轻质耐火砖导热系数的计算及在温度—流场中的数值模拟

论文摘要

轻质耐火材料作为工业窑炉和高温设备中的隔热材料,对工业生产中热量的损失具有重要影响。使用轻质耐火材料是实现产业节能的有效方法。研发低热导性的轻质耐火材料对工业节能环保意义重大。本实验利用传热学理论和有限单元原理,结合实验测得莫来石轻质耐火砖的热物理性能参数,建立有限元模型,利用ANSYS、COSMOS、FloWorks等软件对轻质耐火砖及玻璃窑壁传热过程进行模拟并对玻璃窑进行了流场-温度场的耦合计算。论文得到的主要结论为：（1）轻质耐火砖导热系数随着气孔率的增大逐渐降低,孔形对轻质耐火砖导热系数的影响大小规律为：圆柱形气孔>球形气孔>方形气孔。（2）空气流动时轻质耐火砖的导热系数要高于空气不流动时轻质耐火砖的导热系数,因此轻质耐火砖中的气孔形成闭孔对降低其导热系数有利。空气不流动时孔径变化对轻质耐火砖导热系数的影响不明显,空气流动时孔径变化对轻质耐火砖导热系数的影响规律不一致,其中对于方形气孔孔径越小其导热系数越小。（3）根据建立的有限元模型,计算不同轻质砖厚度构成的玻璃窑炉炉壁的温度场表明,随着轻质耐火砖厚度的增加,窑炉外壁温度降低。当轻质耐火砖的厚度达到一定值,窑炉外壁温度变化开始不明显,因此玻璃窑炉炉壁最佳的轻质耐火砖厚度为100～150mm时保温效果最好。（4）采用厚度为l00mm的轻质耐火砖作为玻璃窑炉炉壁,构建浮法玻璃窑,窑内流场和温度场的耦合计算表明：玻璃窑内气体整体的流动平稳,没有火焰相撞的状况发生；温度场的分布均匀,高温区域合理。说明100mm的轻质耐火砖作为玻璃窑炉炉壁能有效提高玻璃窑的保温性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 轻质耐火材料
• 1.2.1 轻质耐火材料
• 1.2.2 轻质耐火材料的隔热原理
• 1.2.3 轻质耐火材料的分类
• 1.2.4 轻质耐火砖的研究进展
• 1.3 玻璃窑炉
• 1.3.1 玻璃窑结构示意图
• 1.3.2 玻璃熔窑窑炉炉壁保温的研究现状
• 1.4 实验意义和目的
• 第二章 计算原理和方法
• 2.1 计算内容
• 2.2 热量传递基本方式
• 2.2.1 传导
• 2.2.2 对流
• 2.2.3 辐射
• 2.3 导热系数测量原理
• 2.4 稳态法测量导热系数的计算机模拟
• 2.4.1 有限单元法分析
• 2.4.2 ANSYS软件和COSMOS软件的应用
• 2.4.3 模型的建立
• 2.4.4 热分析的步骤
• 第三章 气孔结构参数对耐火砖导热系数的影响
• 3.1 模型的建立
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.1.4 单元类型和物性参数
• 3.1.5 边界条件与加载
• 3.2 导热系数计算结果分析
• 3.2.1 气孔率对耐火材料导热系数的影响
• 3.2.2 气孔孔径对材料导热系数的影响
• 3.2.3 气孔形状对材料导热性能的影响
• 3.3 小结
• 第四章 玻璃窑炉炉壁传热过程有限元模拟
• 4.1 有限元模型的建立及网格划分
• 4.2 轻质保温砖厚度与炉壁温度变化的关系
• 4.3 不同结构炉壁保温效果的对比
• 4.4 小结
• 第五章 浮法玻璃窑流场与温度场耦合计算
• 5.1 模型建立
• 5.1.1 玻璃窑实物模型
• 5.1.2 数学模型
• 5.1.3 有限元模型
• 5.2 边界条件与加载
• 5.2.1 壁面边界条件
• 5.2.2 进口边界条件
• 5.2.3 出口边界条件
• 5.3 玻璃窑的流场计算
• 5.4 玻璃窑的温度场分布
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