一种顶燃式热风炉流场模拟装置及其模拟方法

摘要

本发明提供了一种顶燃式热风炉流场模拟装置，包括透明的顶燃式热风炉模型(5)，鼓风机(10)，数据发送器(18)，数据接收器(19)，及计算机(20)。本发明还提供了一种顶燃式热风炉流场的模拟方法，该方法通过在线监控顶燃式热风炉炉内不同位置的气体流速分布，示踪粒子演示气体流场分布，达到形象显示流场和定量显示流速分布的目的，且模拟顶燃式热风炉流场和流速分布的方法简单准确。

说明书

技术领域

本发明涉及炼铁热风炉内气体流场研究技术领域，特别涉及一种顶燃 式热风炉流场模拟装置及其模拟方法。

背景技术

早在20世纪20年代哈特曼(Hartmann)就提出了应用顶燃式热风炉 的设想，但未受到重视。直到20世纪60年代，由于高风温的要求，人们 才开始研究顶燃式热风炉。不过，国外的研究还停留在试验和方案阶段， 还未投入工业使用。我国是世界上最早采用顶燃式热风炉的国家，20世纪 70年代末，首钢成功开发了拥有自身专利技术的顶燃式热风炉，顶燃式热 风炉是把燃烧室移到热风炉拱顶，提高了格子砖的使用面积，减少占地面 积，与传统的内燃式和外燃式热风炉比较，具有结构简单、占地面积小、 投资比较低等优点，是今后热风炉技术的发展方向。

近年顶燃式热风炉技术发展迅猛，先后出现了卡鲁金顶燃式热风炉、 球式顶燃式热风炉和旋流式顶燃式热风炉等类型，顶燃式热风炉内流场分 布是否均匀与其使用寿命、换热效率等因素紧密关联，气体流动是很复杂 的运动问题，对于传统的炉内流速和流场测定，通常采用风速仪单点测试 方法，存在各点测量数据不同步和不准确等问题，故改进模拟测定装置， 提高流场测试的准确性和测试效率非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测试简单、准确的顶燃式热风 炉流场模拟装置及其模拟方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种顶燃式热风炉流场模拟装置， 包括透明的顶燃式热风炉模型，鼓风机，数据发送器，数据接收器，及与 所述数据接收器连接的计算机，所述热风炉模型内设置有测速元件，所述 测速元件与数据发送器连接，所述鼓风机依次与调节阀、电子测压装置和 电子流量计连接后，再经上截止阀和下截止阀与所述热风炉模型相连。

进一步地，所述调节阀上设置有与所述数据发送器线路连接的阀门开 度检测元件，所述电子测压装置上设置有与所述数据发送器线路连接的压 力检测元件，所述电子流量计上设置有与所述数据发送器线路连接的流量 检测元件。

进一步地，所述热风炉模型包括炉顶、炉身扩口和格子砖。

进一步地，所述格子砖的入口测点处设置有与所述数据发送器连接的 测速元件，所述格子砖的出口测点处设置有与所述数据发送器连接的测速 元件。

本发明提供的一种顶燃式热风炉流场模拟方法，包括如下步骤：

1)来自鼓风机的空气进入热风炉模型时，空气的压力和流量信号被采 集至计算机，以确定气体工况条件；

2)利用等面积多点测速方法，由热风炉模型内的测速元件测出炉内各 测点处的空气流速，并将各测点的气体流速数据经数据发送器和数据接收 器输送至计算机；

3)把示踪粒子放入热风炉模型内，通过计算机的摄像头拍摄示踪粒子 在气体流场作用下的运行轨迹并存储于计算机；

4)计算机根据各测点的气体流速数据和示踪粒子的运行轨迹，将炉内 气体流速和流场分布云图由图像处理软件拟合输出。

进一步地，所述等面积多点测速方法中各测点的确定方法为：

在热风炉模型内取垂直于炉身的截面，在同一截面上取n个同心圆， 并使各个圆环面积相等，再取m条过同心圆圆心的射线等分同心圆，m条 射线与各个圆周的交点即为测定气体流速的各测点。

