金屬殼體木材干燥窯熱損失的研究

金屬殼體木材干燥窯熱損失的研究

十多年前，中國的木材干燥爐基本上采用了混合混凝土結(jié)構(gòu)。近年來,性能優(yōu)越的金屬殼體干燥窯已越來越多,似有成為木材干燥窯主流的趨勢。但對金屬殼體窯的熱損失,尤其是冷橋帶來的熱損失尚少探討。本文以105型木材干燥窯為例(以下簡稱例窯),主要分析了金屬殼體木材干燥窯的熱損失情況,并將其和磚混結(jié)構(gòu)窯進(jìn)行對比。文中還著重說明由金屬殼體窯門扇框(以下簡稱門框)及邊框的冷橋產(chǎn)生熱損失的嚴(yán)重程度,指出減小損失的一些途徑。1爐壁熱損失105型木材干燥窯的基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)見圖1。1.1金屬殼體窯和知識爐的熱損失窯內(nèi)壁表面換熱系數(shù)α內(nèi)定為11.63W/m2·℃,并設(shè)外壁表面換熱系數(shù)α外為23.26W/m2·℃。傳熱系數(shù)按公式(1)計(jì)算,可得金屬殼體窯k壁=0.283W/m2·℃,磚混結(jié)構(gòu)窯的k壁=0.448W/m2·℃,后者比前者大58.4%。由于磚混結(jié)構(gòu)窯外表面積比金屬殼體窯大16.7%,因此,窯體墻面總的熱損失后者比前者大85%(見表1)。k壁=11α內(nèi)+∑δλ+1α外(1)1.21溫度和q壁測定q壁=k壁×(t窯-t氣)(2)根據(jù)2001年12月在北京對例窯的實(shí)測結(jié)果,窯內(nèi)平均溫度t窯=75.8℃、氣溫t氣=0.1℃,代入上式得:q壁=0.283×(75.8-0.1)=21.4W/m2由公式(1)可知,預(yù)設(shè)α外大于10時,基本上不影響k和q值大小。1.3計(jì)算相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算在上文1.1節(jié)中給定的α外系全年平均值,而實(shí)際測量時的即時值可根據(jù)公式(3)來進(jìn)行計(jì)算。α外=q壁/(t外壁-t氣)(3)其中,窯外壁溫度t外壁=1.3℃為測量值,將q壁=21.4W/m2,t氣=0.1℃代入,由此可得測量時的外壁傳熱系數(shù)為17.8W/m2·℃。2門的熱損失2.1窯門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)干燥窯入口(大門)及操作間門(小門)是干燥窯熱損失的重要環(huán)節(jié)。木材干燥窯門的結(jié)構(gòu)通常有兩種:一種是由鐵制內(nèi)框、鋁板覆面內(nèi)加玻璃絲棉保溫層、普通橡膠密封條組成的舊式大門,現(xiàn)已被逐步淘汰;二是現(xiàn)在應(yīng)用較普遍的鋁框、瓦楞板面、聚氨酯保溫層、硅膠密封條、吊掛式推拉門。兩者的保溫性能比較如下:2.1.1傳熱系數(shù)k的比較在α內(nèi)=11.63W/m2·℃,α外=17.8W/m2·℃的條件下(下文中的α內(nèi)、α外均以此值為準(zhǔn)),新型大門的傳熱系數(shù)k值為0.283W/m2·℃,舊式大門為0.468W/m2·℃。由此可知,兩者保溫能力相差65%。且新型大門是以硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作保溫材料,其內(nèi)部由封閉的微孔組成,基本上不透氣、不吸濕,保溫性能得到充分保證。而舊式大門是以玻璃綿作保溫材料,一旦發(fā)生透氣、吸濕后保溫性能急劇下降,甚至完全失去隔熱保溫的作用。2.1.2密封保護(hù)條約新型大門密封條以硅橡膠為原料,其柔性好、壽命長、密封性能優(yōu)良。而舊式大門所采用的普通橡膠易老化、龜裂而漏氣,導(dǎo)致熱能的損失。