箱式精密热处理炉的制作方法

1.本实用新型属于热处理设备领域，具体涉及一种箱式精密热处理炉。


背景技术：

2.箱式精密热处理炉因具备占地面积小、能满足一些特殊玻璃的生产要求、并能提高玻璃品质等优点，被广泛应用于光学玻璃、激光玻璃等高性能玻璃的热处理。离心风机作为箱式精密热处理炉的重要部件，对增强炉内气流对流换热强度起着决定性作用。热处理炉运行过程中，在离心风机的旋转作用下带动炉内空气流动，从炉体中部的圆形风机吸风口吸风，然后从离心风机四周的风机叶轮出风口出风，气流经过气流通道中间的加热元件加热后到达炉门处的方形进风口，通过方形进风口进入主流区后从中间再被吸入到离心风机，如此形成炉内气流的往复循环。
3.由于炉内的离心风机缺乏将气流动能转换为压能的部件，导致风机叶轮出风口处的气流周向速度无法被有效利用，周向动能不能转换为静压，造成风机叶轮出风口静压较低，能量损失严重，静压效率降低，无法达到传统离心风机的能效水平。而且，热处理炉内在离心风机的周向各处均有气流流出，出口方向不规律，气流的流动均匀性较差，通过对箱式精密热处理炉内气流流动特性的模拟仿真发现，在气流循环过程中，从叶轮甩出的高速气流表现为沿炉衬内壁流动的贴壁射流，对炉衬内壁的冲击较大，动能损失也较大，射流的卷吸作用使风机叶轮出风口与炉衬内壁之间的空间区域产生漩涡、回流现象，贴壁流动的气流继续沿着炉衬内壁以顺时针旋转运动和水平轴向运动叠加的螺旋状流动方式向炉门处流动，到达炉门处的方形进风口后，进入炉膛有效区内再以反向旋转流动方式流入到风机吸风口，此处受到风机吸风口的限制，方形进风口的风汇聚在中心，循环气流难以以均匀的流量与流速进入炉膛有效区内，影响炉内气流与玻璃产品、气流与炉衬内壁间对流换热强度，降低了炉内传热效率，炉内温度均匀性较差。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种箱式精密热处理炉，旨在解决现有的箱式精密热处理炉其风机叶轮出风口处的气流流动均匀性较差且动能损失较大的问题。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：箱式精密热处理炉，包括炉体、加热元件、导风内胆和离心风机；所述炉体的前端设置有炉门，所述导风内胆设置在炉体的炉膛中，且导风内胆的侧壁与炉体的炉衬内壁之间形成有气流通道，所述气流通道的横截面呈环形，所述加热元件设置在气流通道中；所述导风内胆的前端设有进风口，所述进风口将导风内胆的内腔与气流通道连通；所述离心风机设置在导风内胆的后端，所述离心风机具有风机吸风口和风机叶轮出风口，所述风机吸风口与导风内胆的内腔连通；所述风机叶轮出风口处设置有出风导流件，所述出风导流件内设有平滑的导流通道，所述导流通道包括气流进口端和气流出口端，所述气流进口端与风机叶轮出风口连通，所述气流出口端朝向气流通道的中部并与气流通道连通。
6.进一步的是，所述气流通道中设置有至少两根安装杆，各安装杆沿导风内胆的周向均匀分布，且每根安装杆上均螺旋缠绕设置有加热元件。
7.进一步的是，所述导风内胆包括方筒形主体和设置在方筒形主体后端的锥形安装板，所述锥形安装板的横截面呈圆环形；所述进风口设置在方筒形主体前端的侧壁上，所述离心风机设置在锥形安装板的中央部位。
8.进一步的是，所述导风内胆的前端设置有气体整流加速装置，所述气体整流加速装置位于进风口的后侧。
9.进一步的是，所述气体整流加速装置包括封闭设置在导风内胆前端的方形整流板，所述方形整流板上开设有至少两个射流孔，所述射流孔在方形整流板上均匀分布。
10.进一步的是，所述方形整流板的两条对角线将其分为四个区域，所述射流孔朝向所在区域的外边缘倾斜。
11.进一步的是，所述射流孔的倾斜角度为30
°
～75
°
。
12.进一步的是，所述出风导流件包括至少两块间隔设置的导流板，任意相邻的两块导流板之间均形成有导流通道。
13.进一步的是，所述导流通道的横截面呈“c”字形，所述气流进口端处于导流通道的中央部位，所述气流出口端处于导流通道的边缘部位。
