陶窑的设计与仿真

摘要

制陶工业是印度的小型工业之一。大多数农村陶工依靠传统的陶窑烧制柴火或椰子壳。为了生产高质量的陶瓷制品，需要更好的烧制工艺。本课题的目的是对传统窑炉的燃烧过程进行热分析，通过更好地分配输入热量，实现窑内温度均匀，降低燃料消耗。传统的窑是篝火窑，是浅坑露天烧制。这些窑炉耗油量大，窑体强度差，破损严重。烧制过程中产生的烟会严重危害制陶工人及其家人的健康。目前缺乏对篝火窑的热学研究。会计传统下吹窑的缺点导致了下吹窑的发展。通过改变不同的参数来研究下吹窑的热工性能是非常昂贵的，而且几乎是不可能的。为此，采用数值方法在计算机上对下吹窑进行了建模和仿真。通过改变窑体的不同参数，如改变窑体的防火墙高度、烟囱高度和窑顶几何形状，可以发现窑体的性能有了明显的改善。该改造为改进型陶瓷窑的新设计提供了参考。

关键字

窑;柴火;椰子壳;篝火;陶器;烟囱里倒灌风;模拟;燃料消耗

简介

农村产业升级是农村群众发展的关键，技术投入是降低成本、提高生产率和产品质量的关键。制陶工业是我国农村工业部门之一，制陶产品是农村许多家庭的收入来源。许多代人以来，这个行业一直在工作经验的基础上继续发展，这使它变得薄弱和微不足道。传统的制陶工人遵循传统的方法来制造产品。因此这些产品在市场上无法与其他产品竞争。

制陶工业是一项能源密集型技术，农村地区传统使用的烧制陶器的窑炉大多效率很低。有组织部门使用的高效率陶窑过于昂贵，小型部门负担不起。为了提高产品质量，降低生产成本，需要对传统烧窑的烧制工艺进行优化。

在访问了Palakkad的各个农村陶器工业部门，并与农村陶工的相互作用后，确定了各种问题。在烧制过程中，从窑中冒出来的烟直接暴露在大气中，导致空气污染和农村陶工及其家人的健康问题。直接由制陶工人连续供应约6小时的燃料是很困难的，而且会产生各种健康问题。烧制工艺时间较高。燃料消耗较高(燃料从火口单独进料，柴火也放在窑内)。窑盖需要单独的粘土和稻草。大多数时候加热不均匀，所以有些锅需要再次加热。燃料燃烧速率由燃料进料速率控制，需要有技术和经验的人员。本研究的主要目的是通过模拟各种模型，分析窑内温度分布，为改进陶瓷窑的设计提供依据。对窑内烟气流动及辐射进行了研究。 The new improved pottery kiln has better uniformity of temperature and lower fuel consumption than traditional kilns. It provides better working environment for potters and fewer tendencies of hotspots on pots. Increase in the residence time of gases inside the kiln makes better control of firing.

粘土矿物被认为是层状硅酸盐的一般组，包含两个结构单元，如C.D. Barton等人研究的二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)。[1]。粘土的独特性是由于在存在水的情况下行为的变化而在本质上变成塑料，由W. D. Kingery等人描述。[2]。Kalali Atieh [3.]研究了不同的陶器和制模材料的生产方法，并利用CFD模拟炉(窑)燃烧过程中的热流。根据炉膛内气流的流动情况分为下气流和上气流。卡尔·佩尔松基于下吹窑的研究[4]涉及热和传质现象的数值分析研究。拉维等人[5]为上吹窑在粘土陶器加热和干燥过程中的能量利用做出了贡献。此外，随着Sunil Gokhale等人的研究。6]关于效用分析和Kristina Nilenius [7]进行流量分析，表明该工艺所使用的窑炉的效率。因此，窑可以提供必要的温度，使陶瓷物质干燥，并提供材料的强度。本文涉及对现有窑进行改造，通过即兴设计获得更好的效率和环境影响[8]。

