高炉热风炉蓄热室传热数学模型研究

论文摘要

热风炉是现代化高炉炼铁工艺中的重要设备之一,其任务是稳定地向高炉提供热风。建造适合高炉炼铁生产的热风炉,提高热风炉的传热效率,可有效提高进入高炉的热风风温,降低焦比,进而增加高炉炼铁产量并降低炼铁生产成本。热风炉蓄热室内的传热计算对热风炉的设计有重要作用,建立热风炉蓄热室传热数学模型可为热风炉的设计提供依据,因此,开展热风炉蓄热室传热数学模型研究具有重要意义。通过对热风炉传热特点的分析,建立高炉热风炉蓄热室传热数学模型。传热数学模型的研究主要围绕热风炉的设计和校核计算进行,包括稳态传热数学模型和非稳态传热数学模型。稳态传热数学模型主要用于解决设计计算问题,涉及燃料燃烧和设计计算模型,可根据蓄热室的整体传热计算确定热风炉尺寸、蓄热面积、蓄热室半径等;非稳态传热数学模型包括柱坐标系下的一维非稳态传热数学模型,以及直角坐标系和柱坐标系下的二维非稳态传热数学模型,通过计算温度场的分布特征来进行热风炉的校核计算,判别热风炉设计的合理性,以及调整设计参数来满足设计要求。采用混合有限差分算法对一维非稳态传热数学模型的微分方程进行差分,采用追赶法(TDMA算法)对数学模型进行数值求解,使得计算精度比基于显式差分或隐式差分的求解方法更高;采用交替隐式差分法对二维非稳态传热数学模型进行差分后,采用TDMA算法进行模型的数值求解,克服了其它求解方法的稳定性受时间步长限制的不足。与文献中的应用实例对比分析来验证热风炉蓄热室传热数学模型及求解方法的正确性。以文献中给定的燃料种类、燃料成分、蓄热室内气体流速、格砖物性等参数为输入参数,进行的设计计算,得到的热风炉尺寸、蓄热面积与文献结果基本吻合;相应的校核计算得到了热风炉蓄热室内格砖、烟气和热风的温度分布情况,计算结果与文献基本吻合,表明建立的模型和求解方法是正确有效性。因此,本文建立的热风炉蓄热室传热数学模型可为热风炉的设计提供依据,并能为热风炉设计优化提供手段。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高炉、热风炉简介及热风作用
• 1.2.1 高炉及蓄热式热风炉的结构
• 1.2.2 蓄热室热风炉的的发展、应用及现状
• 1.2.3 高炉热风技术发展概况
• 1.3 热风炉蓄热室传热理论及热风炉传热过程数学模型
• 1.3.1 第一理论基础及其传热数学模型
• 1.3.2 第二理论基础及其传热数学模型
• 1.4 传热数学模型数值求解方法
• 1.5 研究背景和研究内容
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究目标及内容
• 2 高炉热风炉稳态传热数学模型
• 2.1 高炉热风炉稳态传热数学模型的目的及内容
• 2.2 燃料燃烧计算
• 2.2.1 燃料燃烧计算方法
• 2.2.2 计算流程图
• 2.3 高炉热风炉设计计算
• 2.3.1 高炉热风炉设计方法
• 2.3.2 高炉热风炉设计计算流程图
• 2.4 本章小结
• 3 高炉热风炉蓄热室一维非稳态传热数学模型建立及求解
• 3.1 热风炉蓄热室一维非稳态传热数学模型的建立
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 模型基本假设
• 3.1.3 数学控制方程
• 3.1.4 求解条件
• 3.1.5 综合换热系数计算
• 3.1.6 导热系数计算
• 3.2 控制方程离散化及其求解
• 3.2.1 控制方程数值求解
• 3.2.2 计算流程图
• 3.3 模型测试
• 3.4 本章小结
• 4 高炉热风炉蓄热室二维非稳态传热数学模型建立及求解
• 4.1 热风炉蓄热室二维传热数学模型假设
• 4.2 直角坐标系下二维非稳态传热数学模型
• 4.2.1 直角坐标系下控制方程
• 4.2.2 控制方程的数值求解
• 4.3 柱坐标系下二维非稳态传热数学模型
• 4.3.1 柱坐标系下控制方程
• 4.3.2 控制方程的数值求解
• 4.4 求解条件
• 4.5 计算流程图
• 4.6 模型测试
• 4.7 本章小结
• 5 高炉热风炉蓄热室传热模型的程序实现
• 5.1 高炉热风炉蓄热室传热模型设计
• 5.1.1 高炉热风炉蓄热室传热功能设计
• 5.1.2 传热模型的输入输出设计
• 5.2 高炉热风炉蓄热室传热模型结果表达
• 5.3 本章小结
• 6 高炉热风炉蓄热室内传热数学模型应用实例
• 6.1 模型应用对象
• 6.2 燃料燃烧计算
• 6.2.1 计算参数
• 6.2.2 计算结果
• 6.3 设计计算
• 6.3.1 计算参数
• 6.3.2 计算结果
• 6.4 非稳态传热数学模型计算
• 6.4.1 计算参数
• 6.4.2 计算结果
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录