灌缝 机是灌缝技术的核心设备。 灌缝技术在欧美发达国家比较成熟，这些国家的灌缝机产品和市场已经处于成熟 期，灌缝机产品企业经过几十年的发展，产品技术成熟，产品已经形成系列化，同时这 些企业不是单纯的生产灌缝设备，而且也生产开槽设备和专业密封胶，形成产品的系列 和产业的延伸，可以为裂缝病害处理提供成套的解决方案。比较著名的灌缝机厂家有韩 国路宝、美国c i m l i n 和e c r a f c o 公司、德国b r e i n i n g 公司、加拿大的s u s t e g 公司以及韩 国路保等。其中比较有影响的是美国c r a f c o 公司，这家公司是目前为止唯一的一家既生 产公路养护成套设备又生产各种形式养护材料的公司，其产品在各个发展中国家也有使 第一章绪论 用，公司生产裂缝处理设备、冷再生、热再生等多种路面养护机械，已有七大系列。其 中关于灌缝设备的就有3 大系列1 3 个机型。 近几十年来，随着中国高等级路面的迅猛发展，国外先进的灌缝技术也逐渐引进国 内，对中国路面的养护起到了积极的推动作用。但是对于中国庞大的市场，由于经济条 件的限制，靠进口设备并不是最终的解决办法，对于引进的进口设备，原理和结构不了 解，维修和养护起来比较费事。一旦出现问题，售后服务也跟不上。因此国内许多企业 在参照国外样机的基础上也开始了自己新产品开发工作。辽宁省的鞍山森远集团参照美 国c r a f c o 样机研制了l g j 一5 0 0 型路面灌缝机；河南百合公司在参照国外样机的基础上研 发了“路斗士 牌灌缝机，佛山威特的w t g f j 5 0 0 型灌缝机，这些国内研发产品虽然 在价格上较便宜，但是各个公司的型号和品种比较单一，研发的灌缝机的作业质量与进 口的产品比较还是有很大的差距。 图1 - 1 韩国路宝r s d 1 2 5 型灌缝机图1 - 2c i m l i n em a g m a l l 0 灌缝机 图l - 3c i m l i n em a g m a l l 0 灌缝机图1 - 4 鞍山森远l g j 5 0 0 型灌缝机 2 长安大学硕士学位论文 图1 - 5 佛山威特w t g f j - 5 0 0 型灌缝机 在灌缝机的研制中，加热系统的设计是一个关键技术。加热系统性能的好坏直接影响 整机作业质量，是整个灌缝设备设计的核心。目前国内对于灌缝机加热系统的设计主要 是参照国外样机的基础上，按照要求，根据经验和半经验研制和开发起来的，缺乏理论 的指导，没有严格的传热计算公式。为了提高加热设备的热量利用率，我们必须弄清加 热系统的传热方式和传热机理，在弄清加热系统传热方式的基础上分析加热系统的传热 过程，从而推导出正确的传热计算公式，找出提高加热系统效率的方法和途径，进而改 善系统的传热性能。 1 2 灌缝机加热系统的发展现状 各个厂家生产的灌缝设备，加热系统的形式和结构都不同。目前国内市场上的加热 形式主要有明火直接加热、电加热、导热油间接加热等；当然不同的加热形式有不同的 结构，相同的加热形式也可以有多种加热结构，比如说导热油间接加热，可以电热棒对 其内部直接加热也可以安装燃烧器对其底部和周围进行加热。 欧美发达国家的灌缝机产品和市场已经处于成熟期，这些国家的灌缝机产品企业经 过几十年的发展，产品技术成熟，产品已经形成系列化。加热系统技术也较成熟，这些 国家的加热系统加热时间短，加热材料温度均匀，自动化控制较高。灌缝材料一般采用 导热油间接加热，导热油在单独设置的小型燃烧炉中被加热到设定温度，再通过泵的带 动形成强制性循环流动对灌缝材料进行加热，灌缝材料在搅拌片的搅拌作用下流动，加 3 第一章绪论 热效率高，温度均匀，。例如德国b r e i n i n g 公司生产的沥青灌缝机，以丙烷燃烧器为燃 料，导热油间接加热。加热系统作业可分为两步：一是用高压热空气吹烤喷枪，把加热 后的压缩空气吹向裂缝。二是灌缝机的热熔箱加热熔化的沥青，用沥青喷枪将热沥青灌 入缝中。加热系统结构主要有沥青热熔箱，桨叶式强制搅拌桨及格栅式导热油盘管和加 热炉组成。全液压式驱动。