楊春暉，嚴(yán)寒

(洛陽有色金屬加工設(shè)計研究院，河南洛陽471039)

我國現(xiàn)有鋁板帶箔加工企業(yè)的料卷冷卻采用自然冷卻的方式較多，即將料卷堆放在特定的區(qū)域，通過自然冷卻，使料卷溫度降至符合下道工序生產(chǎn)的要求。但隨著國內(nèi)大型、特大型鋁板帶箔材加工廠的不斷興建，僅采用自然冷卻，其在制品堆放區(qū)占地面積會非常大，而近年我國土地供應(yīng)也非常緊張，在廠房平面布置上存在困難。同時，由于料卷冷卻周期長，占用的資金量也比較大。為加速料卷冷卻，現(xiàn)有廠家也采取了各種辦法，如采用機(jī)械吹風(fēng)的方式來加快料卷的冷卻，提高生產(chǎn)效率［1］。控制冷卻的主要條件為開冷溫度、冷卻速度和終冷溫度［2］。近年，更有廠家希望采取冷卻室機(jī)械通風(fēng)強(qiáng)制冷卻的方式來加快料卷的冷卻。但鋁卷在這種環(huán)境下的冷卻規(guī)律缺少相關(guān)的研究成果。為此，我們搭建了實(shí)驗臺，來測量特定出風(fēng)條件下的料卷冷卻規(guī)律，為掌握冷卻室優(yōu)化方法積累數(shù)據(jù)。

受實(shí)驗臺搭建及實(shí)驗成本高，實(shí)驗用鋁卷規(guī)格單一的不利條件限制，實(shí)驗測得的數(shù)據(jù)是有限的，因此在本文中，采用數(shù)據(jù)計算流體動力學(xué)(CFD)作為輔助研究手段，與實(shí)驗測量方法相比，CFD方法不受試驗條件的限制，有較多的靈活性，可以拓寬試驗研究的范圍，減少昂貴的試驗成本。如文獻(xiàn)［4］所示，CFD可有效的運(yùn)用于吹風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計中。

1 物理模型

本冷卻室結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。主要由1個箱體、2臺風(fēng)機(jī)、2個風(fēng)道、8組進(jìn)風(fēng)口、1個出風(fēng)口和1個閘門組成，結(jié)構(gòu)左右對稱。風(fēng)機(jī)流量為122703m3/h，轉(zhuǎn)速為710r/min，全壓為1481Pa，功率為75kW。進(jìn)風(fēng)口設(shè)計成中心對稱的條縫風(fēng)口，這樣可以提高風(fēng)口流速。冷卻室最多可放置4個料卷，本文研究放入3卷不同尺寸料卷時的情況，如圖3所示，具體尺寸見表1。料卷從閘門送入箱體，放在正對風(fēng)口的位置，關(guān)閉閘門，開啟風(fēng)機(jī)，冷空氣經(jīng)風(fēng)道從條縫風(fēng)口射入箱體，與料卷進(jìn)行熱交換后從出風(fēng)口排出。

圖1 冷卻室平面圖

圖2 冷卻室立面圖

圖3 料卷布置圖

表1 (單位:mm)

2 理論模型

料卷的溫度是坐標(biāo)和時間的函數(shù)，即為非穩(wěn)態(tài)溫度場，料卷表面溫度低、中心溫度高，在開冷時溫度嚴(yán)重分布不均勻，經(jīng)過冷卻后逐漸趨于一致［2］。料卷的溫度變化是料卷與周圍空氣、壁面之間的輻射、對流和傳導(dǎo)的熱量損失所引起的。由于無相變過程，即無內(nèi)熱源，故本文涉及到的問題是一個三維非穩(wěn)態(tài)的傳熱和湍流流動過程。

流體流動要受質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律的支配［3］，它們的雷諾時均方程如下:

在式(1)至(3)中，ui分別代表直角坐標(biāo)系下瞬時速度的三個分量，ρ為密度，t為時間，μ為動力粘度，p為壓力，T為溫度，k為傳熱系數(shù)，cp為比熱容，S為廣義源項。值得說明的是:

①在Z方向動量方程的源項Sz中包括浮升力項，采用Boussinesq假設(shè)，將流體密度視為常數(shù)。這是基于冷卻空氣溫升比較小的簡化。

③在能量方程的源項ST中包括了輻射熱量，由DO輻射模型求得。

DO模型的主要思想是對輻射強(qiáng)度的方向變化進(jìn)行離散，通過求解覆蓋整個4π空間角的一套離散方向上的輻射輸運(yùn)方程而得到問題的解［7］?？臻g中某一位置的4π空間角的每個象限被分割成Nθ×Nφ個輻射立體角方向，θ、φ分別為經(jīng)/緯度角。有多少個立體角方向，DO模型就求解多少個輸運(yùn)方程。立體角的離散精度決定求解的精度，但是，增加立體角的精度會使計算量急劇增加。