材料与方法

传统陶窑

传统的窑主要以木材为燃料，可以有不同的类型:篝火窑、上升窑和下降窑。篝火窑可以追溯到10万年前，是在浅坑中露天烧制的。一个关于篝火窑的例子可以在图1一个在营火窑中装载陶器，并在窑表面覆盖稻草和粘土以供烧制图1B、图1C分别。

虽然可以灵活使用燃料，但这些窑烧制温度低，陶器强度差，破损严重。

上吹窑是一个圆柱形，顶部开敞的方形结构。燃料在一个有孔的平底锅下面燃烧，上面摆放着陶器，火焰向上穿过陶器，从顶部喷出。与篝火窑相比，上引水窑表现出更好的温度均匀性和更好的热量保留。在这种类型的窑中，当用木材烧制时，陶瓷温度可达900°C。在这些窑炉中，没有对空气流速的控制，而燃料燃烧速率是通过对燃料进料速率的巧妙操纵来控制的。方结构上吹窑的实例图1 d。图中所示为窑顶的稻草和粘土覆盖，以及粘土制品的包装。

在下吹式窑炉中，烟囱在底部连接，从而拖动入口产生的热气体，使热气体最初向上流动，然后由于烟囱的拉力而向下流动。连同一个用来控制燃烧速率和过量空气的阻尼器。可实现的温度限制范围从1500-1600°C，并提供了更好的均匀性和控制燃烧比上风窑。然而，由于烟囱的高度和窑内砖石的质量，建造成本远高于上吹窑。

陶器的烧制过程

为了使烟道气和陶器之间均雷竞技网页版匀接触，空隙由破碎的瓦片和陶器填充，一旦放置粘土制品，就会产生均匀的孔隙。一旦上吹窑被稻草覆盖，湿粘土就被用来完全抹灰，这样热量就不会流失。它将减少可供烟气逸出的面积，从而保留更多的热量。

烧制分为烟熏、慢烧、快烧、浸泡等几个阶段。

在烟熏过程中，这一过程有助于去除蒸发的水分，同时防止产生裂纹，因为加热非常缓慢，水蒸气的剧烈蒸发被延缓，陶器的温度低于150°C。熏制的时间取决于烧制器皿的数量和大气条件，器皿越笨重，熏制时间越长。也取决于气候条件。雨季需要较长的吸烟时间。吸烟的典型升温速率为每分钟0.5至1°C。

在慢烧中，除水分外的挥发性物质在低于450-500°C的温度下以中等速度加热，典型的温升速度为每分钟1.5 - 2°C。

在所有挥发性物质消失后，快速烧制，以快速提高器皿的温度到800-950°C。典型的升温速率为每分钟3-4°C。

在浸泡过程中，烧制的速度足以在一段时间内保持器皿的温度在所需的值。陶器烧制的总时间一般在2-3天左右。

本文以新型改进型陶瓷窑为研究对象，研究其快速烧成阶段的特性。介绍了篝火窑和上吹窑的烧制过程图1E，图1F分别。

粘土的结构

粘土矿物是层状硅酸盐中一般群体的一部分，其中含有大量的水，它们被困在具有两个结构单位的硅酸盐薄片之间，如二氧化硅(SiO)₂)和氧化铝(Al₂O_3.）.硅板是由硅组成的四面体形成的^{4 +}它被4个氧原子包围。氧原子由相邻的四面体共享。这些四面体被重复排列成六边形网络，其中薄片成分是硅₂O₅^{2 -}。氧化铝板由八面体组成，其中铝^{3 +}被6个羟基包围。粘土矿物是由氢氧化铝层与二氧化硅片冷凝形成的。水以羟基的形式结合在层状结构中。原子不是紧密地堆积在一起的事实导致相对较低的密度，这是粘土材料的一个重要性质。化学键的强度导致了较高的熔化温度。