煤气点火系统是由煤气罐、自动点火系统、燃烧器组成的。 自动点火系统有两个温度调节器，一个是调节导热油的温度，其最高温度一般在出厂时 已调好，另一个是调节沥青的温度。当这两个调节器都调好后，燃烧器的火焰也保持 恒定，燃烧器应固定在最佳燃烧点，以获得最佳燃烧效果。导热油管环绕在热熔箱的 周围，对沥青进行间接加热，与热熔箱同时受热的还有沥青喷射软管和沥青泵。 近十年来，国外先进的灌缝技术也逐渐引进国内，对中国路面的养护起到了积极的 推动作用。目前国内养护部门关于公路裂缝处理作业，大部分处于手工和半机械化作业。 对于国内小型养护灌缝机，加热系统一般采用燃料直接加热的形式，不需要泵等辅助设 备。这样的结构简单，价格较低，但灌缝材料受热不均匀，燃料利用率低。 随着中国公路事业的发展及庞大的市场需求，国内企业除进口少许设备和灌缝材料 外，在参照国外设备的基础上也开始了自己的研发工作，在2 0 0 3 年空后场务技术研究 所与中航一集团第五七0 四厂共同合作开发研制的整体式s k j 0 1 - 2 0 5 0 0 型灌缝机。该 机把喷枪和灌缝机开发为一体，自动化控制程度高，可以自动灌缝、自动吹扫，灌缝材 料温度自动控制在安全范围，不会出现炭化现象，控制室操作方便，作业质量好的特点。 该机的加热系统主要包括燃烧器热熔釜、柴油箱、温控器和燃烧器四个部分。热熔釜主 要用于接收燃烧室传递来的热量，使灌缝材料熔化，为灌缝准备符合作业要求材料。为 了缩短灌缝熔化的时间及保证灌缝料温度的均匀性，热熔釜使用导热油间接加热，导 热油是一种热量的传递介质，由于其具有加热均匀，调温控制温准确，能在低蒸汽压下 产生高温，传热效果好，节能，输送和操作方便等特点，近年来被广泛应用于各种场合。 导热油的热量是由燃烧器产生，导热油被加热到控制温度，热量同时传递给灌缝材料。 灌缝机加热系统的结构如图1 - 6 所示。热熔釜由外向内为保温层、燃烧室、导热油管道 和灌缝材料熔化室。灌缝料室设置有排列均匀的热管，热管下部分被插入导热油中，上 部分与灌缝材料接触，热管从导热油中吸收热量通过热管传递给灌缝材料。燃烧室在加 热釜的最下方，直接对导热油进行加热。最外面是保温层，材料为保温性能b - , 很z 好的硅酸 铭保温棉。防止加热釜外壁温度过高，烫伤工人。 不同的灌缝材料需要施工的温度不同，所以导热油最高加热温度的设定值也不同， 4 长安大学硕士学位论文 考虑到导热油安全温度，为了保证施工时的质量要求，在导热油中安装了自动温控装置， 可以根据实际情况设定导热油的最高温度。当导热油达到设定的最高温度时，热电偶把 信号传给控制器，使燃烧器停止工作。当导热油的温度下降到设定的最低值时，温度控 制器又启动燃烧器，从而保证灌缝材料的温度。s k j 0 1 2 0 5 0 0 采用导热油间接加热，导 热油最高温度控制，保证了灌缝材料的温度，但是灌缝料室内没有搅拌桨的作用，在灌 缝料室壁面灌缝材料温度过高，易焦糊，灌缝材料没有使用温控装置，容易使灌缝料温 度过高，灌缝质量受到影响。 图1 - 6s k j 0 1 - 2 0 5 0 0 型灌缝机加热系统 某公司研发的灌缝机，对于该型号灌缝机产品，通过分析国外各先进产品的优缺点， 针对国内公路养护工艺和应用水平，创新地采用了模块化设计思想，在保证性能稳定、 可靠、寿命长的基础上，还具有加热快速、温度均匀、控制准确的特点，满足了节能、 环保的要求。总体设计方案如下：该产品总体上分为七个模块，包括：发动机系统模块、 底盘系统模块、液压系统模块、加热系统模块、控制系统模块、输料系统模块、辅助系 统模块。各系统模块的功能以及整车的模块构成图为：发动机系统模块是整机的动力 源，驱动液压系统和控制系统；底盘系统模块承载所有工作部件，可方便实现移动作 业；液压系统分为二路，一路通过液压泵经液压控制阀驱动液压马达带动搅拌器工作， 另一路驱动液压马达带动输料泵工作；控制系统实现控制整机各部工作达到设计要 求；加热系统加热釜是该机的主要工作部件，实现灌缝材料均匀加热到灌缝所需温度； 输料系统完成最终灌缝的输出工作；辅助系统为发动机、液压系统、加热釜等乃至 整机服务。 