一種頂燃式熱風爐流場模擬裝置及其模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種頂燃式熱風爐流場模擬裝置，包括透明的頂燃式熱風爐模型(5)，鼓風機(10)，數(shù)據(jù)發(fā)送器(18)，數(shù)據(jù)接收器(19)，及計算機(20)。本發(fā)明還提供了一種頂燃式熱風爐流場的模擬方法，該方法通過在線監(jiān)控頂燃式熱風爐爐內(nèi)不同位置的氣體流速分布，示蹤粒子演示氣體流場分布，達到形象顯示流場和定量顯示流速分布的目的，且模擬頂燃式熱風爐流場和流速分布的方法簡單準確。
【專利說明】一種頂燃式熱風爐流場模擬裝置及其模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煉鐵熱風爐內(nèi)氣體流場研究【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種頂燃式熱風爐流 場模擬裝置及其模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 早在20世紀20年代哈特曼（Hartmann)就提出了應(yīng)用頂燃式熱風爐的設(shè)想，但未 受到重視。直到20世紀60年代，由于高風溫的要求，人們才開始研究頂燃式熱風爐。不過， 國外的研究還停留在試驗和方案階段，還未投入工業(yè)使用。我國是世界上最早采用頂燃式 熱風爐的國家，20世紀70年代末，首鋼成功開發(fā)了擁有自身專利技術(shù)的頂燃式熱風爐，頂 燃式熱風爐是把燃燒室移到熱風爐拱頂，提高了格子磚的使用面積，減少占地面積，與傳統(tǒng) 的內(nèi)燃式和外燃式熱風爐比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、投資比較低等優(yōu)點，是今后熱 風爐技術(shù)的發(fā)展方向。
[0003] 近年頂燃式熱風爐技術(shù)發(fā)展迅猛，先后出現(xiàn)了卡魯金頂燃式熱風爐、球式頂燃式 熱風爐和旋流式頂燃式熱風爐等類型，頂燃式熱風爐內(nèi)流場分布是否均勻與其使用壽命、 換熱效率等因素緊密關(guān)聯(lián)，氣體流動是很復雜的運動問題，對于傳統(tǒng)的爐內(nèi)流速和流場測 定，通常采用風速儀單點測試方法，存在各點測量數(shù)據(jù)不同步和不準確等問題，故改進模擬 測定裝置，提高流場測試的準確性和測試效率非常重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種測試簡單、準確的頂燃式熱風爐流場模擬 裝置及其模擬方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種頂燃式熱風爐流場模擬裝置，包括透明 的頂燃式熱風爐模型，鼓風機，數(shù)據(jù)發(fā)送器，數(shù)據(jù)接收器，及與所述數(shù)據(jù)接收器連接的計算 機，所述熱風爐模型內(nèi)設(shè)置有測速元件，所述測速元件與數(shù)據(jù)發(fā)送器連接，所述鼓風機依次 與調(diào)節(jié)閥、電子測壓裝置和電子流量計連接后，再經(jīng)上截止閥和下截止閥與所述熱風爐模 型相連。
[0006] 進一步地，所述調(diào)節(jié)閥上設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器線路連接的閥門開度檢測元 件，所述電子測壓裝置上設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器線路連接的壓力檢測元件，所述電子流 量計上設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器線路連接的流量檢測元件。
[0007] 進一步地，所述熱風爐模型包括爐頂、爐身擴口和格子磚。
[0008] 進一步地，所述格子磚的入口測點處設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器連接的測速元件， 所述格子磚的出口測點處設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器連接的測速元件。
[0009] 本發(fā)明提供的一種頂燃式熱風爐流場模擬方法，包括如下步驟：
[0010] 1)來自鼓風機的空氣進入熱風爐模型時，空氣的壓力和流量信號被采集至計算 機，以確定氣體工況條件；
[0011] 2)利用等面積多點測速方法，由熱風爐模型內(nèi)的測速元件測出爐內(nèi)各測點處的空 氣流速，并將各測點的氣體流速數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)發(fā)送器和數(shù)據(jù)接收器輸送至計算機；
[0012] 3)把示蹤粒子放入熱風爐模型內(nèi)，通過計算機的攝像頭拍攝示蹤粒子在氣體流場 作用下的運行軌跡并存儲于計算機；
[0013] 4)計算機根據(jù)各測點的氣體流速數(shù)據(jù)和示蹤粒子的運行軌跡，將爐內(nèi)氣體流速和 流場分布云圖由圖像處理軟件擬合輸出。
[0014] 進一步地，所述等面積多點測速方法中各測點的確定方法為：
[0015] 在熱風爐模型內(nèi)取垂直于爐身的截面，在同一截面上取η個同心圓，并使各個圓 環(huán)面積相等，再取m條過同心圓圓心的射線等分同心圓，m條射線與各個圓周的交點即為測 定氣體流速的各測點。
