一种顶燃式热风炉流场模拟装置及其模拟方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种顶燃式热风炉流场模拟装置及其模拟方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 进一步地，所述热风炉模型包括炉顶、炉身扩口和格子砖。
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 在热风炉模型内取垂直于炉身的截面，在同一截面上取η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。
[0016] 进一步地，所述在同一截面上所取的同心圆个数η为5彡η彡100,所述过同心圆 圆心的射线条数m为12 < m < 144。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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：
[0020] 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
[0021] 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。
[0022] 2，粒子示踪，可视性强
[0023] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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】
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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：
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 其中，等面积多点测速方法中各测点的确定方法具体为：
[0034] 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。
[0035] 参见图3,在同一截面上取η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η为5 100,过同心圆圆心的射线数m为 12 144。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。
[0036] 表1A-A截面炉内各测点坐标
[0037]
【权利要求】
1. 一种顶燃式热风炉流场模拟装置，其特征在于：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)，及与所述数据接收器（19)连接的计算机 (20)，所述热风炉模型（5)内设置测速元件，所述测速元件与数据发送器（18)连接，所述鼓 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，再经上截止 阀（4)和下截止阀（14)与所述热风炉模型（5)相连。
2. 根据权利要求1所述的顶燃式热风炉流场模拟装置，其特征在于：所述调节阀（11) 上设置有与所述数据发送器（18)连接的阀门开度检测元件（1)，所述电子测压装置（12)上 设置有与所述数据发送器（18)连接的压力检测元件（2)，所述电子流量计（13)上设置有与 所述数据发送器（18)连接的流量检测元件（3)。
3. 根据权利要求1所述的顶燃式热风炉流场模拟装置，其特征在于：所述热风炉模型 (5)包括炉顶（7)、炉身扩口⑶和格子砖（15)。
4. 根据权利要求3所述的顶燃式热风炉流场模拟装置，其特征在于：所述格子砖（15) 的入口测点（9)处设置有与所述数据发送器（18)连接的测速元件，所述格子砖（15)的出 口测点（17)处设置有与所述数据发送器（18)连接的测速元件。
5. -种顶燃式热风炉流场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 来自鼓风机（10)的空气进入热风炉模型（5)时，空气的压力和流量信号被采集至计 算机（20)，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（5)内的测速元件测出炉内各测点处的空 气流速，并将各测点处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); 3) 把示踪粒子放入热风炉模型（5)内，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。
6. 根据权利要求5所述的顶燃式热风炉流场模拟方法，其特征在于，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（5)内取垂直于炉身的截面，在同一截面上取η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。
7. 根据权利要求6所述的顶燃式热风炉流场模拟方法，其特征在于：所述在同一截面 上所取的同心圆个数η为5 < η < 100,所述过同心圆圆心的射线条数m为12 < m < 144。
8. 根据权利要求5所述的顶燃式热风炉流场模拟方法，其特征在于：所述数据发送器 (18)的检测数据传输给数据接收器（19)的方式为无线或蓝牙传输。
9. 根据权利要求5所述的顶燃式热风炉流场模拟方法，其特征在于：所述示踪粒子的 粒度直径小于5mm，密度小于1. 2kg/m3。
【文档编号】G01M9/00GK104089750SQ201410336328
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】陈冠军, 赵民革, 刘清梅, 马泽军 申请人:首钢总公司