《工业炉与保温技术》课程论文课题名称热工理论在工业炉窑中的应用学生姓名肖渐知学号0841127392系、年级专业机械与能源工程系08级热能工程专业2011年9月15日热工理论在工业炉窑中的应用摘要：工业炉窑的发展与生产工艺密切相关。

为发展新型无机材料及其各类复合材料，目前在科研工作中也发展了一些规模较小的各种炉子，如常见的无压烧结马弗炉、气氛烧结炉（氮化炉，炭化炉）、热压烧结炉、气压炉和热静压炉。

由于在试验中烧结式样体积较小，炉膛尺寸也较小，因此在产品的产量和能耗方面也很少顾及。

但是，一旦试验产品试制成功而进入产业化阶段，就要全面考虑经济效益和社会效益等问题。

全面掌握热工理论是控制，改进，设计。

提高工业窑炉效率的的关键。

如降低制品热耗，提高传热速率，减少热损失，窑内气体运动合理，减少气体穿越物料的阻力损失，保证燃料在炉内的充分燃烧问题。

关键字：热工理论、工业炉窑、应用。

引言：工业炉窑是利用工业生产中用燃料燃烧或电能转换产生的热量，将物料或工件进行冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等工序的热工设备。

在我国以煤为主的能源结构下，工业炉窑是主要污染排放源之一，也是耗能大户。

据统计，目前我国各种工业炉窑（不包括锅炉）约有11 万台，其中燃煤工业炉窑约有六万多台，分布在电石、铁合金、钢铁、建材、有色金属等高耗能、高污染行业，地域分布较广，主要分布在华北、西北和西南等地区。

工业炉窑应用于国民经济的各行各业，量大面广。

我国大部分工业窑炉在炉型结构、燃烧系统、余热利用、绝热材料、热工检测、自控、微机应用及环保等方面都比较落后，而且我国工业炉窑容量大多偏小，造成能源浪费，同时环境污染严重。

目前我国电石、铁合金、钢铁、化工、建材、有色等主要耗能行业的工业炉窑余热利用率仅在5%左右，并且以烟气余热或直接燃烧制取蒸汽为主要利用方式，有效利用率不足40%，没有达到真正的能源综合利用，并且排放出大量的CO2，温室效应严重。

我国污染严重、能源紧缺的问题，最根本的是要依靠科技进步，走出传统节能减排方法的老路。

工业炉窑节能环保行业起步于节能环保密闭矿热炉技术和产品的研究开发，逐渐向炉窑尾气净化和综合利用成套技术延伸。

目前我国工业炉窑密闭生产技术正取代落后的开放式、内燃式的生产方式，逐渐成为行业的主流技术。

工业炉窑密闭式生产技术的快速发展使工业高温尾气净化和回收利用成为可能，实现循环经济的理念，适应低碳时代的需要。

现在，行业内优势企业已经形成了工业炉窑节能环保系统解决方案，将多项关键技术进行系统集成，全面提高工业炉窑清洁生产和尾气循环利用的技术水平。

未来，充分开发工业炉窑余能余热循环利用技术，拓宽应用领域，适应更多行业节能减排的需求，将成为工业炉窑节能环保行业技术发展的方向。

学好热工理论，充分的把它与实际工业炉窑结合起来，必将在即将到来的节能减排中崭露头角。

正文：热工理论知识的应用无时无处不在，它的影响几乎遍及现代所有的工业部门，也渗透到农业、林业等许多技术部门中。

可以说除了极个别的情况以外。

很难发现一个行业、部门或者工业过程和传热完全没有任何关系。

不仅传统工业领域，像能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等要用到许多传热学的有关知识，而且诸如航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域也都在不同程度上有赖于应用传热研究的最新成果，并涌现出像相变与多相流传热、(超)低温传热、微尺度传热、生物传热等许多交叉分支学科。

在某些环节上，传热技术及相关材料设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素㈠在传统工业和农业领域中的应用自从18世纪30年代发明近代动力机械以来，人类的生产力出现了质的飞跃，生产水平跨上了一个个新的台阶。

