工业炉

热工理论在工业窑炉中的应用

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。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：

伯努利方程式热传导热对流热工理论工业炉窑

正文

传热学在窑炉设备中的应用：

传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科，在冶金和硅酸盐工业中存在许多传热现象。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。

热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。

热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。

热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为热辐射

传热学科在很多高技术领域里同样发挥着重要的和无法替代的作用。

(1)人类征服天空和宇宙空间的不懈努力以及所取得的巨大成果，是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现。其中传热学所起的作用功不可没。据美

国航空和宇宙航行局(NASA)所作的技术分析，美国航天飞机的技术关键只有一个半，这半个是大推力的液氢—液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系)，而那一个关键则是所谓“热防护系统”(TPS)，即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构。它被视为可反复使用的航天飞机成败的最大关键。之所以把热防护系统提到如此重要的地位，是由于航天飞机极端复杂的气动热环境以及要求该防热系统必须能够重复使用造成的。举几个数字为证：航天飞机在地球轨道上将反复地经受因太阳直接辐照产生的高温和进入地球阴影时面对接近0K的宇亩空间导致的低温，变化范围达到-157—55℃，同时还要经受 1.33×10-4Pa的高真空环境；在以7.5km/s的速度从120km高度重返地球大气层时，飞行器表面的热流密度大约达到2.5×105W／m2，机翼前缘和头锥帽上的温度高达1650℃！除此之外还必须能够经受太阳紫外线、高能粒子和微陨石可能的撞击。在这样严酷的情况下要能够保证飞行安全，内部的人员、设备不受任何干扰，必须采取特殊有效的热防护措施，为此先后研制成功并投入使用的第一代低温陶瓷防热瓦(LRSI)LI—900、第二代高温陶瓷防热瓦(HRSI)LI—2200以及较晚研制成功的由氧化硅纤维和氧化铝纤维组成的第二代陶瓷瓦HTP是这一系统的核心。

(2)红外辐射除了可以用于工业加热和物料干燥之外，红外测试技术还具有不干扰、不破坏原有温度分布的突出优点，因而在资源勘查、农作物估产、环境监测、火灾防护、医疗诊断，甚至刑事案件的侦破和军事侦察、跟踪等许多高技术领域当中扮演着重要的角色。

(3)多孔介质中的传热传质是当今传热学科很活跃的一个前沿领域。所谓多孔介质是以自然形态存在的一类特殊材料，如土壤的闭粒结构，很多建筑材料，如混凝土、砖、砂石等，生物材料，像人和动物的组织、脏器和皮肤等。它们一般是由固体骨架或固体颗粒堆积组成的多相体系，其中的质量、动量和热量的传递规律是揭开很多大自然秘密的关键因素。燃气轮机高温叶片的发散冷却技术，石油热采，地热利用中地下热储的热量传递，利用土壤岩层进行蓄热、蓄冷，化工反应器如固定床和催化剂填充床中的传热传质过程，核废料在地下的安全存放，生物体和食品的贮存保鲜技术，城市污水及工业废水的排放、扩散(注入或渗入地下)与控制，农作物的节水灌溉技术，谷物的长期存贮(冷却及干燥)等均属于多孔介质传热传质研究的范畴。人们还发现多孔材料常常是性能优良的强化传热传质媒体和隔热性能良好的热绝缘材料。为此已设计生产出各种“模拟的”人造多孔体材料，用它们制造换热设备以达到强化传热的目的，或者制造用于极低温度环境下的超级隔热材料。

(4)生物传热学是近年才发展起来的新兴传热学科分支。虽然远末达到完善的程度，却已经显示出强大的生命力和令人鼓舞的应用前景。它是由生物学、临床医学和传热学多个学科领域交叉形成的一门新学科，其目的在于通过把传热学的基本原理和研究方法、手段引入到生物和医学工程领域中，探讨物质和能量在生物体内的传输规律，以便为诸多至今末解开的生物医学难题寻求有效的解决方案。比如人体器官、组织及皮肤癌变的热诊断与高温治疗，激光和超低温外科手术，人体器官移植与冷冻贮存，胚胎的低温保存，烧伤、烫伤和冻伤的临床治疗及康复等。除此以外，摸清生物传热的基本规律还可以为开发各种热疗和热诊断用的仪器设备奠定必要的理论基础。

研究生物传热的困难在于生物组织本身的结构极其复杂，它们一般既是各向异性体，又是多相体、多孔体，同时还存在因生物代谢产生的内热源。生物体内有很多血管，要确定因血液灌流导致的热量传递是非常困难的。而且几乎所有的动物、甚至一些植物都具备通过中枢神经系统来感知和调节自身温度的能力，这是一套极复杂的温度传感和控制体系。加之生物体内的传热温差通常非常小，生物材料的特性随民族、年龄、性别和身体状况等因素各不相同。可以说，生物系统的传热规律是自然界最复杂的传热现象之一。

气体力学在窑炉设备中的应用：

目前大部分窑炉设备热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。燃料燃烧需要供入炉内大量空气，并在炉内产生大量的炉气。高温的炉气是传热的介质，当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。

气体力学是研究气体平衡及其流动规律的一门科学，在社工设备中的气体力学则是着重研究气体宏观的物理与化学行为（运动与静止，生成与消失）。

气体力学的基本定律中，都对热工中不同状态气体的问题进行研究和应用。对于

静止流体而言，静力学基本方程式（p

1+ρgz

1

=p

2

+ρgz

2

）可以研究平衡流体不同点的

压强或者是气体的密度。而连续性方程式（fuρ=常数）研究的是稳定流动的气体的流速，截面流量等，气体连续方程式是研究运动气体在运动过程中流量间关系的方程式。气体发生运动后便出现了新的物理参数，流速和流量就是运动气体的主要物理参数。柏努利方程式(p+ρgz+ρu2/2=0)是研究气体在运动过程中的能量变化规律的方程式。它是能量守恒定律在气体力学中的具体应用。伯努利方程式则是研究理想流体稳定流动状态下，不同点的静压头，几何压头，动压头，流量等问题。两气体的伯努利方程式则是研究气体的相对静压头，相对几何压头，动压头以及压头损失等。柏努利