《热工工程》课程论文
论文题目工业热工设备隔热保温设计学院材料科学与工程学院
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完成日期：2013年 12月31日
工业热工设备隔热保温设计
摘要：本论文介绍了工业窑炉及其分类，并分析了窑炉隔热保温材料。着重分析了窑墙的综合散热过程，以隧道窑窑墙的保温设计为例，选择了多种不同的保温，耐火材料组合，并根据其理化性能，计算各材料所需的厚度及成本分析，最后得出高铝砖和水泥珍珠岩（方案3）是比较理想的选择。
关键词：工业窑炉；耐火材料；保温材料；
中图分类号：TQ175 文献标识码：A 文章编号：1671-4431 (2013) xx-xxxx-xx Design of Thermal Insulating Materials in Industrial Thermal
Equipment
Abstract: In this paper, the industrial furnaces and their classification, and the thermal insulating materials are discussed, and the heat transfer process of furnace wall is emphatically introduced. We take Tunnel kiln as an example, select a variety of different combination of insulation and refractory, meanwhile, we calculate the thickness and the material cost according to their physical and chemical properties. The result is that high alumina bricks and cement perlite (Option 3) is an ideal choice.
Keywords: industrial furnaces; refractory; insulation
0 引言
窑炉是用耐火材料和保温材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备。在硅酸盐工业生产中，所用的各种窑炉耗用能量较大，一个年产一万吨硅砖的隧道窑，每天消耗重油8吨左右，这些热量除应用于生产中外，还有一大部分，扩散于大气中，而没有得到充分利用。为此，隔热保温设计是窑炉的一项重要的设计内容。隔热保温的目的，根据实际的要求，往往有不同的侧重面。一般来说，首先是用来减少热量损失，提高窑炉的热经济性；其次是为了保证窑炉在规定的温度等参数下安全运行，提高产品的质量；第三，是为了改善操作人员的劳动条件和保障技术安全，而要求窑炉表面处在一定的温度以下。本论文介绍了工业窑炉及其分类，并分析了窑炉隔热保温材料。着重分析了窑墙的综合散热过程，并以隧道窑窑墙的保温设计为例，选择了多种不同的保温，耐火材料组合，并根据其理化性能，计算各材料所需的厚度及成本分析。
1 工业窑炉[1、2]
硅酸盐制品：陶瓷、耐火材料、水泥、玻璃以及石膏、石灰等，一般都是将经过加工处理的原料置于高温下经煅烧反应而制得的。此高温加工的过程称之为烧成。烧成所需设备在硅酸盐工业中称之为窑炉。
工业窑炉的分类如下：
1. 按构造型式分：梭式窑、隧道窑、辊道窑、推板窑、圆型（转盘窑）、钟罩窑。
2. 按供热方式分：煤窑、柴窑、电窑、燃气窑。煤窑、柴窑已被淘汰，清洁能源窑炉（电、燃气）已走向成熟及发展阶段。
3. 按烧成温度分：高温窑、中温窑、低温窑。
1.1 梭式窑
梭式窑是一种现代化的间歇窑，其结构与隧道窑的烧成带相近，由窑室和窑车两大部分组成，坯件码放在窑车棚架上，推进窑室内进行烧成，在烧成并冷却之后，将窑车和制品拉出窑室。
梭式窑的生产系统由燃料供给及燃烧设备、燃烧风机、烟气－空气换热器、调温风机和排烟风机等组成。梭式窑的窑体为矩形，窑墙的砌筑沿厚度方向分为三层结构，工作衬即采用高强度高档耐火隔热砖，夹层是隔热耐火材料，外层采用耐火纤维毡贴在窑壁上。窑顶采用平吊顶结构，砌筑也分为三层，内层为高强度高档隔热砖，吊挂于吊顶砖下方，夹层是隔热砖，顶层采用耐火纤维毡,既为隔热层又为密封层。由于窑门经常移动，所以窑门的砌筑为两层，内层为高强度高档隔热砖，外层为隔热层，采用耐火纤维毡贴于窑门金属壳上。烧嘴安装在窑墙上，视窑的高度设一排或两排。