粘土的性质和粘土-水的关系

粘土通常包含一种或多种矿物粘土矿物以及辅助矿物，如氧化铁。Puthucode、Thenur和Kazhani Chugam所用的粘土含有一些铁化合物，燃烧过程结束时的“发光”效果是释放铁的结果₂O_3.。粘土是一种独特的材料。它们与其他物种的不同之处在于它们在水中的行为。在成型过程中，向粘土中加水以获得塑性。水看起来像一层薄薄的水膜，它把粘土颗粒分开，使它们可以自由地在另一个上面移动。塑性与孔隙率相妥协，形成优质粘土。孔隙率控制着干燥过程中水分的迁移。

传热

本工作的重点是改进陶器窑的设计。从目前的研究中，考虑到下吹式窑炉。热传递有三种不同的形式，即传导、对流和辐射。窑内热流是由烟囱效应引起的。

办理:在热传导中有两种调节机制。第一个机制是分子相互作用，其中温度梯度是驱动力。第二种机制是自由电子传热。这种机制在金属中很明显，因为金属中自由电子的浓度很高，但在非金属固体中不存在。描述热传导的方程被称为傅里叶第一热传导定律，写在方程(2A)中，其中k是热导率，与方向无关，使得这个表达式各向同性。

对流:热对流是指表面与相邻流体之间的热传递，存在两种不同类型的对流;强制对流和自由对流或自然对流。强制对流指的是强迫流体流过固体的一种媒介，如风扇或泵。自由对流或自然对流通过流体中温度变化引起的密度差引起流体的运动。速率方程被称为牛顿速率方程，写在方程(2B)中，其中h类似于傅里叶热加法定律中的k。

辐射:辐射传热不同于传导和对流，因为它的传播不需要介质。热辐射的斯特凡-玻尔兹曼定律描述了一个被称为黑体的完美辐射体的能量发射率，它写在方程(2C)中，σ是斯特凡-玻尔兹曼常数。在高温下，辐射传热是非常重要的。

烟囱效应:这是一种自然现象，当冷热空气柱之间的密度差产生一个自然流动通过烟囱。当热量被加到流体中时，就会有由热传递引起的流体运动。这是由于流体密度会随着温度的变化而变化。在下吹窑中，气流被加热，密度逐渐变轻，空气上升。这将导致炉顶和炉底之间的压力差。烟囱高度和温度梯度对压差有影响。这种压力差将导致空气在窑内的自然循环。这种效应被称为烟囱效应。这也受到墙壁高度和温度的影响。烟囱效应引起的感应压力随烟囱高度的变化而变化。 In this project variation in the pressure due to change in the chimney height was calculated by equation (2D) where ρ is density of air in kg/m3, g is acceleration due to gravity in m/s2 and h is the height of the chimney.

计算流体动力学理论:

计算流体动力学(CFD)是一种利用计算机软件数值求解Navier Stokes方程(N.S)的工具。N.S.方程是描述流体运动的微分方程。CFD利用N.S.方程来求解一定几何形状的动量、热量和质量传递。将几何结构划分为计算单元，然后对每个单元迭代求解N.S.方程。几何分辨率、输入数据和软件知识的质量对结果有显著影响。通常计算机容量是一个限制因素。计算结果可以直观地反映出温度分布和流场，必须以严谨的眼光进行分析。CFD的一个优势是，它可以相当快地获得系统的详细知识。这使得CFD在现有系统和新系统功能的初步研究中都非常有用。在本项目研究中，新设计的下吹窑的性能实际上是昂贵的，几乎是不可能的。 For this reason, thermal analysis of new downdraught kiln using CFD computer simulations is sometimes the most practical way.

