一种陶瓷坯体内部温度分布获取方法技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷坯体内部温度分布获取方法，包括如下步骤：S1、建立烧制过程中陶瓷坯体内部的导热模型；S2、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体的传热过程模型，得到陶瓷坯体外表面温度，作为边界条件；S3、用有限差分法对所建立的传热模型以及导热模型进行求解，得到陶瓷坯体内部的温度分布。本发明专利技术建立工艺参数与陶瓷坯体温度之间的一维非稳态模型以及陶瓷坯体的传热模型，得到工艺参数与陶瓷温度之间的关系，将输入工艺参数与陶瓷的温度模型相结合，同时解决了传统机理模型中直接将窑温作为陶瓷坯体边界条件而存在的不足，对陶瓷坯体进行温度分析，以实现节能降耗。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷坯体内部温度分布获取方法
本专利技术涉及能源
，具体涉及一种陶瓷坯体内部温度分布获取方法。
技术介绍
随着全球经济的迅速增长，人们对陶瓷的多样化需求日渐增多。在2017年，全球陶瓷生产重量达到了135亿平方米，其中主要的生产在亚洲和欧洲，分别占据了94亿平方米和20亿平方米(Worldproductionandconsumptionofceramictiles[J].Ceramicworldreview，2018.)，中国在亚洲地区属于最主要的陶瓷生产地。涂釉陶瓷制作过程主要包括：原料准备、挤压成型、干燥、上釉、烧制等阶段(CO2emissioncalculationandreductionoptionsinceramictilemanufacture-theFoshanCase[J]，EnergyProcedia2012(16)：467-476)。其中喷雾干燥过程占据总能耗的30％左右(建卫瓷行业节能减排的现状及技术措施[J].中国陶瓷工，2009(1)：33-38.)，烧制阶段占据整个过程热能消耗的50％以上(Energysavinginceramictilekilns：coolinggasheatrecovery[J]，AppliedThermalEngineering.2014(65)：102-110.)，且整个制造工艺中烧制过程的碳排放占据90％以上。同时在资源利用率上，我国与国外也有较大的差距，一些发达国家能达到50％以上，甚至接近60％，而我国一般只有30％左右(陶瓷工业能耗现状及节能技术分析[J]，科技传播，2014：94-96)，可以看出粗放式、低能效、高排放的模式制约着企业的发展。随着全球气候的变化以及国务院在2012年颁发对的[2012]44号文件中关于窑炉的绿色低碳发展等问题(玻璃窑炉控制系统的设计及算法研究[D].青岛科技大学，2013.)节能减排措施的推进，如何降低陶瓷生产过程中的能耗水平、提高能源利用率是行业亟待解决的课题。窑炉内部温度场以及制品温度分布都与产品的质量息息相关，但是内部温度存在不可测的特点导致企业对于窑炉的性能优化难度较大，制约着企业的能耗。目前在窑炉温度场分布的研究方面，国内外学者进行了一定的研究。主要集中在两个方面：机理建模，机理加数据的复合建模方式。Numericalanalysisofanentireceramickilnunderactualoperatingconditionsfortheenergyefficiencyimprovement[J].JournalofEnvironmentalManagement，2017，203：1026-1037.以隧道窑为对象分析节能效果，建立了整个系统的集中分布参数模型，确定燃料消耗和产品质量之间的最佳平衡，从而改善了燃料的消耗和相应的二氧化碳排放量。Numericalmodelingofarotarycementkilnwithimprovementstoshellcooling[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2016，102：610-621.结合复合阻力模型和强制对流模型建立了实际的一维窑体模型，并对该模型进行验证研究，得出了合理的温度分布和物质质量分数的定量和定性结果。虽然国内外学者在温度场的机理建模做了不少工作，但是大多集中在隧道窑、回转窑等窑炉方面，针对陶瓷辊道窑方面的温度场机理建模较少，且大部分没有将输入与陶瓷的温度相结合的模型。而对于这种典型的热工设备而言，其内部温度场不仅关系到整个过程的能源消耗，而且与产品相质量相关。因此建立陶瓷辊道窑的温度机理模型是个必然的需求。
技术实现思路
针对窑炉内部陶瓷坯体温度无法测量，不能对其陶瓷质量进行评判的问题，本专利技术建立工艺参数与陶瓷坯体温度之间的一维非稳态模型以及陶瓷坯体的传热模型，得到工艺参数与陶瓷温度之间的关系，将输入工艺参数与陶瓷的温度模型相结合，同时解决了传统机理模型中直接将窑温作为陶瓷坯体边界条件，因而存在不足的问题，对陶瓷坯体进行温度分析，以实现节能降耗。为解决上述技术问题，本申请提供一种陶瓷坯体内部温度分布获取方法，具体技术方案如下：S1、建立烧制过程中陶瓷坯体内部的导热模型；S2、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体的传热过程模型，得到陶瓷坯体外表面温度，作为边界条件；S3、用有限差分法对所建立的传热模型以及导热模型进行求解，得到陶瓷坯体内部的温度分布。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、建立工艺参数与陶瓷坯体温度之间的一维非稳态模型，实现对窑炉内部陶瓷坯体温度进行分析，实现对陶瓷坯体质量的评判；2、得到工艺参数与陶瓷温度之间的关系，将输入工艺参数与陶瓷的温度模型相结合；3、实现陶瓷企业的节能降耗。附图说明图1为本专利技术提供的陶瓷坯体内部温度分布获取方法的示意图。图2为陶瓷坯体运动示意图。图3为辊道窑预热与烧成段分布图。图4为预热段微元划分。图5为两垂直表面角系数计算示意图。图6为烧嘴烧成区布局图。图7为烧成段微元划分图。图8为数值计算流程图。图9为一维非稳定导热网格划分图。图10为追赶法求解时间。图11为高斯赛德尔迭代求解时间。图12为陶瓷内外温度曲线。图13为温差变化曲线。具体实施方式本专利技术基于机理分析建立烧制过程陶瓷坯体一维非稳态温度分布模型，得到陶瓷在预热段以及燃烧段运行时的温度分布，为窑炉烧制过程中的质量提供评判依据。如图1所示，本专利技术提出了一种陶瓷坯体内部温度分布获取方法。S1、建立烧制过程中陶瓷坯体内部的导热模型；S2、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体的传热过程模型，得到陶瓷坯体外表面温度，作为边界条件；S3、利用有限差分法对所建立的传热模型以及导热模型进行求解，得到陶瓷坯体内部的温度分布。S1、建立烧制过程中陶瓷坯体内部的导热模型。由于陶瓷在烧制过程中内部传热、物化反应相当复杂，因此首先作出如下假设：(1)陶瓷两端面绝热且沿窑宽以及窑长方向温分布均匀，陶瓷内部的导热只发生在厚度方向；窑炉辊道上下气流、温度等均相同，窑体每一截面表面黑度相同。陶瓷坯体在陶瓷辊道窑内为上下表面对称加热。陶瓷坯体的边界条件，采用第一类边界条件，考虑到直接用烧成曲线替代陶瓷坯体表面温度误差大，需要建立窑内陶瓷的传热过程，得到陶瓷表面温度，最终能够计算出陶瓷坯体在窑内不同位置温度。所述的导热模型为一维非稳态导热方程，具体如下式所示：式中：T代表陶瓷坯体内部温度，单位为℃；τ代表时间，单位为s；x代表陶瓷坯体厚度方向，单位为mm；λ代表坯体导热系数，单位为W/(m·℃)；ρ代表坯体密度，单位为kg/m3；c代表坯体比热容，单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷坯体内部温度分布的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、建立烧制过程中陶瓷坯体内部的导热模型；/nS2、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体的传热过程模型，得到陶瓷坯体外表面温度，作为边界条件；/nS3、用有限差分法对所建立的传热模型以及导热模型进行求解，得到陶瓷坯体内部的温度分布。/n