[0016] 進一步地，所述在同一截面上所取的同心圓個數(shù)η為5彡η彡100,所述過同心圓 圓心的射線條數(shù)m為12 < m < 144。
[0017] 進一步地，所述數(shù)據(jù)發(fā)送器的檢測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)接收器的方式為無線或藍牙傳 輸。
[0018] 進一步地，所述示蹤粒子的粒度直徑小于5mm，密度小于1. 2kg/m3。
[0019] 本發(fā)明提供的頂燃式熱風爐流場模擬裝置及其模擬方法，具有如下優(yōu)點：
[0020] 1，等面積法確定爐內(nèi)同一截面上的測點，保證不同截面上氣流速度分布的連續(xù)性
[0021] 通過測定同一截面上等面積同心圓環(huán)各圓周上等分位置的氣流速度和圖像擬合， 保證了在相同半徑位置的氣流分布，不僅保證了氣流速度分布連續(xù)性，而且為有效判斷頂 燃式熱風爐氣體旋流是否均勻提供精確測量數(shù)據(jù)。
[0022] 2，粒子示蹤，可視性強
[0023] 采用示蹤粒子，跟蹤示蹤粒子的運動軌跡，可有效顯示氣體運動路徑，形象顯示氣 體流場。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明實施例提供的頂燃式熱風爐流場模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為本發(fā)明實施例提供的頂燃式熱風爐流場模擬方法的頂燃式熱風爐分層測 點位置圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明實施例提供的頂燃式熱風爐流場模擬方法的頂燃式熱風爐A-A截面 的測點分布圖。

【具體實施方式】
[0027] 參見圖1，本發(fā)明實施例提供的一種頂燃式熱風爐流場模擬裝置，包括透明的頂燃 式熱風爐模型5,鼓風機10,數(shù)據(jù)發(fā)送器18,數(shù)據(jù)接收器19,及與數(shù)據(jù)接收器19連接的計算 機20,熱風爐模型5內(nèi)設(shè)置測速元件，所述測速元件與數(shù)據(jù)發(fā)送器18連接，鼓風機10依次 與調(diào)節(jié)閥11、電子測壓裝置12和電子流量計13連接后，再上截止閥4和下截止閥14與熱 風爐模型5相連。
[0028] 其中，調(diào)節(jié)閥11上設(shè)置有與數(shù)據(jù)發(fā)送器18通過線路連接的閥門開度檢測元件1， 電子測壓裝置12上設(shè)置有與數(shù)據(jù)發(fā)送器18通過線路連接的壓力檢測元件2,電子流量計 13上設(shè)置有與數(shù)據(jù)發(fā)送器18通過線路連接的流量檢測元件3。閥門開度檢測元件1、壓力 檢測元件2、流量檢測元件3以及熱風爐模型5內(nèi)測速元件的設(shè)置，可實現(xiàn)氣體流量、壓力、 閥門開度及爐內(nèi)各測點氣體速度的在線檢測和顯示，極大減少了分步測定造成的誤差。其 中，熱風爐模型5包括爐頂7、爐身擴口 8和格子磚15。
[0029] 其中，格子磚15的入口測點9處設(shè)置有與數(shù)據(jù)發(fā)送器18通過線路連接的測速元 件，格子磚15的出口測點17處設(shè)置有與數(shù)據(jù)發(fā)送器18通過線路連接的測速元件。
[0030] 本發(fā)明實施例提供的頂燃式熱風爐流場模擬方法，包括如下步驟：
[0031] 1)來自鼓風機10的空氣依次通過調(diào)節(jié)閥11、電子測壓裝置12和電子流量計13 后，再經(jīng)過上截止閥4或下截止閥14進入熱風爐模型5時，閥門開度檢測元件1將檢測到 的調(diào)節(jié)閥11的閥門開度數(shù)據(jù)、壓力檢測元件2和流量檢測元件3將檢測到的空氣壓力和空 氣流量信號傳送給數(shù)據(jù)發(fā)送器18,數(shù)據(jù)發(fā)送器18將相關(guān)數(shù)據(jù)信號通過無線或藍牙方式傳 輸給數(shù)據(jù)接收器19,數(shù)據(jù)接收器19再將接受到數(shù)據(jù)信號直接輸送給計算機20,計算機20 通過數(shù)據(jù)分析確定氣體的工況條件。
[0032] 2)利用等面積多點測速方法，由設(shè)置在熱風爐模型5內(nèi)的測速元件測出空氣在爐 內(nèi)各測點處的流速，并將各測點的氣體流速數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)發(fā)送器18和數(shù)據(jù)接收器19輸送至 計算機20。
[0033] 其中，等面積多點測速方法中各測點的確定方法具體為：
[0034] 參見圖2,在熱風爐模型5內(nèi)取多個垂直于爐身的截面，作為本發(fā)明的一種具體實 施方式，在頂燃式熱風爐模型5的爐身擴口 8內(nèi)截取A、B、C、D、E、F六個截面，在頂燃式熱 風爐模型5的爐底截取一個截面H。
[0035] 參見圖3,在同一截面上取η個同心圓，并使同心圓形成的各個圓環(huán)的面積相等， 再取m條過同心圓圓心的射線等分同心圓，m條射線與各個圓周的交點即為測定氣體流速 的測點；在同一截面上所取的同心圓數(shù)值η為5 100,過同心圓圓心的射線數(shù)m為 12 144。為了減小工作量，降低工作強度，作為本發(fā)明的一種【具體實施方式】，在頂燃 式熱風爐模型5的A-A截面上取5個同心圓，并保證5個同心圓形成的圓環(huán)的面積相等；然 后過同心圓圓心取12條射線等分各同心圓，12條射線與各個圓周的交點即為測定氣體流 速的各測點。A-A截面上各個測點的坐標（Xi、Yi)見表1所示。