5 第一章绪论 本产品在加热系统的结构设计上进行了创新设计，采用了独创的加热釜结构设计； 通过燃烧器在炉膛内燃烧产生热量，而炉膛内四周均作了隔热处理，只有一面与盘旋烟 道相通，使得炉膛中的热量沿着盘旋烟道上升，有效增大换热面积，改善烟气与壁面的 换热状况，均匀的加热导热油，并通过导热油间接对加热室的灌缝材料进行加热，在炉 膛与盘旋烟道四周设有多层保温，热量损失少，因此加热效率高，燃料耗量小；另外在 加热釜内部装有搅拌浆，通过搅拌浆对灌缝材料进行搅拌，使灌缝材料受热更加均匀， 避免了部分灌缝材料过热而产生碳化现象。同时大大减少能量损耗和对环境的污染。 1 3 灌缝机加热系统的结构和原理 灌缝机加热系统主要用于加热灌缝才料，使块状的灌缝材料受热熔化，为灌缝提供 符合温度要求搅拌均匀的灌缝材料，加热系统一般要保证灌缝材料温度均匀，不炭化结 焦。该系统一般包括灌缝料室、导热油室、燃烧室( 烟道) 和保温层四个部分。灌缝材料 如密封胶、沥青被盛放在灌缝料室内，通过一些途径对其加热、熔化，为灌缝施工提供 符合温度要求的液态灌缝料。一般灌缝料室会内设有搅拌桨，用于加强混合和传热。为 缩短灌缝料的加热时间保证温度的均匀性，灌缝材料一般通过导热油间接加热，热量是 由燃烧器产生，通过导热油底部和烟道对导热油进行加热，当导热油被加热到设定温度， 受热后的导热油再把热量传递给灌缝材料，一般有温控器控制燃烧器的启停，保证导热 油和搅拌材料在控制的温度范围内。 1 4 研究的目的和主要任务 灌缝设备在养护机械行业中已有多年的设计和使用经验，灌缝设备传热与普通热载 体设备传热的区别在于结构不同，灌缝设备要求结构简单，传热效率高。目前灌缝设备 加热系统的结构尚未成熟，加热形式在不断改进，结构布局也各不相同，有的卧室的、 有的是立式的、搅拌的直径与简体高度之比各异，这些因素显然都会影响灌缝设备的传 热，对于单件生产的设备，企业不可能投入大量资金对各种结构及尺寸的灌缝设备一一 进行传热试验，测试它们的传热系数和传热量，这样做在经济上是不切合实际的。但是 没有灌缝设备的传热计算公式工程估算方法又难于推广和发展灌缝设备，为了系统地研 究灌缝设备的传热，探索灌缝设备的设计理论依据，因此本课题的任务是利用传热学的 基本知识研究加热系统的传热机理和传热方式，找出提高加热釜传热效率的有效途径和 方法，改善系统的传热性能，提高灌缝设备的作业质量。为工程设计提供一个适用的传 6 长安大学硕士学位论文 热量的计算方法，降低设计所需的传热面积，解决生产设计工作的急需，获得经济效益， 对推动这种新型灌缝设备在工程上的推广应用起积极作用。 目前，灌缝机加热系统不管是理论分析还是实验研究，得出的规律都很不完整，不 能完全用于灌缝的设计，其设计和放大主要还是靠个人经验进行。随着灌缝设备的应用 越来越广泛，这种凭经验的设计放大方法的局限性也越来越明显。本文以某型号灌缝机 为例，以传热学、流体动力学为理论基础，以c f d 仿真为主要工具，研究灌缝机加热 系统在热平衡状态下的传热机理和传热方式，并推导出了正确的传热计算方法，在此基 础上对搅拌系统进行模拟。提出了改进加热釜的传热效率的有效方法。研究内容主要包 括： 1 介绍了灌缝机加热系统，分析了灌缝机加热系统的传热机理和传热方式。根据传 热学基本知识，分析计算了燃烧室辐射传热、烟气自然对流传热和搅拌强迫对流传热。 在此基础了提出了改进灌缝机加热系统传热效率的方法。为结构设计提供的理论依据。 2 分析高粘度非牛顿流体的流变特性，基于c f d 理论的流场数值模拟，在f l u e n t 中对灌缝机桨式搅拌桨进行了三维流场了仿真，考察了桨式搅拌桨的流动特性，指出了 目前桨式搅拌桨存在的缺点。 3 为了克服桨式搅拌桨的缺点，结合锚式搅拌桨的优点，提出一种新型具有一定刮 壁效应的搅拌桨，研究了该搅拌桨的流动特性以及转动速度对流场的影响。并对结果进 行了处理和分析。 