控制输运方程:在求解流体流动问题时必须作一些假设。假设流动是不可压缩的，即沿流线的密度没有变化，这一假设将连续性方程简化为方程(2E)。流动也被假定为牛顿流体。对于牛顿流体，粘滞应力是应变率的线性函数，对于大多数常见流体，如气体或水，粘滞应力可以写成方程(2F)。根据这些假设，运动方程可写成(2G)式。注意，i和j表示树的维度。在这个方程中，第一项描述了积累，第二项描述了对流，第三项描述了由于运动引起的压力变化率，第四项描述了扩散，最后一项是源项。这些方程通过CFD软件通过将计算域划分为单元进行数值求解，从而将它们从偏微分方程重新表述为代数方程。这种改造也会导致数值误差，这些误差的大小取决于细胞的大小。较小的单元尺寸将减少错误，但增加计算时间，这是昂贵的。 When working with CFD a compromise between accuracy and expense must always made.

湍流模型:湍流促进了传质和化学反应，在工业应用中经常遇到。因此，从工程的角度来看，能够模拟湍流是很有趣的。湍流是流体流动的一种状态，可以认为是混沌的和随机的。湍流流动的最大特征是不规则性(形状、大小不同)、扩散性、不稳定性、三维结构和动能耗散性。所有这些特征加在一起，使得湍流流动非常随机，难以建模。基于不同的假设，有许多模型可用，它们都有不同的适用性和局限性。本项目采用的模型为RNG k-ε模型。

RNG k-ε模型:双方程模型允许通过求解两个独立的方程来确定湍流的长度和时间尺度。基于RNG的k-ε湍流模型是从瞬时Navier-Stokes方程推导出来的，使用了一种称为“重整化群”(RNG)方法的数学技术。RNG模型中考虑了旋流对湍流的影响，提高了旋流的精度。虽然标准k-ε模型是一个高雷诺数模型，但RNG理论为有效粘度提供了一个解析推导的微分公式，可以解释低雷诺数效应。

RNG k-e模型的输运方程:RNG k-e模型具有与标准k-e模型相似的形式。湍流动能k及其耗散率ε由下列输运方程(2H)和(2I)式得到。

其中，Gk为平均速度梯度所产生的湍流动能。Gb是由浮力产生的湍流动能。YM表示可压缩湍流中波动膨胀对整体耗散率的贡献。αk和αε分别为k和ε的逆有效普朗特数。Sk和Sε是用户自定义的源项。

辐射模型:多孔粘土制品和防火墙的辐射吸收模型为离散纵坐标模型。离散纵坐标法使用方向的离散表示来估计辐射强度的方向变化。通过求解辐射传递方程(RTE)来计算由辐射热通量决定的Q值。灰色介质沿吸收、发射和非散射介质路径s上任意位置r处的RTE如式(2J)所示，其中ka为吸收系数，Ib (r)为黑体强度。

CFD模拟

真实的陶窑中充斥着大量的黏土体，建模非常复杂。本项目的仿真模型是一个简单的几何模型，其中有三个粘土体。粘土体近似为厚度为150毫米的矩形板。本文主要对粘土烧成过程中的快速烧成阶段进行了模拟。开发模型时的总体工作方式是以迭代和逐步的方式完成的。随着对行为的了解的增加，模拟被做了又做，模拟变得更加详细和先进。该模型具有较好的网格质量，特别是在靠近墙体的位置。

几何的发展:图2一个显示了最终几何的改进陶器窑。几何图形是使用Solid Edge ST9创建的，并导入到ANSYS Workbench平台。为了减少计算时间，采用了一个简单的模型。模型中取消了防火墙入口室和烟囱，陶器近似为1500 x 1300 x 150 mm的矩形板^3.。在fluent模型中只放置了3件商品，降低了计算成本，提高了精度。软件从防火墙侧垂直放置。图2一个。最后改进了陶窑Ansys模型。

网:网格是在ANSYS Workbench平台的网格工具中创建的。选择曲率作为高级尺寸函数，增长率为1.1280。选用四面体组合网格法进行网格划分。节点数为30309，网格中元素数为168413。网格正交质量为0.2070504-0.9936169，平均值为0.8456520。单元偏度为0.2562770。