14.进一步的是，所述气流出口端的朝向与气流通道的长度方向平行。
15.本实用新型的有益效果是：
16.(1)该箱式精密热处理炉通过在风机叶轮出风口处设置出风导流件，出风导流件的导流通道能够对从风机叶轮出风口甩出的气流进行导向，在导流通道的导向作用下，能够将风机叶轮出风口甩出的大部分气流由炉膛径向运动导向为趋近炉膛轴向运动，减少气流对炉衬内壁的冲击，利于气流旋转着在气流通道中运动，改善了风机叶轮出风口处气流不均匀的问题，并降低了气流冲击炉衬内壁的动能损失，提升了离心风机的静压效率，增加了气流循环利用率。
17.(2)该箱式精密热处理炉通过设置气体整流加速装置，可使得从气流通道流动过来的气体经过整流和加速后能够以更大的速度均匀地进入导风内胆的内腔，有效扰动了气体在玻璃前端的流动状态，提高了气体整流加速装置与玻璃前端空间内气流的湍流强度，强化了主流区内强制对流传热的换热效果，进而提高了炉内传热效率，使得气体与玻璃前端的对流换热效果增强，从而提高热处理过程中玻璃前端的温度，减小了玻璃前后两端的温差，保证了精密热处理的效果，提升了玻璃的品质。
18.(3)将方形整流板分为四个区域，并使射流孔朝向所在区域的外边缘倾斜，可将进风口以及炉门处汇聚的气流进行均匀分散，并引导向导风内胆的四周内表面运动，不仅能使进入炉膛有效区的气流均匀性大幅提升，还能通过倾斜的射流孔实现气流与炉衬内壁对流换热强化效果，增加气流与炉衬内壁扰动，减薄热边界层厚度，提升传热能力，解决了进风口引导过来的低温气流不均匀而造成玻璃温差过大、质量不佳的问题。
附图说明
19.图1是本实用新型的剖视结构示意图；
20.图2是方形整流板的三维结构示意图；
21.图3是出风导流件的三维结构示意图；
22.图4是未设置气体整流加速装置和出风导流件的炉内压力分布云图；
23.图5是设置了气体整流加速装置和出风导流件的炉内压力分布云图；
24.图6是未设置气体整流加速装置和出风导流件的炉内气流流动状态的模拟仿真图；
25.图7是设置了气体整流加速装置和出风导流件的炉内气流流动状态的模拟仿真图；
26.图8是未设置气体整流加速装置和出风导流件的炉内玻璃温度分布仿真图；
27.图9是设置了气体整流加速装置和出风导流件的炉内玻璃温度分布仿真图；
28.图中标记为：炉体100、气流通道210、加热元件220、导风内胆300、进风口310、气体整流加速装置330、射流孔331、锥形安装板340、离心风机400、出风导流件500、导流通道510、气流出口端511、导流板520。
具体实施方式
29.下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
30.本文涉及的“前”、“后”、“上”、“下”等指示方位关系的表达，均是以玻璃热处理过程中，玻璃从炉门处进炉的方向作为后方向进行确定的。已知后方向，可以确定与后方向相反的方向即为前方向，与前后方向水平垂直的方向即为左右方向，与前后方向竖向垂直的方向即为上下方向。
31.结合图1和图3所示，箱式精密热处理炉，包括炉体100、加热元件220、导风内胆300和离心风机400；所述炉体100的前端设置有炉门，所述导风内胆300设置在炉体100的炉膛中，且导风内胆300的侧壁与炉体100的炉衬内壁之间形成有气流通道210，所述气流通道210的横截面呈环形，所述加热元件220设置在气流通道210中；所述导风内胆300的前端设有进风口310，所述进风口310将导风内胆300的内腔与气流通道210连通；所述离心风机400设置在导风内胆300的后端，所述离心风机400具有风机吸风口和风机叶轮出风口，所述风机吸风口与导风内胆300的内腔连通；所述风机叶轮出风口处设置有出风导流件500，所述出风导流件500内设有平滑的导流通道510，所述导流通道510包括气流进口端和气流出口端511，所述气流进口端与风机叶轮出风口连通，所述气流出口端511朝向气流通道210的中部并与气流通道210连通。使气流出口端511朝向气流通道210的中部，能够确保从该气流出口端511流出的气流沿炉膛轴向的分运动速度大于沿炉膛径向的分运动速度，进而减少气流对炉衬内壁的冲击，并提高气流的均匀性；气流出口端511可以是部分朝向气流通道210的中部，也可以是全部朝向气流通道210的中部，通常使气流出口端511朝向与气流通道210送风方向的夹角小于45