7 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 2 1 研究对象和目的 灌缝机加热系统是整机设计的关键技术，加热系统性能的好坏直接影响到整机的作 业质量，是整机设计的核心部分之一。为了提高加热系统的加热效率，必须理清加热系 统的传热机理和传热方式，进而通过系统的传热机理与传热方式分析出加热系统的传热 过程，推导出正确的传热计算公式。正确的传热计算是为了合理的结构设计，而结构设 计是否能真正达到预期的目的( 如出口温度、换热量、效率等) 也需要正确的传热计算 去校核。从而找出提高加热釜传热效率的有效方法和途径，改善系统的传热性能。 2 2 传热学基本知识 传热学是研究热量传递规律的科学，它是工程热物理的一个分支。热力学第二定律 指出，在一个物体内或物系之间，只要存在着温度差，热量总是自发地由高温处传向低 温处。这种靠温差推动的能量传递称为热传递。由于温度差在自然界和生产领域中广泛 存在着，故热量传递就成为自然界和生产领域中的一种普遍现象。传热学在工程技术领 域里应用十分广泛。诸如，在能源、化工、冶金和动力机械等部门中广泛使用的专门热 力设备及换热器等的设计、制造、运行和经济效益的提高均需运用传热学知识。 工程技术领域中的传热问题，大致可分为两类。一类是着眼于传热速率的大小及其控制， 或者增强传热或是消弱传热。例如，水冷式内燃机水套中的冷却水在散热器中放出的热 量，为了使散热器换热效率高及结构紧凑，就必须增强传热；相反，为使热力管道减少 热损失，则必须采取隔热保温措施，以消减传热。另一类传热问题，则是着眼于温度分 布及其控制。如确定内燃机气缸活塞的温度分布就是常见的实例。要解决这两类传热问 题，必须具备热传递规律的基本理论知识和分析传热问题的基本能力。从热量传递的机 理上说，有三种基本热传递方式，即热传导( 导热) 、热对流和热辐射【4 1 。 2 2 1 温度场和温度梯度 温度场是指某一瞬间，空间( 或物体内) 所有各点温度分布的总称。 温度场是个数量场，可以用一个数量函数来表示。一般说，温度场是空间坐标和时 间的函数，即 t = f ( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 ) 8 长安大学硕士学位论文 式中x 、y 、z 为空间直角坐标，f 为时间。 从式( 2 - i ) 可见，温度场可按随时间或随空间坐标变化进行分类。如果温度场随 时间变化，则为非稳态温度场。式( 2 - 1 ) 是非稳态温度场的一般表达式。如果热状态 是稳定的，即温度场内各个点的温度不随时间变化，这样的温度场就是稳态温度场，它 只是空间坐标的函数。 温度场除了如上表述的可用数量函数表示外，还可用等温面( 线) 直观地表示出来。 所谓等温面，就是在同一个时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面( 线) 。 在同一时刻，物体内任意一点的温度不可能具有一个以上的不同值。所以，两个不同温 度的面( 线) 在物体内不可能相交，并且热量传递只能沿不同的等温线( 面) 进行。我们 将等温面( 线) 上任一点的法线方向的温度变化率定义为温度梯度，其数学表达式为： 鲫t ：喜n ( 2 2 ) 式中，n 表示等温面法线方向的单位向量，晏表示法线方向的温度方向导数，亦即法向 的温度变化率。 温度梯度的这个定义是与坐标系无关的，它是由物体内的温度分布决定的。当温度 场被确定时，场内各点的温度梯度也就相应地被确定了。 温度梯度在直角坐标系中可表示为它在三个坐标轴方向的分量之和，即 温度梯度是一矢量，在空间直角坐标系中，可以表示为： g r a d t ：垦i + 鱼j + 鱼k ( 2 3 ) 2 丙1 + 瓦j + 夏k z 一3 ) dx口l，dz 式中i 、j 、k 分别表示三个坐标轴方向的单位向量；妄、妻、差分别表示温度梯度在 坐标轴上的投影【5 1 。 2 2 2 热传导 热传导又称导热，由于物体中各部分温度不同，或相互接触的物体之间的温度不相 同，物体在宏观上没有发生相对位移时热量传递现象，热传导在宏观上没有位移的相对 运动而是靠微观粒子例如分子、原子和自由电子等的热运动而发生的热量传递。