随后的蒸汽轮机、内燃机乃至燃气轮机的陆续应用则更使能源的转换和利用技术达到了前所未有的崭新阶段。

这个进程至今仍在继续当中。

传热学科的建立与发展、不断完善和提高是与上述过程相伴而行的。

这样说并不意味着传热学只服务于能源动力工业。

事实上，能源动力工业只是传热学科起家的地方，也是它表现的主要舞台之一。

现代化大型火力发电站的锅炉部件一般要经受近20 MPa和上千摄氏度的火焰高温，蒸汽轮机也要经受大致相同的压力和540℃左右的温度。

近十年来，由于耐高温的铁素体钢的研制成功，所谓超级超临界档次的火力发电机组已经陆续投入运行，其蒸汽参数甚至达到了31—34MPa和600℃左右，并且还具有快速起停和参与电网调峰的能力。

核电站的反应堆及主蒸发器除了经受一定的温度、压力以外，还要受到高通量的中子辐射。

为了提高能源利用水平，必须不断强化炉内各传热表面与燃气、烟气间的换热。

核反应堆中则要强化燃料体元件与载热剂之间的换热。

在需要隔热的地方必须尽量减少热泄漏。

要做到这些都必须正确运用传热学的基本原理。

石油及化工、冶金、建筑一向是工业领域中的耗能大户，其主要工艺过程都涉及到加热或者冷却。

我国在这些行业里单位产量或单位产值的能耗是发达国家的数倍。

设备陈旧，工艺落后和管理水平低是造成这种状况的基本原因，共中很多问题都与传热有直接关系。

在化学和石油化学工业领域内，使用着大量各式各样的传热和传质设备。

从一定意义上说，该领域是换热设备门类最齐全、形式最多的一个行业。

许多化工工艺流程中都包含各种加热器和冷却塔，还有一些化学反应本身就是生热或吸热过程。

在稠油的“热采”，原油的炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。

因为油自身物理性质的关系，它的对流换热表面传热系数往往比较低，所以强化油侧的对流换热具有非常大的经济效益。

化工传热过程往往具有如下一些基本特点：(1)参与换热的介质成分多而复杂，一般都在三四种以上；(2)常常与传质过程结合在一起；(3)经常涉及多相流(汽液、气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体。

冶金工业的总能耗占全国工业总能耗的大约15％，其中炼铁、轧钢和有色金属的电解冶炼等是耗能最多的部门。

冶金工业中存在大量高温加热或燃烧过程，要提高现有设备的热利用率，同时积极开发新的节能、节水型设备，不断提高余热，尤其是在冶金工业中占据重要地位的高温固态余热(如固态炉渣、红焦等)的利用水平，都离不开传热学的基本原理和有关知识。

例如，若把大量采用的水冷却改为蒸发冷却，不仅可以大幅度提高余热资源的品位，而且还能大量节水，并消除对周围水域的热污染。

再如轧钢加热炉，国外先进设备的送风温度达到650℃以上，热效率为62％。

而我国加热炉较高的风温才500℃多一些，大量的在300℃以下，热效率仅40％左右。

要想降低燃料消耗，提高热效率，就必须设法回收加热炉的高温气态余热资源，这只有通过根据传热原理设计制造出各种高效适用的余热回收装置才能实现。

在建筑和建材工业领域里，建筑物的节能、采光和通风等均与传热关系很密切。

建筑材料像水泥、建筑砖瓦、玻璃和卫生陶瓷等，大量使用高温炉窑焙烧工艺，能耗极高而能效很低。

问题主要出在排烟温度过高(很多水泥窑的排烟温度仍在800℃以上)，产品出炉时的余热未予利用(水泥熟料出炉时的温度达到1000—1300℃！每公斤水泥熟料有800 kJ可利用的余热)以及炉窑保温不良，热泄漏严重等几方面。