进一步地，所述在同一截面上所取的同心圆个数n为5≤n≤100，所 述过同心圆圆心的射线条数m为12≤m≤144。

进一步地，所述数据发送器的检测数据传输给数据接收器的方式为无 线或蓝牙传输。

进一步地，所述示踪粒子的粒度直径小于5mm，密度小于1.2kg/m³。

本发明提供的顶燃式热风炉流场模拟装置及其模拟方法，具有如下优 点：

1，等面积法确定炉内同一截面上的测点，保证不同截面上气流速度 分布的连续性

通过测定同一截面上等面积同心圆环各圆周上等分位置的气流速度 和图像拟合，保证了在相同半径位置的气流分布，不仅保证了气流速度分 布连续性，而且为有效判断顶燃式热风炉气体旋流是否均匀提供精确测量 数据。

2，粒子示踪，可视性强

采用示踪粒子，跟踪示踪粒子的运动轨迹，可有效显示气体运动路 径，形象显示气体流场。

附图说明

图1为本发明实施例提供的顶燃式热风炉流场模拟装置的结构示意 图。

图2为本发明实施例提供的顶燃式热风炉流场模拟方法的顶燃式热风 炉分层测点位置图。

图3为本发明实施例提供的顶燃式热风炉流场模拟方法的顶燃式热风 炉A-A截面的测点分布图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例提供的一种顶燃式热风炉流场模拟装置，包 括透明的顶燃式热风炉模型5，鼓风机10，数据发送器18，数据接收器19， 及与数据接收器19连接的计算机20，热风炉模型5内设置测速元件，所 述测速元件与数据发送器18连接，鼓风机10依次与调节阀11、电子测压 装置12和电子流量计13连接后，再上截止阀4和下截止阀14与热风炉模 型5相连。

其中，调节阀11上设置有与数据发送器18通过线路连接的阀门开度 检测元件1，电子测压装置12上设置有与数据发送器18通过线路连接的 压力检测元件2，电子流量计13上设置有与数据发送器18通过线路连接 的流量检测元件3。阀门开度检测元件1、压力检测元件2、流量检测元件 3以及热风炉模型5内测速元件的设置，可实现气体流量、压力、阀门开 度及炉内各测点气体速度的在线检测和显示，极大减少了分步测定造成的 误差。其中，热风炉模型5包括炉顶7、炉身扩口8和格子砖15。

其中，格子砖15的入口测点9处设置有与数据发送器18通过线路连 接的测速元件，格子砖15的出口测点17处设置有与数据发送器18通过线 路连接的测速元件。

本发明实施例提供的顶燃式热风炉流场模拟方法，包括如下步骤：

1)来自鼓风机10的空气依次通过调节阀11、电子测压装置12和电 子流量计13后，再经过上截止阀4或下截止阀14进入热风炉模型5时， 阀门开度检测元件1将检测到的调节阀11的阀门开度数据、压力检测元件 2和流量检测元件3将检测到的空气压力和空气流量信号传送给数据发送 器18，数据发送器18将相关数据信号通过无线或蓝牙方式传输给数据接 收器19，数据接收器19再将接受到数据信号直接输送给计算机20，计算 机20通过数据分析确定气体的工况条件。

2)利用等面积多点测速方法，由设置在热风炉模型5内的测速元件测 出空气在炉内各测点处的流速，并将各测点的气体流速数据经数据发送器 18和数据接收器19输送至计算机20。

其中，等面积多点测速方法中各测点的确定方法具体为：

参见图2，在热风炉模型5内取多个垂直于炉身的截面，作为本发明 的一种具体实施方式，在顶燃式热风炉模型5的炉身扩口8内截取A、B、 C、D、E、F六个截面，在顶燃式热风炉模型5的炉底截取一个截面H。