热传 导可以在在固体和液体中发生也可以在气体中发生。通常认为：纯导热只发生在密实的 9 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 固体中。另外，在静止的液体中发生的热传递也主要取决于导热。 不同物质的导热机理如下： 1 ) 在气体中导热是气体分子不规则热运动时相互作用或碰撞的结果； 2 ) 在不导电的固体中，导热主要是通过晶格的振动来实现的； 3 ) 在金属中，导热主要是通过自由电子的运动、相互作用和碰撞来实现的； 4 ) 液体中的导热，近代传热学的观点认为主要是依靠晶格振动和布朗运动实现的。 1 8 2 2 年，法国数学家傅立叶对热传导现象作了深入的观察，提出了下面的数学式： q x = - l t a - - 呈。 ( 2 4 ) 旷鲁一一九罢 防5 ， 式中，q a 为热流量( w ) ，允为导热系数( w ( m ) ) ，q a 为单位面积的热流量( w m 2 ) ， t 为温度( ) ，a 为面积( m 2 ) 。 式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 称为傅立叶定律，是热传导的基本定律，式中的负号表示热量传 递的方向与温度梯度的方向相反。该式表明当物体进行纯导热时，单位时间内通过垂直 于热流方向上的单位面积的热流量与温度梯度成正比。 导热系数a 是物质固有的一种热物理属性，其定义式由傅立叶定律式( 2 - 6 ) 给出： a ：一坠一 ( 2 6 ) 孤| 瓠 由式( 2 6 ) 可以看出，导热系数a 在数值上等于每单位温度梯度作用下物体所传导 的热流密度值。允可用于表征物体导热性能的强弱，其值随物质的种类而异，且还与物 质的结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关【5 1 。 气体的导热系数数值约在0 0 0 6 - 0 6 w ( m ) 范围内。随温度的升高而增大。 在1 0 个大气压力以下，大多数气体的导热系数仅仅是温度的函数，与压力无关。 液体的导热系数约在0 0 7 - - - 0 7 w ( m ) 之间。液体中，除水和某些水溶液及甘 油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而减小，除非接近临界点，压力对液体导 热系数无明显影响。 2 2 3 热对流 热对流是指温度不同的物体在宏观上发生相对位移引起的能量传递。主要发生在流 体、流体和固体壁面之间，热对流主要依靠流体运动来进行热量传递。在实际工程中的 1 0 长安大学硕上学位论文 流动传热问题，常常是发生在流体和固体壁面之间。我们把流动的流体和固体壁面之间 的传热问题，称为对流换热。对流换热的特点是，在靠近壁面的地方有流体薄层的存在， 在流体薄层中热量是靠热传导进行，而在薄层外的热量传递主要依靠对流进行。例如， 电子元件的散热，冰箱排热管散热，暖气片的散热及冷库中冷却管的吸热等。 对流换热计算公式一直沿用牛顿冷却定律，表达式如下： q 。= a a ( t w t f ) ( 2 7 ) q 口= a ( t w t p ( 2 - 8 ) 式中，q 口为单位时间内的对流换热量( w ) ，q 。为单位时间单位面积的对流换热量 ( w m 2 ) ，t w 为固体壁面温度( ) ，t f 为流体温度( ) ，a 为对流换热系数( w ( m o c ) ) ， a 为对流传热面积( m 2 ) 。 需要注意的是，对流换热系数a 与导热系数允不同，a 不是物质参数，而是与流体 运动产生的原因，流动的状态，流体有无变相，流体的物质以及壁面的形状、相对位置 等许多因素有关的。 流动产生的原因 对流换热问题可分为自然对流换热和强迫对流换热两大类，自然对流换热是由于流 体内部冷、热各部分密度不同所产生的浮生力作用而引起的，一般对流换热系数较低。 而强迫对流换热是流体受迫对流，换热系数一般比自然对流高。