3 研究方法

3.1 實(shí)驗方法

卷材溫度測量采用熱電偶和顯示儀，熱電偶的測量范圍為0～1300℃，精度為±0.75%。顯示儀的采樣周期為0.8秒，精度±0.2%。其它參數(shù)測量采用熱式風(fēng)速計，傳感器的測量范圍是:速度0～50m/s，精度為 ±2%;溫度0～99.9℃，精度為 ±1℃;壓力0～±5kPa，精度為±3%。

分別在料卷側(cè)面靠近套筒處、靠近卷邊緣處和板面中心處設(shè)置溫度測點(diǎn)，深度為40～50mm，將三個測點(diǎn)的平均值作為料卷的平均溫度值。將裝入料卷開啟風(fēng)機(jī)時的料卷平均溫度作為開冷溫度，15分鐘測一組溫度，將終冷溫度設(shè)定為100℃左右。

在冷卻室左右風(fēng)道直管段的側(cè)面選取截面，均布10個測孔，將傳感器深入測孔均布3個測位，這樣就在每個測量斷面上選取了30個測點(diǎn)，取平均所得即為風(fēng)道內(nèi)的平均風(fēng)速。同時測量風(fēng)機(jī)入口溫度、條縫進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速和箱體出風(fēng)口靜壓、溫度。

3.2 數(shù)值模擬方法

本文采用CFD軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值計算，研究對象為箱體、進(jìn)出風(fēng)口和料卷組成的區(qū)域，如圖4所示。湍流模型采用Realizable K－ε湍流模型，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。為考慮溫差引起的浮升力的影響，采用Boussinesq假設(shè)。

采用定熱流邊界條件，箱體假設(shè)為絕熱表面，進(jìn)風(fēng)口設(shè)為速度入口，出風(fēng)口設(shè)為壓力出口。

采用混合網(wǎng)格技術(shù)，使用四面體和六面體網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格占網(wǎng)格總數(shù)的70.72%，圖5顯示了對稱斷面處的網(wǎng)格分布。這種網(wǎng)格劃分方法可以減少節(jié)點(diǎn)，節(jié)省計算時間，同時保證主流計算區(qū)域的計算精度。

圖4 模擬模型圖

4 試驗與模擬結(jié)果

①風(fēng)機(jī)以48Hz運(yùn)行時，測量風(fēng)道斷面的風(fēng)速，求得平均速度為17.5m/s，計算出測量斷面處的風(fēng)量約為100000m3/h。測得條縫進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速約為10m/s，以此作為模擬的進(jìn)風(fēng)口速度。測得風(fēng)機(jī)入口處的逐時溫度，作為模擬的進(jìn)風(fēng)口溫度。測得出風(fēng)口處的靜壓約為0.6kPa，作為模擬的出風(fēng)口靜壓。

圖5 對稱斷面網(wǎng)格分布圖

②測量3個料卷的平均溫度，繪制出實(shí)驗冷卻曲線，如圖6所示。將冷卻速度等參數(shù)匯總于表2。得到進(jìn)出口溫度等繪制出圖7，進(jìn)出口溫差開冷時為15℃，終冷時只有2℃。

③以15分鐘為時間步長，對模型進(jìn)行模擬，得到模擬冷卻曲線，如圖6所示。得到降溫速度見表2。得到出風(fēng)口溫度等繪制出圖7。得到進(jìn)風(fēng)口截面處速度場如圖8所示。

圖6 料卷冷卻曲線

表2

圖7 進(jìn)出風(fēng)口溫度曲線

圖8 (a)斷面速度場

圖8 斷面速度場

5 結(jié)論

經(jīng)過上面的分析比較后，得出如下結(jié)論:

①機(jī)械強(qiáng)制冷卻可以大大提高料卷冷卻速率，與自然冷卻需要兩天左右時間相比，大大縮短了冷卻時間，提高了冷卻效率;

②從圖6和圖7可以看出，強(qiáng)制冷卻在料卷溫度高時，效果更好。在冷卻后期，效率大大下降。因此，應(yīng)根據(jù)物料周轉(zhuǎn)面積大小，盡量縮小料卷機(jī)械冷卻時間;

③由圖8可知，左右風(fēng)口形成的射流在箱體中心線附近相互抵消，此處正好是套筒位置，即為冷卻的較薄弱環(huán)節(jié)，如果將左右風(fēng)口錯位布置，將增加此區(qū)域的擾流，可提高冷卻效率;

④由圖6可知，實(shí)驗和模擬的冷卻曲線擬合度較好，說明此模型適用于鋁卷冷卻的數(shù)值模擬，可利用此模型改進(jìn)和優(yōu)化冷卻室的結(jié)構(gòu)或預(yù)測冷卻時間。

［1］冀晨光，胡瑞.退火料卷冷卻通風(fēng)的實(shí)驗研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28(4):71－76

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