参见图3，在同一截面上取n个同心圆，并使同心圆形成的各个圆环 的面积相等，再取m条过同心圆圆心的射线等分同心圆，m条射线与各个 圆周的交点即为测定气体流速的测点；在同一截面上所取的同心圆数值n 为5≤n≤100，过同心圆圆心的射线数m为12≤m≤144。为了减小工作量， 降低工作强度，作为本发明的一种具体实施方式，在顶燃式热风炉模型5 的A-A截面上取5个同心圆，并保证5个同心圆形成的圆环的面积相等； 然后过同心圆圆心取12条射线等分各同心圆，12条射线与各个圆周的交 点即为测定气体流速的各测点。A-A截面上各个测点的坐标(Xi、Yi)见 表1所示。

表1A-A截面炉内各测点坐标

然后按照上述同样的确定测点的方法，再确定B-B截面、C-C截面、 D-D截面等其他截面上的气体流速测点。

当模拟燃烧期时，关闭下截止阀14，空气经过调节阀11、电子测压装 置12、电子流量计13后，由上截止阀4从热风炉模型5的上风口6进入 炉内，炉内空气经过炉顶7、格子砖15的入口测点9，从格子砖15底部出 口排出。在空气进出热风炉模型5的过程中，直接将热风炉模型5内的测 速元件放置在热风炉模型5的A-A截面的各测点上，各个测点的坐标(Xi、 Yi)及相应各测点上的气体流速Vi通过测速元件传输给数据发送器18， 再经数据接收器19输送给计算机20。计算机20通过图像处理软件对各测 点坐标(Xi、Yi)及相应各测点的气体流速Vi进行分析处理，得到关于(Xi， Yi，Vi)的三维空间的流场分布云图。

按照同样的方法可以测出B-B截面、C-C截面或D-D截面等其他截面 上各测点的气体流速。当然，当炉内截面所取的位置在格子砖15的入口测 点9或格子砖15的出口测点17处时，可以通过设置在格子砖15入口测点 9和出口测点17处的测速元件更为方便的测定此处截面上的各测点的气体 流速。

3)再把粒度直径小于5mm，密度小于1.2kg/m³的示踪粒子由热风炉模 型5的炉顶口放入炉顶7，示踪粒子经过格子砖15的入口测点9，从格子 砖15底部出口排出。示踪粒子在从热风炉模型5的上风口6进入炉内的空 气的气体流场作用下，在炉内作旋流运动。此时通过计算机20的摄像头拍 摄示踪粒子在气体流场作用下的运行轨迹并存储于计算机20。

4)计算机20根据各测点的气体流速数据和示踪粒子的运行轨迹，将 炉内气体流速和流场分布云图由图像处理软件拟合输出。

当然，如果需要模拟送风期，可以关闭上截止阀4，空气经过调节阀 11、电子测压装置12、电子流量计13后，由下截止阀14从格子砖15底 部出口进入炉内，炉内空气经过格子砖15的入口测点9，从炉顶7的炉顶 口排出。采取与模拟燃烧期相同的方法，测定热风炉模型5内各个截面上 各测点的气体流速，把各测点的流速反馈给计算机20，根据各测点的坐标 及各测点的气体流速，计算机20通过图像处理软件得到流场分布云图。

再把示踪粒子由格子砖15底部出口进入格子砖15经炉顶7和炉顶口 排出。示踪粒子在从热风炉模型5底部进入炉内的空气的气体流场作用下， 在炉内作旋流运动。此时通过计算机20的摄像头拍摄示踪粒子在气体流场 作用下的运行轨迹并存储在计算机20中。

最后计算机20根据各测点的气体流速数据和示踪粒子的运行轨迹，将 炉内气体流速和流场分布云图由图像处理软件拟合输出。

做为本发明的另一种改进，来自鼓风机10的空气也可以用其他有色气 体代替，这样，在测定有色气体在热风炉模型5内各个截面上的各测点的 气体流速的同时，可直接通过计算机20的摄像头对炉内有色气体的旋动进 行拍摄。省去了再把示踪粒子放入炉内演示气体流场的过程。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人 员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离 本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。