从表2 1 可以看出。 流动状态 流体的流动状态有层流和紊流之分。层流依靠流体分子的迁移运动即热传导方式。 而紊流时的热量传递，除依靠导热方式外，主要依靠涡旋流动，从一个流层向相邻流层 随机运动过程中传递热量，使换热大大增强。所以紊流换热要比层流换热强烈，对流换 热系数较大。 有无相变 在对流换热过程中，流体可能会发生相的变化，变相换热时，流体吸收或放出汽化 潜热。对于同一种流体，其汽化潜热要比比热容大得多，故变相时的换热系数较无变相 时的大，如表2 1 所示。 流体物性 由于流体的物理性质不同，对流换热过程可以是各种各样的，流体的物理性质可因 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 流体的种类、温度和压力而变化。影响换热的流体物性参数主要是导热系数a 、比热容 勺、密度p 、粘度( 、v ) 和体膨胀系数卢等。 1 ) 导热系数九。导热系数a 大，则流体内部、流体与壁面之间的导热热阻就小， 换热系数较大。 2 ) 定压热容勺。c p 大的流体，单位体积能携带更多的热量，亦即对流作用转移 热量的能力大，故换热系数也大。 3 ) 密度p 。p 对流体单位体积携带的传热量有影响，一般p 越大，对流换热系数 值也越大。 4 ) 粘度( p 、v ) 。流体的粘度对于换热有较大的影响。粘度大，流速就较低，往 往处于层流状态，使对流换热系数较小。 5 ) 体膨胀系数卢。体膨胀系数卢影响自然对流换热。p 增大，浮升力f 增大，以 自然对流作用转移热量的能力增强，对流换热系数增大。 几何因素 传热表面的相对位置、尺寸和形状等几何因素都会影响到对流传热。 从以上的五个方面，我们可以把对流传热系数h 影响的主要因素用函数表示出来f 6 1 ： h = f ( v ，f w ，f 厂，允，p ，cp ，7 ，仗v ，) ，c ，妒) ( 2 9 ) 表2 - 1 对流传热系数的大致范围 对流传热种类 h ci w ( m 2 k ) 】 空气自然对流 l 1 0 水自然对流 2 0 0 1 0 0 0 气体强迫对流2 0 - - 1 0 0 高压水蒸气强迫对流5 0 0 3 5 0 0 水强迫对流 1 0 0 0 1 5 0 0 0 饱和水沸腾传热 2 5 0 0 2 5 0 0 0 饱和水蒸气凝结传热 5 0 0 0 - - 一l5 0 0 0 1 2 长安大学硕上学位论文 2 2 4 热辐射 前面所讲的热传导和热对流一般需要物体的直接接触来进行换热，但是在自然界里 还有不需要物体直接接触就可以进行的热交换。我们把物体不直接接触而是靠发射电磁 波向外传递能量的现象叫辐射换热。具有温度的物体会不断地向空中发射能量，其中由 于不同的物体具有的温度是不同的，因此向空中所发射的能量也不同，这种由于温度差 引起的辐射能量的吸收和发射过程叫做热辐射。 自然界中超过摄氏零度的物体都在不停地向外发射辐射能，同时又吸收空间的其它 辐射能，随后并将辐射能转变为热能保存起来。实验表明，物体的辐射能力和温度有关， 同一温度下不同物体的辐射和吸收的本领也大不一样。温度较高的物体吸收的辐射能比 发射的少，低温物体吸收的辐射能比自身发射的多，这样两个温度就形成了辐射换热， 总的结果就是高温物体的能量转移到低温物体。 当辐射的热量投射到物体上时，和可见光一样，也会发生吸收、反射和穿透现象。 根据被吸收、反射和穿透的能量百分数可以定义该物体对投入辐射的吸收率、反射率和 穿透率为l 的物体叫做透明体。气体中分子结构对称的双原子气体( 如氧气、氮气等) 实际并无发射和吸收辐射的能力，可认为是热辐射的透明体。但是三原子( 如c o ，) 、 多原子( c h 。) 以及结构不对称的双原子气体如( c o ) 却有相当大的辐射本领。气体辐 射不同于固体和液体辐射，具有两个突出的特点： 1 ) 气体辐射对波长有选择性； 2 ) 气体辐射和吸收是在整个容积中进行的。 辐射换热是高温条件下换热的主要机制。在一样的温度下，假象的黑体的辐射能力 是最大的。