2.2門扇冷橋2.2.1熱損失的計(jì)算是指結(jié)構(gòu)中保溫能力薄弱的部位。金屬殼體窯門門(扇)框的結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖2,其中A=100、B=5、C=102、D=100、E=20、F=20、G=20、H=5、I～250、J=90mm。門框材料為純鋁,傳熱面積F1=門框周長×厚度,即13.58m×0.005m=0.0679m2,門框外表面積F2(B～E區(qū))=3.02m2,門框側(cè)計(jì)算面積F4(A區(qū))=1.26m2。*門框及相連壁板(展開)的溫度曲線(實(shí)線部分為實(shí)測、虛線為推論)見圖3。根據(jù)圖中所標(biāo)例窯實(shí)測溫度,門框、門框側(cè)、窯壁與氣溫差Δt1、Δt2、Δt3分別為24.8、7.2、1.2℃。1個門框冷橋產(chǎn)生的熱損失Q門框=α外×[F2×(Δt1-Δt3)+F4×(Δt2-Δt3)]=17.8×[3.02×(24.8-1.2)+1.26×(7.2-1.2)]=1403W公式中之所以要減去Δt3是因?yàn)橐獪p去板壁熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱損失。α在各區(qū)段不盡相同,為了簡化計(jì)算,統(tǒng)一取為17.8W/m2·℃。同時,為彌補(bǔ)簡化所產(chǎn)生的誤差,使Q門框有足夠的精確度,可將計(jì)算值減小10%,最終取Q門框=1403W×0.9=1263W(相當(dāng)于α門框=16.02W/m2·℃),其損失相當(dāng)于59m2窯壁產(chǎn)生的熱損失,可見門框冷橋造成的熱損失是相當(dāng)嚴(yán)重的。2.2.2熱損失的影響由Q門框=k門框×F1×(t窯-t氣)得:k門框=Q門框/[F1×(t窯-t氣)]=1263/(0.0679×75.7)=246W/m2·℃k值是由:①外部邊界情況;②內(nèi)部邊界情況;③材料導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱長度3個因素決定的。其中,第①項(xiàng)受構(gòu)件強(qiáng)度、外表觀感等限制,改動難度稍大,而改變第②項(xiàng),即內(nèi)部邊界情況以減小熱損失是可行的。研究表明,圖2、圖3中I區(qū)是向窯外傳送熱能的有效通道,如果將門框與壁板之間加上1個絕熱墊,隔斷傳熱通道。同時,把G區(qū)減小到5mm,并在G、H區(qū)表面涂以絕熱層。采取這些措施后,經(jīng)計(jì)算,k=35W/m2·℃,僅是原k值的14.2%,絕對冷橋熱損失為0.142×1263W=180W。另外,如將門框與內(nèi)面板接觸處的表面粗糙度提高,也可增加熱阻,減小冷橋損失。對于第③項(xiàng),如果將門框材料由5mm厚的純鋁換成2mm厚的不銹鋼,1個門框的冷橋熱損失將減少至250W以下,但加工難度增加。2.2.3金屬殼體窯的熱損失磚混結(jié)構(gòu)窯門框冷橋熱損失計(jì)算較為復(fù)雜,其門框是復(fù)合材料(鋁皮鋼架),存有接觸熱阻,鋼的導(dǎo)熱系數(shù)又小,是減小冷橋熱損失的有利條件,但其骨架較多,又使冷橋損失增加,粗略計(jì)算約為金屬殼體窯的110%。對于對開式的大門,其冷橋造成的熱損失更大,約為金屬殼體窯的150%以上。3門壁的熱損失3.1熱損失的計(jì)算金屬殼體窯與磚混結(jié)構(gòu)窯窯門(大門)邊框結(jié)構(gòu)對比見圖4。大門邊框冷橋的熱損失計(jì)算方法同門框。金屬殼體例窯(圖4a所示)的材料為2mm不銹鋼,結(jié)構(gòu)參數(shù)為:門邊框外(B區(qū))表面積F6=0.238m2,門邊框外側(cè)(A區(qū))計(jì)算面積F8=1.11m2。