设定流畅和假设:由于有烟囱通风，压力变化较小。理想气体定律用来估计密度和温度之间的关系。烟道气近似为空气。流动是不可压缩的，因此使用基于压力的求解器。求解方法中，采用SIMPLEC压力速度耦合方案，梯度用最小二乘单元求解，压力用标准单元求解。动量、湍流动能用二阶迎风求解，湍流耗散率用一阶迎风求解。对于包含湍流的复杂流动，SIMPLEC可以改善压力-速度耦合的收敛性。在解控制中，下松弛因子均为默认值。

边界条件:湍流模型采用RNG k-ε模型增强近壁处理。因为它不需要靠近壁面的细网格，但仍然可以处理低雷诺数区域。选择能量方程来模拟能量。用离散纵坐标法(DO)对墙壁和器皿的辐射进行建模，每次辐射迭代10次，吸收系数设置得很高，使外表面吸收大部分辐射而不会深入到器皿或墙壁。介绍了窑造型材料及其性能表1陶器被设置为孔隙率为0.1的多孔材料，并且在所有三个方向上的速度都有一个固定值为零。入口设置为质量流量入口，出口设置为压力出口。进口输入质量流量为0.16 kg/sec，由Matlab代码计算得出，详见附录a。进口温度为1100k，来源于Nilenius 2011年关于CFD模拟印尼传统陶炉烟气的论文。窑壁热固模拟为混合或对流辐射，窑外温度为300k，热系数为25 W/m2K。器皿的热条件被设定为零热流。通过将内部发射率设置为1来激活辐射。在此模拟过程中，首先将流动稳定在稳态。这给出了一个带有速度剖面的解决方案，用于初始化模拟的下一部分。其次，在瞬态状态下考虑流动、湍流、能量和离散纵坐标方程，以0.1秒的时间步长计算300秒。分别监测连续性、动量、能量和湍流，得到解的收敛性。 A convergence criterion 10-3 is used for mass conservation, velocities turbulence values 10-6 is used for energy equations. Each time step is considered to be converged in the simulation.

表1。材料及其性能。

网格收敛研究:网格收敛性决定了模型中需要多少元素来确保分析结果不受改变网格大小的影响。随着元素尺寸的增加，系统响应将收敛到可重复的解决方案。采用四面体网格进行网格收敛性研究。

由网格收敛性研究的结果绘制出图，如图所示图2 b。从这个结果来看，最后两个模型的解几乎是不变的。得到了网格收敛性。所有用于分析的网格模型都在181297-221991元数范围内。

结果与讨论

采用CFD模拟方法，对快速烧成阶段下吸式陶瓷窑进行了改变防火墙高度、烟囱高度和窑顶形状的试验研究。并从窑内和窑上的温度分布、热流分布和流速等方面对各模型的结果进行了比较。在14400秒(4小时)后分析每个模型的温度分布。

改变防火墙高度对温度分布的影响

窑体的造型是从修改防火墙高度开始的。本文在ANSYS Fluent中分别建立了防火墙高度为2、1.75、1.5、1.25、1.0和0.75米的模型并进行了仿真。各模型的结果见附录b。从窑内温度分布的结果分析，在防火墙高度0.75 m处温度分布基本均匀。在防火墙高度0.75 m时，窑内温度等高线和器皿表面温度分布如图所示图3A及3B分别。

在分析中，从两侧看，矩形板近似为靠近防火墙和防火墙另一端的器皿和器皿上的温度几乎一致。

由模拟结果得到了三种容器的平均温度分布。从这些图表中可以看出图3 c-3e。在防火墙高度0.75 m处形成这些图形，显示所有这三种设备上的均匀平均温度。在防火墙高度0.75 m处，产品平均温度约900k。在防火墙高度为1米时，距离防火墙较远的两个陶器的平均温度为900k，而靠近防火墙的粘土陶器的温度约为600-700k。

从模拟结果中考虑到窑体的总传热速率。为使窑炉性能最佳，对窑体的传热速率最小。下吹窑以辐射换热为主。陶制品之间和窑壁之间的辐射传热是重要的。窑体辐射换热少，提高窑效率。计算了窑体总换热率和辐射换热率，并绘制了不同防火墙高度对窑体换热率和辐射换热率的影响曲线图。图表绘制于图3F和图3G。