它单位时间内发射的辐射能为： q = o - b a t 4 ( 2 1 0 ) 式中，q 为辐射能量( w ) ，t 为绝对温度( k ) ，a 为物体的表面积( m 2 ) ，吼为黑 体辐射常数，仃h = 5 6 7 x 1 0 。8 w ( m 2 k 4 ) 。 实际物体的辐射能力均小于相同温度下黑体的辐射能力，其辐射能的计算式为： q - - 吼a t 4 ( 2 1 1 ) 式中，s 为物体的发射率，也称黑度。 对于两个相互平行且十分接近的黑体表面之间进行的辐射换热量可按下式计算： 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 q = c r b a ( f - t ；) ( 2 1 2 ) 式中，王为高温表面的绝对温度( k ) ，l 为低温表面的绝对温度( k ) 。 可见，辐射换热与导热、对流换热不同，其特点是： 1 ) 不仅有能量的传递，而且有能量形式的转化，即从热能转变为辐射能，或是辐射 能转变为热能； 2 ) 不必借助于中间介质，在真空中也能进行； 3 ) 在发射辐射能的同时也在吸收。 在一些温度较高的传热场合中如燃烧辐射换热具有重要意义，通过对辐射换热的学 习我们可以通过一些途径增强辐射换热。 1 ) 物体表面处理 增加表面的粗糙度。增加粗糙度可以有效地提高表面的发射率，从而增加辐射换 热，它实际上是在物体表面形成凹坑、孔缝，增加物体对辐射的吸收能力。 在物体表面形成氧化膜。大多金属表面氧化膜对发射率影响很大，当金属表面形 成的氧化膜达到0 2j l lm 时，发射率提高了很多。 在物体表面涂料。有些涂料可以增加物体的发射率，如三氧化二铁f e ，o ，系列涂 料、c s i 系列涂料和稀土系列涂料等。 2 ) 在一些气流中添加固体颗粒 在气流中加入一些固体微粒，如石墨、黄沙、铅粉等，可改变气流的某些物理性质，形 成气一固悬浮系统。这种系统具有较高的容积比热容，从而提高了流体的容积比热容和 热容。此外，固体颗粒与壁面撞击，起到破坏边界层和携带热能的作用，从而增加了热 辐射。这种增加辐射能力的措施对具有辐射能力的烟气非常有效。在一些气流中添加固 体颗粒的效果主要是看颗粒在气流中的含量和颗粒本身的大小还于气流通道的形状及 气流的流动状态有关。 3 ) 改变换热面的形状、大小对换热面进行优化设计 可以通过改变换热面结构和形状，可以增加换热面积延长换热时间，提高辐射换热 的角系数，从而改变辐射传热 4 1 。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 3 系统的加热- 性质 2 3 1 灌缝机加热系统 加热釜形势多种多样，有立式和卧式之分，大多以柴油为燃料。常见加热釜采用导 热油间接加热。导热油间接加热是目前灌缝设备中应用比较广泛、技术也较成熟、加热 效果较好、热量利用率较高的一种方式，它能使材料加热温度比较均匀。防止产生高 温死区，形成炭化或结焦。加热系统的热源来自燃烧器，由燃烧器提供能量，燃烧的热 量通过两个渠道对导热油加热，一个由燃烧室的上部导热油箱的底部对导热油进行加 热，另一个通过盘旋的烟道对导热油进行加热。 2 3 2 加热性质 从上面的加热系统的分析知道，该加热系统是通过加热釜下面的燃烧器提供能量， 热量再通过导热油传递给灌缝材料。加热系统的传热主要分为两个部分：燃烧器提供 燃料燃烧，把热量传递给导热油；导热油通过筒壁把热量传递给灌缝材料。 在加热釜底部的燃烧器加热导热油时，燃烧器喷射雾状油料燃烧放出能量，高温火 焰会形成辐射传热，辐射的热量通过燃烧室的顶部，导热油道的底部把热量传递给导热 油，这个过程是传热形式中最基本的热传导。燃料燃烧后形成的高温烟气进入烟道在向 烟道出口流动的过程中对导热油进行加热，这是典型的对流传热。同时燃料燃烧形成的 二氧化碳、水蒸汽和一些不完全燃烧所形成的固体颗粒也会形成辐射传热。通过上述分 析，我们可以发现，在燃烧器对导热油进行加热的过程中，热量主要是以对流传热和辐 射传热进行传递的，同时这个过程还含有单纯热传导，在炉腔中加热的表现的尤为明显。 