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硅碳棒在炉底盘上分三圈竖立于炉内

    实际还原炉模型及简化以生产中实际使用的18对硅碳棒钟罩式还原炉为例,18对(36根)硅碳棒在炉底盘上分三圈竖立于炉内:内圈3对硅碳棒,均匀分布在距炉底圆心183mm的圆周上;中圈6对硅碳棒,均匀分布在距炉底圆心353.Smm圆周上;外圈9对硅碳棒,均匀分布在距炉底圆心527mm圆周上。钟罩为直圆柱+球冠封顶,圆柱高2680mm,内壁半径为742mm,球冠高430mm。数个气孔均匀分布在底盘上。由于其结构具有120“儿何和物理周期性对称,其I/3三维结构如图1所示。模拟使用的简化条件:原料进人还原炉之前,氢气和三氯氢硅已完全混合均匀。由于模拟着重考查流动和温度场分布,因此模拟过程不计算化学反应,混合气体被假设为单一的理想气体,其物性分别按熟知的理想气体混合规bZ如份图1I8对硅碳棒还原炉1/3大小结构图。a底盘,b1/3炉体则计算;控制方程忽略组分扩散和重力的影响,并采用不可压缩理想气体模型;尽管实际中硅碳棒的初始直径是8mm,通过沉积长大为130mm。模拟中硅碳棒直径为90mm由于模拟对象具有120“几何和物理周期对称性,取整体的I/3作为计算域,进行三维模拟。控制方程在稳态下,忽略组分扩散的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程如下:式中,T,u分别为流体温度和速度;;E为单位质量的内能;P滞系数和热导率.Sh为辐射热源项;二为摩擦张量。其中PMmixP=RT为体系压强;:P,!-,n,x,m,、分别为混合气体密度、粘考虑到圆柱绕流和放射状喷射等特点,选用剪切压力传输(SST)k-c湍流模型求解上述方程。由于还原炉内有数根温度为1373K的炽热硅碳棒,硅碳棒体间的辐射传热十分强烈。计算中采用离散传播辐射模型(DTRM)。该模型使用“射线跟踪”方法来计算各辐射体(硅碳棒或炉壁)表面之间的辐射传热。详细叙述该方法十分复杂,下面仅以单根射线为例简单介绍其原理。从某个辐射单元发出的射线强度可表示为:1(0)二sT+(1一)4in(6)式中,为斯蒂芬一玻耳兹曼常数,5.672x10-$W/(m2"K4);T为辐射体表面温度;iqi。为该辐射体受到的来自其它辐射体的辐照强度;E为辐射体的发射系数,平衡辐射时,吸收系数数值上与发射系数相等。跟踪从每一辐射单元出发的穿过流体计算单元中的每条射线,求得他们的辐射强度变化之后,对所有的辐射变化求和,可得到对应于每个流体单元内能量程的热量源项Sh其中,a为气体辐射吸收系数取0.2m一;同理,平衡辐射时a也是气体的热辐射发射系数;;l为辐射强度;T为气体温度。对靠近壁面一点的人射射线强度积分,就得到了人射辐射强度:其中,月为半球立体角,lin为人射射线的辐射强度,£为射线方向,n为表面的法线方向(指向外)。为了计算沉积过程的能量平衡,根据能量守恒原理,当硅碳棒按(6)式进行平衡辐射时,从硅碳棒发出的能量Yout为净辐射热流加上由于对流及热传导传出的部分qcKout=(式+(1一)qin+qc)S需要电源提供给硅碳棒的能为:Pin=S(二。Qlw,+Cjc)一Sswqin(10)式中S为硅碳棒的表面积;Ew硅碳棒的发射系数;Tw为硅碳棒表面温度;q。为通过对流及热传导由硅碳棒表面流出的热流强度。由此可知,如果考虑了硅碳棒之间的相互辐射、反射、吸收,空间的辐射热源将被大大加强,由(10),(9),(g),(),6)计算,而且维持硅碳棒沉积温度所需要外界提供的能量将减少Ssw9in。因此,能量的利用率将会提高。这也是为什么多对硅碳棒还原炉能耗较低的主要原因。使用CFD软件进行模拟时,计算结束后,编码程序可给出gin9,从而计算出Qin。在后面估计理论能耗时,将用到这些结果。www.beritawan.com

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