一种大温差混合对流传热的试验装置及方法与流程

本发明属于冶金工业炉技术领域，尤其涉及一种大温差混合对流传热的试验装置及方法。

背景技术：

在部分高耗能的冶金工业炉中，如闪速炉、炼铁高炉等，其炉内高温金属熔体通常首先呈液滴状散落至底部炉缸中，经过沉淀后从侧壁面流出[1-2]。为了维持炉形保护炉衬免受高温侵蚀，炉缸周围布置冷却水套，对炉衬进行冷却，希望在炉衬热面形成一层保护渣皮，将高温熔体与炉衬隔开，达到安全生产和延长炉衬使用寿命的目的[3]。炉内高温熔体在流动过程中与壁面交换热量，冷却水流速非常大，一般可达到1.5m/s，且与高温熔体之间存在巨大温差，使得近壁面区域高温熔体内部形成较大的温度梯度。金属熔体一般具有较高的热膨胀系数，当熔体内部出现较大的温度变化时其密度分布也会相应的变化，在重力作用下，熔体内部会产生较强的浮升力，形成较强的自然对流现象。特别是当高温熔体流速较慢时，浮升力的影响不容忽视，常见的如高炉炉缸内部流动传热过程中，高温铁水连续滴落进入底部炉缸，炉缸近壁面形成自然对流，产生二次流，反过来影响内部流体的温度分布，对炉衬渣皮的形成和侵蚀进程产生影响[4-5]。

中国专利2016109082152公开了一种湍流混合对流传热实验装置，可在较大范围内对雷诺数和格拉晓夫数进行连续控制，可实现的格拉晓夫数达1013以上，雷诺数达105以上。同时，可实现基于粒子图像测速仪和热线传感器的三维稳态和动态流场参数实验测试，但是上述装置并不适用于大型工业炉内流动传热的研究。

目前，针对大型工业炉内流动传热的研究常常忽略自然对流的影响，仅考虑强制对流作用。在为数不多的考虑混合对流传热的数值计算中也只是沿用小温差下的boussinesq假设来模拟自然对流过程中浮升力的影响[4-5]，其中最大的问题是无法对计算结果进行验证。部分学者采用水作为工质来模拟炉内熔体的流动过程，但是由于水的加热温度比较低，无法实现流动换热的研究[6]。而且，已有的实验研究中，没有考虑熔体散落的入口边界对流动传热的影响。自然对流和强制对流同时存在的流动传热过程称为混合对流传热过程[7]，为了进一步研究此类混合对流传热过程中两种对流传热方式的作用机制，并尽可能模拟熔体散落的离散边界特性，需要设计一种具有离散入口边界的高温混合对流装置，开展系列试验研究，丰富混合对流传热研究的基础理论，为工业炉内流动换热研究提供理论指导，以期在设计和生产应用中考虑混合对流传热的综合效果。

[1]杨国才.闪速炼铜工艺、设备与控制[m]:冶金工业出版社，2010。

[2]张福明，程树森.现代高炉长寿技术[m]:冶金工业出版社，2012。

[3]贾美高.高炉炉缸内衬结构分析[j].炼铁,1994(6):38～42。

[4]bao-yuguo,danielmaldonado,paulzulliandai-bingyu.cfdmodellingofliquidmetalflowandheattransferinblastfurnacehearth.isijinternational,2008,48(12):1676-1685。

[5]k.m.komiyama,b.guo,h.zughbi,p.zulli,a.yu,improvedcfdmodeltopredictflowandtemperaturedistributionsinablastfurnacehearth,metallurgicalandmaterialstransactionsb-processmetallurgyandmaterialsprocessingscience,45(2014)1895-1914。

[6]kouichiroushibata,yoshiokimura,masakatashimizuetal.dynamicsofdead-mancokeandhotmetalflowinablastfurnacehearth.isijinternational，1990，30(3)：208-215。

[7]张朝民,孟祥墉,陈闵叶.水平旋转圆管外混合对流的数值分析[j].工程热物理学报,1989,v10(3):310～312。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种大温差混合对流传热的试验装置，获得内流体内部温度分布，研究其自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响，为工业炉内流动换热研究提供理论指导。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种采用上述试验装置的大温差混合对流传热的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种大温差混合对流传热的试验装置，包括高温油路循环系统，所述高温油路循环系统包括油桶以及加热器，所述油桶内充填有用于模拟铁水的有机导热油；所述油桶的底部侧壁上及顶部分别设有出油口和进油口，所述加热器的入口通过第一热油泵与所述出油口连通，出口通过第二热油泵、第一流量计与所述进油口连通；

所述试验装置还包括设置于油桶上用于将从进油口进入的导热油呈滴状抛洒至所述油桶中的导热油分布器、用于对油桶进行冷却以模拟冶金炉冷却条件的冷却系统以及用于对油桶内有机导热油温度分布进行测量的测温系统。