在导热油加热灌缝材料的过程中，导热油受热时由于靠近壁面温度较高，内部温度 较低会在导热油道中自然流动，形成自然对流传热。而灌缝材料在搅拌桨的搅拌下，产 生稳定的强制性流动，搅拌材料和筒壁形成强迫对流传热。所以，在导热油加热灌缝材 料的过程中，是以对流传热为主的传热方式。 2 4 系统的传热过程 2 4 1 燃烧室辐射传热分析 2 4 1 1 燃烧室传热特性计算 由于搅拌的关系，加热釜一般为圆形，在加热釜的底部设置燃烧室。在燃烧室的一 侧放置有燃烧器，燃烧器提供燃料，燃料在燃烧室燃烧，产生的烟气经烟道放热后再经 1 5 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 烟囱排出。烟气分别通过导热油箱的底部和烟道传给导热油。在该加热系统中，烟气在 燃烧室中主要以辐射传热为主，在烟道中则是以对流传热为主辐射传热为辅。 在燃烧室内，燃烧室的圆筒部分及上、下端部为受热面，火焰和烟气在空间各点可 有不同吸收系数，假定是灰性介质。壁面上有灰污，特性为漫发射和漫反射。燃烧室传 热计算的主要任务是确定燃烧室的吸热量和燃烧室出口处烟气的温度。由于燃烧室内的 烟气流速较小，对流传热可以忽略，所以在燃烧室吸热量的计算中，一般只计算辐射传 热量。 在燃烧室内燃油类燃料在燃烧时会形成火焰，燃烧过程非常复杂，既有热量传递和 物质交换的物理过程，也有燃烧时的化学变化，即使在稳定状态下，燃烧室内火焰的传 播速度也是不均匀的，燃烧生成的烟气的温度分布也不均匀，燃烧室内的成分场也受多 种因素的影响。由于燃烧的复杂多变性，一直以来人们就认为直接用理论公式进行分析 计算是不可能的。然而通过众多学者的观察研究和分析，在燃油类锅炉中，燃油类燃料 燃烧的过程、完全燃烧所需的条件及全部燃烧所需的时间和固体燃料并不相同，雾化油 滴完全燃烧的时间很短，在燃料充分燃烧的情况下，炉内的化学变化几乎可以忽略，炉 膛内的传热基本上是高温烟气热体和灰体外壳之间的辐射换热过程。高温烟气在进行一 次热辐射，吸收后要损失一部分能量，这部分能量被燃烧室受热面所吸收，在稳定状态 下，燃烧器稳定的喷射油雾，烟气在释放一次热量后又不断地吸收新补充上的能量，使 稳定维持在某一定值。 图2 1 是高温烟气和燃烧室壁面之间的辐射传热，实际上就是高温烟气l 的假象表 面和附在燃烧室壁面上的烟灰物体2 的内表面之间的辐射传热。现在问题就转化为求高 温烟气1 和附着在锅炉钢板3 上的烟灰物体2 之间的传热量嘲k w 。 1 6 长安大学硕士学位论文 锅炉钢板3烟灰物体2 图2 - 1 燃烧室内辐射抉热不慈图 图2 2 是高温烟气和烟灰之间的有效辐射示意图，烟气和烟灰在辐射传热时，燃烧 产物中气体不同于固体和液体。产物中的单原子气体、空气和氢、氧、氮等分子结构对 称的双原子气体，他们的吸收和辐射能力很微弱，可以认为是热辐射的透明体。只有非 对称型的气体如一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫等具有相当大的辐射和吸收能 力才真正起辐射作用。设烟气1 的热力学平均温度为t y ，k ；有效辐射为j 。，w m 2 ； 辐射力为e 。，w m 2 ；发射率( 习惯上成为黑度，下同) 为占。；作为绝对黑度的辐射力 为毛，w m 2 ；投入辐射为g l ，w m 2 ；表面积为a 1 ，m 2 。物体2 ( 真是的) 的热力 学温度为t w ，k ；有效辐射为j 2 ，w m 2 ；辐射力为e 2 ，w m 2 ；发射率为s 2 ；作为绝 对黑度的辐射力为昂2 ，w m 2 ；投入辐射为g l ，w m 2 ；表面积为a 2 ，m 2 。那么，根 据传热学知识【9 】 e 1 = s ，ee b x j 。 ( 2 1 3 ) e 。= s ，e 矗 ( 2 - 1 4 ) 注：符号的e 角标表示确定该符号所表示量的参量，本文下同。 1 7 第二章灌缝机加热系统传热的理论分析与计算 图2 - 2 燃烧室内有效辐射示意图 烟气谈不上有反射性，反射率n