从图3 f防火墙高度为1.5 m时，窑体换热率最小，防火墙高度为1.25 m时，窑体换热率较高。在防火墙高度1.25-2 m范围内，窑体热损失最小。所有防火墙高度的辐射换热率基本相同，但在1.25 m高度时对窑体的辐射换热率最小。

改变烟囱高度对热流分布的影响

从改变防火墙高度的模拟结果来看，当防火墙高度为0.75 m时，温度分布几乎是均匀的。因此，我们将防火墙高度固定为0.75 m，以便对窑炉进行进一步分析。为了降低模拟的复杂性，在ANSYS模型中去掉了烟囱高度。通过改变压力出口的压力来进行仿真。以压力出口为压力出口，计算不同烟囱高度下的感应压力。对烟囱高度2、3、4、5和6 m进行了模拟，得到了结果。对窑内温度分布的分析基本相同。考虑了对窑体的总传热和对窑体的辐射传热，并对窑体的传热率进行了评价。总换热率和对窑体辐射换热随烟囱高度变化曲线如图所示图3H和3I。

烟囱高度5 m时对窑体的换热较多，烟囱高度变化的换热速率基本相同。窑体热损失在5 m处略高。从图中可以看出，对窑体的辐射传热速率与烟囱高度的变化无关。研究了容器的传热速率，并绘制了烟囱高度下容器的辐射和总传热曲线图3J和3K。

由烟囱高度3 m时的总传热速率曲线可知，烟囱高度3 m时的总传热速率最小。当烟囱高度增加到5 m时，粘土制品的传热几乎呈线性增加。进一步增加烟囱高度换热率是恒定的。在5 m处，陶器的辐射换热量较大，高度越高，陶器的辐射换热量越小。

改变屋顶几何形状对温度分布的影响

考虑了窑顶几何形状对窑内温度分布和窑件表面温度的影响。对不同类型的屋顶进行了建模、模拟和分析。在此工作中，模拟了翼型窑顶，并显示了窑内温度轮廓，器皿表面温度图3L和3M分别。

在对翼型窑顶的分析中，得到了以往分析的圆顶窑顶与窑内窑面温度的相似曲线。对于屋顶几何的进一步研究，主要集中在圆顶型屋顶上。屋顶几何形状的另一个改变是通过增加穹顶的曲率半径来降低穹顶的高度。有较大曲率半径的穹顶温度分布如图所示图3N和3O。与以往的温度等高线计算结果比较，得到了炉坯上的温度分布均匀，且窑炉内的曲率半径较大。

对陶窑的新设计提出建议

通过研究可以发现，当防火墙高度为0.75 m，烟囱高度为5 m，且穹顶曲率半径较大时，模型性能较好，温度分布均匀。改进后的陶窑设计模型如图所示图4。

结论

利用ANSYS Fluent仿真软件，分析了下吸式窑的热性能随防火墙高度、烟囱高度和窑顶几何形状等参数的变化。模拟结果表明，当防火墙高度为0.75 m，烟囱高度为5 m，窑顶曲率半径较大时，窑内温度分布较为均匀。采用DOM法计算了窑内的辐射换热。从陶器烧制过程中快速烧制阶段窑体表面和窑内的温度分布来评价窑体。根据应用的边界条件，CFD模型的预测结果接近实际运行情况。在这里，使用一个进气道可以获得更好的性能，因此它将减少燃料消耗和更好地控制燃烧。

建议

该仿真模型中，粘土战争近似为矩形板，这种近似可以进一步修改，使其更接近真实的陶器，以得到更准确的结果。陶器在窑内的包装和放置方式可以研究更好的性能。不同的窑顶几何形状可以分析窑炉性能的变化，新型窑顶有很大的发展空间。

水的蒸发在模型中很好地实现，它可以提供蒸发如何影响过程的信息。仿真结果将更接近实际情况。

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