【技术特征摘要】
20210122 CN 20211009369141.一种陶瓷坯体内部温度分布的获取方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立烧制过程中陶瓷坯体内部的导热模型；
S2、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体的传热过程模型，得到陶瓷坯体外表面温度，作为边界条件；
S3、用有限差分法对所建立的传热模型以及导热模型进行求解，得到陶瓷坯体内部的温度分布。


2.根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述的导热模型为一维非稳态导热方程，具体如下式所示：






式中：T代表陶瓷坯体内部温度；τ代表时间；x代表陶瓷坯体厚度方向；λ代表坯体导热系数；ρ代表坯体密度；c代表坯体比热容；f(l)代表随着窑长变化的陶瓷内部温度。


3.根据权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述的S2、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体的传热过程模型，得到陶瓷坯体外表面温度，作为边界条件，具体为：
S21、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体在预热段的传热过程模型；
S22、基于能量守恒与质量守恒建立陶瓷坯体在烧成段的传热过程模型。


4.根据权利要求3所述的获取方法，其特征在于，所述的预热段的传热过程模型包括烟气质量守恒公式、陶瓷质量守恒公式、烟气能量守恒公式和陶瓷能量守恒公式；
所述的烟气质量守恒公式如下所示：



所述的陶瓷质量守恒公式如下所示：



其中，代表烟气的质量流量，代表陶瓷的质量流量，w代表水分蒸发量，Y代表陶瓷坯体所处位置；
所述的烟气能量守恒公式如下所示：



其中，cfg代表烟气的比热容；Tfg代表烟气温度；Tb代表外表面的温度；Tw代表窑...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡罗克，印四华，项星玮，龙时雨，徐康康，贾顺，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33