°
，气流通道210的送风方向是指其进气端至其出气端的方向，也指气流在气流通道210中运动的方向；优选使气流出口端511的朝向与气流通道210的长度方向平行，即气流出口端511朝向与气流通道210送风方向同向，如此能够最大限度减少气流对炉衬内壁的冲击，并使风机叶轮出风口处气流的均匀性达到最佳状态。
32.该箱式精密热处理炉通过在风机叶轮出风口处设置出风导流件500，出风导流件500的导流通道510能够对从风机叶轮出风口甩出的气流进行导向，在导流通道510的导向作用下，能够将风机叶轮出风口甩出的大部分气流由炉膛径向运动导向为趋近炉膛轴向运
动，减少气流对炉衬内壁的冲击，利于气流旋转着在气流通道210中运动，改善了风机叶轮出风口气流不均匀的问题，并降低了气流冲击炉衬内壁的动能损失，提升了离心风机的静压效率，增加了气流循环利用率。
33.其中，炉体100为该箱式精密热处理炉的主体部件，主要用于安装并保护其他零部件，以对装入其炉膛内的玻璃进行热处理；气流通道210主要用于导流炉膛内的气体并对气体进行加热，气流通道210的结构可以为多种，为了保证输送气体的均匀性，通常使气流通道210的横截面为旋转对称结构；加热元件220主要用于加热炉膛内的玻璃及气体，加热元件220可以为多种，通常选用电加热元件，例如：电阻带、电阻丝、电热偶等；当然，也可以选用其他加热元件或装置。
34.为了方便安装加热元件220并提高加热的均匀性，再如图1所示，优选在气流通道210中设置至少两根安装杆，各安装杆沿导风内胆300的周向均匀分布，且每根安装杆上均螺旋缠绕设置有加热元件220。该实施方式选用的加热元件220为电阻丝，将其螺旋缠绕设置在安装杆上，不仅能够在有限的长度上布置更长的加热元件220，提升该箱式精密热处理炉的功率，而且加热元件220的上述分布方式利于提高加热温度的均匀性，并保证了加热元件220安装的稳固性和使用寿命。安装杆的数量优选为20根。
35.导风内胆300通常为一端封闭的筒形结构，其主要用于放置需热处理的玻璃，并与炉体100一起形成炉膛内气体的循环通道，利于提升炉膛内温度场的均匀性，导风内胆300的内腔中部通常为炉膛有效区。为了提高进入离心风机400的回风效率，优选的，再如图1所示，所述导风内胆300包括方筒形主体和设置在方筒形主体后端的锥形安装板340，所述锥形安装板340的横截面呈圆环形；所述进风口310设置在方筒形主体前端的侧壁上，所述离心风机400设置在锥形安装板340的中央部位。锥形安装板340与方筒形主体结合形成的导风内胆300，在结合处方形断面与圆形断面形成有过渡收缩性曲面，利于导风内胆300内腔中的气体被吸入离心风机400中，并利于离心风机400将气体送入气流通道210，提高了气体循环流动的顺畅性，不仅使得炉膛内温度场更均匀，而且可降低离心风机400的能耗。
36.优选的，结合图1和图2所示，所述导风内胆300的前端设置有气体整流加速装置330，所述气体整流加速装置330位于进风口310的后侧。通过在导风内胆300的前端设置气体整流加速装置330对气体进行整流并加速气流，如此可使得气体以更大的速度均匀地进入导风内胆300的内腔，有效扰动了气体在玻璃前端的流动状态，提高了气体整流加速装置330与玻璃前端空间内气流的湍流强度，强化了主流区内强制对流传热的换热效果，进而提高了炉内传热效率，从而提高热处理过程中玻璃前端的温度，减小了玻璃前后两端的温差，保证了精密热处理的效果，提升了玻璃的品质。
37.气体整流加速装置330主要用于对进入导风内胆300前端的气体进行整流和加速，以使气体以更快的速度、更均匀的流动状态进入导风内胆300的内腔；气体整流加速装置330可以为兼具整流和加速功能的设备，也可以为包括整流和加速两大部件的设备，整流部件例如：均流板、气体整流器等，加速部件例如：加压设备、风机等。