[0036] 表1A-A截面爐內(nèi)各測點坐標
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種頂燃式熱風爐流場模擬裝置，其特征在于：包括透明的頂燃式熱風爐模型（5)， 鼓風機（10)，數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)，數(shù)據(jù)接收器（19)，及與所述數(shù)據(jù)接收器（19)連接的計算機 (20)，所述熱風爐模型（5)內(nèi)設(shè)置測速元件，所述測速元件與數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)連接，所述鼓 風機（10)依次與調(diào)節(jié)閥（11)、電子測壓裝置（12)和電子流量計（13)連接后，再經(jīng)上截止 閥（4)和下截止閥（14)與所述熱風爐模型（5)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂燃式熱風爐流場模擬裝置，其特征在于：所述調(diào)節(jié)閥（11) 上設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)連接的閥門開度檢測元件（1)，所述電子測壓裝置（12)上 設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)連接的壓力檢測元件（2)，所述電子流量計（13)上設(shè)置有與 所述數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)連接的流量檢測元件（3)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂燃式熱風爐流場模擬裝置，其特征在于：所述熱風爐模型 (5)包括爐頂（7)、爐身擴口⑶和格子磚（15)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的頂燃式熱風爐流場模擬裝置，其特征在于：所述格子磚（15) 的入口測點（9)處設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)連接的測速元件，所述格子磚（15)的出 口測點（17)處設(shè)置有與所述數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)連接的測速元件。
5. -種頂燃式熱風爐流場模擬方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 來自鼓風機（10)的空氣進入熱風爐模型（5)時，空氣的壓力和流量信號被采集至計 算機（20)，確定氣體工況條件； 2) 利用等面積多點測速方法，由熱風爐模型（5)內(nèi)的測速元件測出爐內(nèi)各測點處的空 氣流速，并將各測點處的氣體流速數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)發(fā)送器（18)和數(shù)據(jù)接收器（19)輸送至計算 機（20); 3) 把示蹤粒子放入熱風爐模型（5)內(nèi)，通過計算機（20)的攝像頭拍攝示蹤粒子在氣體 流場作用下的運行軌跡并存儲于計算機（20); 4) 計算機（20)根據(jù)各測點的氣體流速數(shù)據(jù)和示蹤粒子的運行軌跡，將爐內(nèi)氣體流速 和流場分布云圖由圖像處理軟件擬合輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的頂燃式熱風爐流場模擬方法，其特征在于，所述等面積多點 測速方法中各測點的確定方法為： 在熱風爐模型（5)內(nèi)取垂直于爐身的截面，在同一截面上取η個同心圓，并使各個圓環(huán) 面積相等，再取m條過同心圓圓心的射線等分同心圓，m條射線與各個圓周的交點即為測定 氣體流速的各測點。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的頂燃式熱風爐流場模擬方法，其特征在于：所述在同一截面 上所取的同心圓個數(shù)η為5 < η < 100,所述過同心圓圓心的射線條數(shù)m為12 < m < 144。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的頂燃式熱風爐流場模擬方法，其特征在于：所述數(shù)據(jù)發(fā)送器 (18)的檢測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)接收器（19)的方式為無線或藍牙傳輸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的頂燃式熱風爐流場模擬方法，其特征在于：所述示蹤粒子的 粒度直徑小于5mm，密度小于1. 2kg/m3。
【文檔編號】G01M9/00GK104089750SQ201410336328
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】陳冠軍, 趙民革, 劉清梅, 馬澤軍 申請人:首鋼總公司