进一步的，所述导热油分布器包括电机以及锥形布料器，所述锥形落料器可旋转的设置在所述油桶中，所述电机的转轴穿过所述油桶的顶盖与所述锥形布料器传动连接，所述锥形布料器的侧壁上均布有落料孔，与所述第二热油泵连通的进油管与所述锥形落料器的顶部开口对接。

进一步的，所述冷却系统包括套设在所述油桶外的冷却水套，所述冷却水套的进水口和出水口分别与供水装置连通形成回路，所述回路上设有第二流量计和循环水泵。

进一步的，所述测温系统包括沿所述油桶内周壁均布的若干组热电偶，每组热电偶包括从上到下间隔分布的多根热电偶。

进一步的，所述第一流量计、第二流量计和热电偶的信号通过ai3170记录仪进行自动采集。

进一步的，所述第一流量计以及第二流量计均采用量程为0～1m³/h的金属管浮子流量计。

进一步的，所述油桶以及加热器内均设有液位计。

进一步的，所述液位计采用磁翻板机械式液位计。

进一步的，所述加热器以及油桶上均设有泄压阀。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下方案：

一种大温差混合对流传热的方法，采用上述试验装置，与铁水的无量纲数格拉晓夫数以及雷诺数相匹配的高温导热油被第二热油泵从加热器抽吸出来后，通过油桶上方的导热油分布器喷洒落入油桶内一定液位高度的液面内部，桶内的高温热油从出油口流出，以模拟铁水液滴滴落及炉缸内部铁水流动过程，与此同时，通过冷却系统进行冷却，从而在油桶近壁面区域形成大温差自然对流，以模拟冶金炉内铁水冷却条件，通过测温系统对油桶内有机导热油温度分布进行测量，并对测量的温度数据进行分析，即可研究自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响。

上述测量数据还可以用于验证混合对流传热过程模拟计算的结果，寻找合适的浮升力计算模型，所得到的合适的浮升力计算模型可用于冶金炉内存在强烈自然对流的储存高温熔体的缸体，为缸壁侵蚀计算提供准确的温度数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用顶部入口，侧壁出口的热流体流动形式，与冶金炉炉缸内高温熔体流动形式一致；

2、本发明采用二苄基甲苯导热油，可以在实验室内低成本实现常压下大温差混合对流传热过程，最高可达300℃的温差。

3、本发明入口采用椎体导热油分布器，可以模拟冶金炉内高温熔体滴落的过程，可实现入口流速的均匀离散分布，同时可对流体喷洒范围进行控制，以研究不同入口条件的影响。

4、通过对无量纲数格拉晓夫数以及雷诺数进行匹配，可实现对实际高炉炉缸内部铁水流动过程混合对流传热的相似试验，并可模拟铁水液滴滴落过程即不连续速度入口边界对内部流动传热的影响。

5、得到的测量数据可以用于验证混合对流传热过程模拟计算的结果，寻找合适的浮升力计算模型，所得到的合适的浮升力计算模型可用于冶金炉内存在强烈自然对流的储存高温熔体的缸体，为缸壁侵蚀计算提供准确的温度数据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中导热油分布器的结构示意图；

图3为本发明中热电偶分布示意图；

图4为热电偶在油桶内高度方向分布示意图；

图5为入口温度为150℃时各工况的温度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他

实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图5，一种大温差混合对流传热的试验装置，包括高温油路循环系统，高温油路循环系统包括油桶1以及加热器2，油桶1内充填有用于模拟铁水的有机导热油3；油桶1的底部侧壁上及顶部分别设有出油口4和进油口5，以模拟实际冶金炉内铁水流动情况，加热器2的入口通过第一热油泵6与出油口4连通，出口通过第二热油泵7、第一流量计8与进油口5连通；试验装置还包括设置于油桶1上用于将从进油口5进入的导热油呈滴状抛洒至油桶1中的导热油分布器、用于对油桶1进行冷却以模拟冶金炉冷却条件的冷却系统以及用于对油桶1内有机导热油温度分布进行测量的测温系统。

本实施例中，选取格拉晓夫数大于10次方，粘性系数较低的有机导热油作为高温介质，保证热流体与冷却水之间形成100～300℃的大温差，有机导热油无量纲数格拉晓夫数以及雷诺数与实际铁水相匹配，具体的导热油采用二苄基甲苯导热油。

本实施例的工作过程如下：高温导热油3被第二热油泵7从加热器2抽吸出来后，通过油桶1上方的导热油分布器喷洒落入油桶1内一定液位高度的液面内部，桶内的高温热油从出油口4流出，以模拟铁水液滴滴落及炉缸内部铁水流动过程，与此同时，通过冷却系统进行冷却，从而在油桶1近壁面区域形成大温差自然对流，以模拟冶金炉内铁水冷却条件，通过测温系统对油桶1内有机导热油温度分布进行测量，并对测量的温度数据进行分析，即可研究自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响。

需要说明的是，在实际设计中，导热油分布器包括电机9以及锥形布料器10，锥形落料器10可旋转的设置在油桶1中，电机9的转轴穿过油桶1的顶盖与锥形布料器10传动连接，锥形布料器10的侧壁上均布有落料孔，与第二热油泵7连通的进油管11与锥形落料器10的顶部开口对接，上述分布器在维持入口流速在小流量情况下均匀滴落的情况下，通过调节电机转速，可对流体喷洒范围进行控制，从而模拟铁水液滴滴落过程即不连续速度入口边界对内部流动传热的影响。