38.为了节约成本并简化装置结构，优选再结合图1和图2所示，气体整流加速装置330包括封闭设置在导风内胆300前端的方向整流板，所述方向整流板上设置有至少两个射流孔331，所述射流孔331在方向整流板上均匀分布。通常在导风内胆300的前端开设凹槽，将方向整流板嵌入安装在凹槽中。带射流孔331的方向整流板不仅结构简单、制作方便，而且
均布的射流孔331能够对进入导风内胆300前端的气体进行整流，另外在进风口310的后侧设置方向整流板后会使得流体截面突然收缩、流速增加，从而可使进入导风内胆300内腔的气流在玻璃前端流动加剧，形成漩涡强度更大的涡流运动，增强气体与玻璃间的换热强度，提高热处理过程中玻璃前端的温度，减小玻璃前后两端的温差。
39.方向整流板通常由耐热材料制作，优选由成本较低、便于加工的耐热不锈钢材料制成。射流孔331在方向整流板上均匀分布的方式可以为多种，例如：等间距排布、阵列、中心对称分布、旋转对称分布等。方向整流板的厚度通常为5～20mm，优选为5mm。
40.优选的，再如图2所示，所述方形整流板的两条对角线将其分为四个区域，所述射流孔331朝向所在区域的外边缘倾斜。将方形整流板分为四个区域，并使射流孔331朝向所在区域的外边缘倾斜，可将进风口310以及炉门处汇聚的气流进行均匀分散，并引导向导风内胆300的四周内表面运动，不仅能使进入炉膛有效区的气流均匀性大幅提升，还能通过倾斜的射流孔331实现气流与炉衬内壁对流换热强化效果，增加气流与炉衬内壁扰动，减薄热边界层厚度，提升传热能力，解决了进风口310引导过来的低温气流不均匀而造成玻璃温差过大、质量不佳的问题。
41.在上述基础上，为了达到最优的均流和换热效果，优选使射流孔331的倾斜角度为30
°
～75
°
。最优的倾斜角度为45
°
，如此能够实现将气流均匀引导扩散至导风内胆300四周内壁面。
42.气体整流加速装置330不仅能使进入炉膛有效区的气流均匀性大幅提升，还能通过倾斜的射流孔331实现气流与炉衬内壁对流换热强化效果，射流孔331的直径通常为10～30mm，该直径范围对炉膛有效区温度均匀性的影响不大，射流孔331的直径优选20mm；射流孔331的长度通常为5～15mm，优选为12mm，易避免倾斜状态的射流孔331嵌入到附近零部件内部；
43.出风导流件500主要用于对从风机叶轮出风口甩出的气流进行导向，同时降低离心风机400运行的阻力，使得气流从气流出口端511朝向气流通道210的中部被送出，减少气流对炉衬内壁的冲击，改善了风机叶轮出风口气流不均匀的问题，并降低了气流冲击炉衬内壁的动能损失，提升了离心风机的静压效率，增加了气流循环利用率。出风导流件500可以为多种结构，例如：管状结构、盘装结构、板状结构等等。优选的，所述出风导流件500包括至少两块间隔设置的导流板520，任意相邻的两块导流板520之间均形成有导流通道510。
44.优选的，出风导流件500由三个同心异径的圆碟形导流板520形成两个导流通道510，将风机叶轮出风口的高速气流从炉膛径向流动过渡到趋近炉膛轴向流动，一方面减少风机叶轮出风口因空间突然变大造成的损失，以及高速气流冲击炉衬内壁引起的动量损失，另一方面阻断因贴壁射流的卷吸作用造成的靠近风机轮盖处的漩涡。
45.为了达到更好的导流效果，尽可能地降低气流冲击炉衬内壁造成的动能损失，优选使导流板520为沿离心风机400旋转轴旋转对称的环状结构，沿离心风机400的径向截取导流板520截面，该截面呈弧形，结合图1和图3所示；具体的，所述导流通道510的横截面呈“c”字形，所述气流进口端处于导流通道510的中央部位，所述气流出口端511处于导流通道510的边缘部位。
46.导流板520可以采用多种材料制作，优选由耐热不锈钢制成；具体的，导流板520的厚度为2mm，其截面的弧形半径为60～100mm，优选80mm，略小于风机叶轮出风口到加热元件