門邊框外面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α門邊框外≈14W/m2·℃。實(shí)測門邊框外(B區(qū))平均溫度t門邊框=25.3℃,門邊框外側(cè)(A區(qū))平均溫度t門邊框側(cè)=8.1℃。由此計(jì)算出門邊框、門邊框側(cè)與氣溫的差分別為:Δt4=25.2℃、Δt5=8.0℃,進(jìn)而推算出1個門邊框冷橋產(chǎn)生的熱損失為:Q門邊框=α門邊框外×[F6×(Δt4-Δt3)+F8×(Δt5-Δt3)]=14×[0.238×(25.2-1.2)+1.11×(8-1.2)]=186W從上述計(jì)算可看出,金屬殼體窯門邊框冷橋熱損失只有門框的1/7。原因是門邊框采用2mm厚不銹鋼,導(dǎo)熱系數(shù)低,傳熱面積、散熱面積又均較門框小。減小門邊框冷橋的方法同門框冷橋,但這些措施應(yīng)施加于靠窯壁外側(cè)處。3.2熱損失的計(jì)算在采用厚度為8mm的10#角鋼為門邊框材料(圖4b)時,其冷橋熱損失計(jì)算值為:Q磚門邊框=k×F×(t窯-t氣)=54.1×0.0856×(75.8-0.1)=350W(k值計(jì)算見參考文獻(xiàn))磚混結(jié)構(gòu)窯門邊框冷橋熱損失比金屬殼體窯門邊框大得多的原因是尺寸大、材料導(dǎo)熱系數(shù)高。在建造干燥窯時,如果能把角鋼尺寸適當(dāng)減小,將會減小熱損失。3.3門邊界熱損失q磚混結(jié)構(gòu)窯門邊框(圖4)常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)傳熱的基本公式:Q=k×F×Δt可得一個門邊框熱損失Q=818W。減去側(cè)壁已計(jì)算部分后,計(jì)算值為Q=694W。此熱損失本應(yīng)歸類于窯側(cè)壁熱損失,但為了分析對比,將其列于門邊框熱損失。4不同大小小門邊界冷橋產(chǎn)生的熱損失的計(jì)算根據(jù)測量數(shù)據(jù),計(jì)算(略)出操作間小門的表面換熱系數(shù)α操=10.5W/m2·℃。小門(扇)框冷橋產(chǎn)生的熱損失:Q小門框=α操×[F10×(Δt7-Δt3)+F12×(Δt8-Δt3)]=10.5×[0.21×(22.8-1.2)+0.77×(8.7-1.2)]=108W小門邊框冷橋產(chǎn)生的熱損失:Q小門邊框=α操×[F14×(Δt10-Δt3)+F16×(Δt11-Δt3)]=10.5×[0.22×(11.3-1.2)+0.36×(2.9-1.2)]=29.8W兩者之和為138W,由于小門結(jié)構(gòu)與大門不同,在計(jì)算中為了方便,簡化了一些問題,其實(shí)際值取235W較為合理。降低這部分熱損失的方法可參考大門框及大門邊框部分,在加工中,減小門與門邊框之間的間隙也有一定效果。5勞動過程的損失其它冷橋熱損失是指通風(fēng)口、穿釘及鋼軌的熱損失。具體為:(1)通風(fēng)口熱損失磚混窯通風(fēng)口熱損失不大,暫不討論。對金屬殼體窯,考慮到風(fēng)門關(guān)閉時間只占整個干燥周期的8%左右;出風(fēng)口熱損失主要在于濕空氣帶走的熱量,已計(jì)入木材水分蒸發(fā)的熱耗;進(jìn)風(fēng)口是空氣從外向里流動,所以主要是計(jì)算其傳熱和輻射熱損失;(2)穿釘熱損失按例窯中實(shí)際應(yīng)用的M8不銹鋼穿釘100個計(jì)算;6地基熱損失的計(jì)算(3)鋼軌熱損失按4條輕軌,延伸窯外1.5m計(jì)算。上述三項(xiàng)的熱損失值見表1(具體計(jì)算略)。地基的熱損失將另文討論,但需注意的是通常使用