具体的，冷却系统包括套设在油桶1外的冷却水套12，冷却水套12的进水口和出水口分别通过进水管道13和出水管道14与供水装置15连通形成回路，在进水管道13和出水管道14上均设有循环水泵，在进水管道13上还设有第二流量计15，实现对冶金炉的冷却模拟。

可以想到的是，在实际应用中，测温系统包括沿油桶1内周壁均布的若干组热电偶，每组热电偶包括从上到下间隔分布的多根热电偶16，通过热电偶16对桶壁处油温的测量，对获得的数据进行分析，即可研究自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响，同时可以模拟冶金炉内均匀滴落的入口边界，研究其对混合对流传热过程的影响。

优选的，在油桶1以及加热器2内均设有对其内部液位进行测量的液位计17，在加热器2以及油桶1上均设有泄压阀18，通过泄压阀18保持加热器2以及油桶1内部压力的稳定，模拟实际冶金炉内压力。

具体的，第一流量计8、第二流量计15和热电偶16的信号通过ai3170记录仪进行自动采集，第一流量计8以及第二流量计15均可以采用量程为0～1m³/h的金属管浮子流量计。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

一种大温差混合对流传热的试验装置，以形成稳定的常压下大温差混合对流传热，通过测量流场内部多个点的温度来获得传热过程的特征。实验装置如下图1所示，包括高温油路循环系统、冷却系统以及数据采集系统。

(一)实验装置

1、高温油路循环系统

由加热器2、油桶1、热油泵及管路组成，均采用不锈钢304材质，板材厚度4mm。加热器2功率为10kw，六面体结构，容积为48l,长×宽×高＝400×300×400(mm)。油桶1为直径600m，高450mm的圆桶，其内部结构如图2所示。热油泵功率1.5m3/h，扬程15m，加热器2出口和油桶1顶部入口之间，以及油桶1的出口与加热器2入口之间各布置一个高温热油泵，采用变频控制器调节油泵转速。所有管路均采用304不锈钢波纹管，管径d20。

2、冷却系统

本实验中直接采用自来水进行冷却，冷却水入口和出口分别由两路相同管道组成，入口管径d20，选用普通塑胶软管，出口管径d25，选用耐中高温的硅胶管。

3、数据采集系统

测量仪表包括流量计、热电偶15、液位计，其中流量计和热电偶15的信号通过ai3170记录仪进行自动采集，而液位计直接读取。流量计采用金属管浮子流量计，量程0～1m³/h。采用a级k型热电偶进行温度测量。液位计都采用磁翻板机械式液位计，用来测量加热器内和油桶内部的液位。

(二)实验过程和结论

高温导热油被高温热油泵从加热器抽吸出来后，通过油桶上方的锥形容器喷洒落入油桶内一定液位高度的液面内部；油桶靠近底部位置设置出油口，桶内的高温热油被出油口后的油泵抽吸回流至加热器。油桶外壁浸没在冷却水中，冷却水从底部两个入口流入，上部两个入口流出，对油桶外壁进行连续冷却，因此油桶近壁面区域会形成大温差自然对流。油桶顶部布置有泄压阀，控制油桶内部的气压为常压或者略高于常压。油桶侧面布置磁翻板液位计，用来测量油桶内部液位。油桶顶部以及入口和出口处设置多个热电偶测温点，其中油桶顶部四个热电偶可在高度方向进行多点测量，测点位置如图3和图4所示。

调节热油泵转速，使流量计读数稳定在所需要的流量值，保持进出口流量相同，同时保持油桶上的磁翻板液位计读数稳定在所需要的高度值，调节冷却水流量值，使其稳定在所需要的数值，保持以上状态运行1小时左右，开始观测热电偶的测温数据，当温度读数变化很小或者在某一个值上下波动时，记录下该工况下各仪表的读数。

本实验对冷却水温度为30℃，入口温度为150℃和220℃的情况进行了多组实验，分别改变入口流量大小、冷却水流量大小以及喷洒范围(电机转速)，其中入口温度为150℃的实验结果如图5所示。多次试验后发现，当冷却水流量为0.18m³/h,入口流量为0.18m³/h，循环加热最高温度可达220℃。

对比多组实验结果发现，油桶底部大部分区域70mm高度内，靠近壁面的导热油温度梯度很大，而底部20mm高度范围内，桶内导热油温度接近冷却水温。

本实施例通过对测量的温度数据进行分析，可以用于验证混合对流传热过程模拟计算的结果，寻找合适的浮升力计算模型，所得到的合适的浮升力计算模型可用于冶金炉内存在强烈自然对流的储存高温熔体的缸体，为缸壁侵蚀计算提供准确的温度数据，可研究自然对流和强制对流竞争机制以及浮升力对对流换热的影响。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。