220的距离；相较于直线段或直锥段结构的导流板520，弧形的导流板520形成的导流通道510可将风机叶轮出风口径向气流平滑地导向至气流通道210，降低了气流直接冲击炉衬内壁引起的动能损失，阻挡了气流通道210内气流的反向流动，有效提高离心风机400性能。考虑到叶轮为高速旋转的部件，导流板520为静止部件，为防止叶轮旋转与导流板520之间发生动静干涉引起的剧烈振动以及两者间的强力磨损，导流板520与叶轮之间保持一定的径向间隙，通常将该径向间隙控制为2～5mm，优选为2mm，导流板520的出口端面均与叶轮轮盖通常在同一水平线上；导流通道510靠近风机叶轮出风口的一端为气流进口端，远离风机叶轮出风口的一端为气流出口端511，气流出口端511与通常与前盘水平对齐。通过模拟仿真得到，风机叶轮出风口静压由原来的44.513pa增加到246.131pa，证明了出风导流件500具有扩压作用。气流在各导流通道510内互不干扰地流动，并沿着炉衬内壁向炉门流动，到达炉门附近处的进风口310，受到来自风机吸风口的低压作用，进风口310的气流主要以集中于中心的状态向离心风机400流动。
47.炉内气流在整个循环流动过程中，借助出风导流件500，经过风机叶轮出风口的气流方向的调整以及扩压作用，引导气流平滑地进入气流通道210，在气流通道210内进行均匀加热后到达进风口310，再经过该处的倾斜的射流孔331的偏向和加速后进入炉膛有效区内，提高了整体气流循环流动的顺畅性，提升了温场均匀性。
48.实施例
49.利用本实用新型提供的箱式精密热处理炉在设置气体整流加速装置330和出风导流件500的情况下，对三层架板上放置的三块玻璃进行仿真热处理，三块玻璃从上往下依次编号为#1、#2、#3。热处理过程中，炉内压力分布结构如图5所示，炉内气流流动状态的模拟仿真结果如图7所示，炉内玻璃温度分布仿真结果如图9所示，玻璃的最大温差值见下表1。
50.对比例
51.利用其他结构与本实用新型提供的箱式精密热处理炉相同，在未设置气体整流加速装置330和出风导流件500的情况下(相当于现有的箱式精密热处理炉)，对三层架板上放置的三块玻璃进行仿真热处理，三块玻璃从上往下依次编号为#1
′
、#2
′
、#3
′
。热处理过程中，炉内压力分布结构如图4所示，炉内气流流动状态的模拟仿真结果如图6所示，炉内玻璃温度分布仿真结果如图8所示，玻璃的最大温差值见下表1。
52.表1玻璃的最大温差值δt
53.[0054][0055]
从图4和图5可以看出，未设置出风导流件500的情况下，炉内压力集中在炉膛后端靠近离心风机400位置，对炉衬内壁的冲击较大，动能损失也较大；设置了出风导流件500的情况下，炉内压力分布均匀。
[0056]
从图6和图7可以看出，由于离心风机400的偏向性以及炉门的阻挡，未设置气体整流加速装置330和出风导流件500的情况下，会造成循环过程中进入导风内胆300前端的主流区内气流流动不均匀，气流速度分布不均，气流扰动不剧烈，气流与玻璃前端间的强对流强度相对较弱，热交换不充分；设置了气体整流加速装置330和出风导流件500的情况下，在出风导流件500的导流作用下，能够将风机叶轮出风口甩出的大部分气流由炉膛径向运动导向为趋近炉膛轴向运动，利于气流旋转着在气流通道210中运动，改善了风机叶轮出风口气流不均匀的问题，并降低了气流冲击炉衬内壁的动能损失，提升了离心风机的静压效率，增加了气流循环利用率；同时，气体会以更大的速度均匀地进入导风内胆300的内腔，有效扰动气体在玻璃前端的流动状态，提高了气体整流加速装置330与玻璃前端空间内气流的湍流强度，强化了主流区内强制对流传热的换热效果，热交换更充分。
[0057]
从图8和图9及表1可以看出，设置了气体整流加速装置330和出风导流件500的情况下，炉内热处理的玻璃最大温差值δt明显小于未设置气体整流加速装置330和出风导流件500的情况，说明本实用新型提供的箱式精密热处理炉能够有效减小玻璃热处理过程中前后端温差，提高玻璃精密热处理的均匀性，玻璃产品的平均温差降低了42.1％。