要解决这些问题，同样必须运用传热原理改造或更新现有设备，同时大力推广采用新型绝热材料。

空调制冷和集中供热行业基本上和能源工业一样，属于传热学科唱主角的一个领域。

增大制冷剂的沸腾、凝结表面传热系数，研究有关的强化传热技术和强化元件的制造工艺始终是提高制冷机组性能的关键。

从20世纪80年代初引进国外的先进技术和产品开始，现在国内不少厂家已经掌握了多种用于各类制冷机组上的强化沸腾或强化冷凝传热表面和元件的制造工艺，如多孔表面沸腾管，单面或双面强化冷凝管，以及波纹板式紧凑型蒸发器、冷凝器等。

特别值得提出，随着对大气层和生态环境有害的氯氟烃类制冷剂的停产停用，对新制冷工质，尤其是混合工质的传热性能的研究显得相对薄弱。

集中供热以其高效率、可靠性和清洁无污染赢得了越来越大的市场，供热管网的隔热保温材料和技术、高效换热设备、防腐措施、流动减阻和独立热计量等问题变得日益突出。

它们大多数都与传热有很密切的关系。

其他行业如机械、电子电器、交通运输、纺织、食品轻工、医药等也都在不同程度上和传热有着相当密切的联系。

(1)在铸造、焊接、金属热处理等常规机械加工工艺过程中，存在大量的非稳态导热、移动边界的固液相变传热以及各类对流换热问题。

在精密机械和精密仪器的制造和使用过程中，热应力和热变形量的预测、修正及控制也同样有赖于传热原理的指导。

(2)无论强电或弱电，元器件的有效冷却和设备的更新换代(提高质量并大幅度地缩小体积)都与强化传热研究有关。

例如大型发电机的转子、定子绕组和定子铁心的冷却就是典型的对流传热问题。

近百年来单机容量从几万干瓦扩大到百万千瓦，很大程度上是靠冷却技术的不断改进得以实现的，从空冷、氢冷发展到水冷，冷却技术的进步显著提高了电磁负荷强度和材料的利用率。

在全世界范围内，电能的大规模储存问题尚未得到解决，而现实中电网的峰谷差(即用电高峰和低谷的电功率差)却日益增加。

当前解决这个问题的现实手段是储能，即储热或者储冷。

世界各国都在大力发展各种相变储热材料(phase change materials，简称PCM)。

要想有效地储存冷量或者热量，并在需要的时候将其释放出来，就必须把PCM的物理性质和传热特性彻底弄清楚。

这种储能技术在太阳能发电、冷暖房以及航天飞行器的散热方面也有相当重要的应用价值。

(3)纺织行业中除了生产场地对温度和湿度有严格的要求以外，有的生产工序也直接用到传热学的原理。

如近年使用越来越广泛的无织布，在它的加工过程中要经过“热定型”工序。

这是一个针对多孔体材料的包含导热、对流及辐射换热的复杂过程，对温度和时间的控制要求相当严格。

在这个领域内至今尚缺乏比较成熟的理论指导。

近年甚至还出现了将织物与相变材料结合在一起的所谓保冷保暖服装。

(4)一般认为，土木水利工程领域属于水力学、结构力学方向的问题，与传热没有直接的联系，其实不然。

如水利工程中的大坝要耗费成百上千万吨的水泥，而水泥浇注后的固化过程是一个生热过程，掌握并控制水泥浇注时的温度以及随后固化过程中温度的变化，对消除坝体内的热应力，减少甚至消灭内部裂纹，对保证工程质量和大坝的长期安全有极其重要的意义。

国外已经研制了针对大型混凝土工程的热应力分析专用软件。

(5)寒冷地区的近海石油钻井平台在冬季会受到水面结冰给平台结构带来的威胁。

要保证钻井平台的安全，就必须研究气候突然变化引起的水面冻结的规律。

这同样是典型的传热问题。

(6)在农业领域里，就目前水平而言，自然光照和气象条件仍然在很大程度上左右着农作物的收成，而天气状况与传热的关系是非常大的。