以窑车台面为窑底并和窑顶、窑墙构成窑的烧成空间，窑车衬砖中心留设主烟道,与地下烟道相接。窑的一端（或两端）设有窑门，窑门可单独设置也可砌筑在窑车端部。窑车两侧裙板插入窑墙砂封槽内，窑车与窑车之间，窑车与端墙、窑门之间设有曲封槽，耐火纤维挤紧，起密封作用。在窑墙砂封槽下部留有许多通风孔，有利于窑车底部散热，延长了窑车的使用寿命。
1.2 隧道窑
隧道窑一般是一条长的直线形隧道，其两侧及顶部有固定的墙壁及拱顶，底部铺设的轨道上运行着窑车。燃烧设备设在隧道窑的中部两侧，构成了固定的高温带--烧成带，燃烧产生的高温烟气在隧道窑前端烟囱或引风机的作用下，沿着隧道向窑头方向流动，同时逐步地预热进入窑内的制品，这一段构成了隧道窑的预热带。在隧道窑的窑尾鼓入冷风，冷却隧道窑内后一段的制品，鼓入的冷风流经制品而被加热后，再抽出送入干燥器作为干燥生坯的热源，这一段便构成了隧道窑的冷却带。
隧道窑与间歇式的旧式倒焰窑相比较，具有一系列的优点。1生产连续化，周期短，产量大，质量高；2利用逆流原理工作，因此热利用率高，燃料经济，因为热量的保持和余热的利用都很良好，所以燃料很节省，较倒焰窑可以节省燃料50-60%左右；3、烧成时间减短，比较普通大窑由装窑到出空需要3-5天，而隧道窑约有20小时左右就可以完成；4节省劳力。不但烧成时操作简便，而且装窑和出窑的操作都在窑外进行，也很便利，改善了操作人员的劳动条件，减轻了劳动强度；5提高质量。预热带、烧成带、冷却带三部分的温度，常常保持一定的范围，容易掌握其烧成规律，因此质量也较好，破损率也少；6窑和窑具都耐久。因为窑内不受急冷急热的影响，所以窑体使用寿命长，一般5-7年才修理一次。但是，隧道窑建造所需材料和设备较多，因此一次投资较大。因是连续烧成窑，所以烧成制度不宜随意变动，一般只适用大批量的生产和对烧成制度要求基本相同的制品，灵活性较差。
1.3 辊底窑
辊底窑主要用于瓷砖等陶瓷建材的生产。辊道窑是连续烧成的窑，以转动的辊子作为坯体运载工具的隧道窑。陶瓷产品放置在许多条间隔很密的水平耐火辊上，靠辊子的转动使陶瓷从窑头传送到窑尾，故而称为辊道窑。
其工作原理是：陶瓷坯体可直接置于辊子上或将坯体先放在垫板上，再将热板放在辊子上，由于辊子不断转动，可使坯体依序前进。每根辊子的端部都有小链轮，由链条带动自转，为传动平稳、安全、常将链条分若干组传动。低温处的辊子用耐热的镍铬合金钢制成，高温处则以耐高温的陶瓷辊棒（如刚玉瓷辊棒或碳化硅辊棒）作为辊子。辊道窑的燃烧室在辊子的下方，用压缩空气雾化重油、柴油、煤油等燃料进行燃烧产生高温。燃烧室与辊道之间，有耐火材料隔离，火焰不直接接触被烧制的产品。用于生产陶瓷电容器的辊道窑，又叫电窑，体积更小，用电热丝棒、硅碳棒、或硅钼棒等电热元件加热烧制。
1.4 推板窑
推板窑，又称推板炉或推板式隧道窑，是一种连续式加热烧结设备，按照烧结产品的工艺要求，布置所需的温区及功率，组成设备的热工部分，满足产品对热量的需求。把烧结产品直接或间接放在耐高温、耐磨擦的推板上，由推进系统按照产品的工艺要求对放置在推板上产品进行移动，在炉膛中完成产品的烧结过程。
设按照炉体单炉膛中并列推板的数量分：单推、双推板；按照炉膛中推板的运动方向分：反向、同向推进；按照推板的运动循环分：全自动、半自动运动等；按照烧结产品的气氛分：氧化性气氛、中性气氛、还原性气氛、碱性气氛、酸性气氛等。
设备基本组成是由推进系统、炉体、出料系统、循环系统、电气控制系统、温度测量控制系统、加热系统（硅碳棒、硅钼棒、电阻丝等电热元件）、气路系统等组成。耐火材料采用进口轻质聚轻砖；加热元件选用等直径电阻丝棒（最高温度1050℃）；温度控制系统选用日本进口单回路智能控温仪控制；进口芯片SSR模块；主要温区采用国产优质热电偶测温；控制方式采用周期过零控制；推进系统采用经典丝杠推进，西门子PLC逻辑程序控制，无极变频调速；窑炉高温区采用上下独立控温。
2 隔热保温材料简介
2.1 耐火材料[3]
窑炉等热工设备内衬是由耐火材料构筑的，提高其使用寿命是人们一贯的追求,因为使用寿命提高了,耐火材料消耗减少,就做到了节能减排,低碳环保。还能使停炉检修时间减少，提高生产效率。
2.2.1 几种常见的耐火材料
1. 粘土质耐火砖
含三氧化二铝30～46％，二氧化硅50～56％，碱金属与碱土金属氧化的5～7％.它是采用含三氧化二铝不小于30％的耐火粘土作原料。一部分预先烧成熟料，研碎作瘠性材料，其余一部分不预先烧的软质粘土作粘结剂，便于成型，成型后在1300～1400℃％烧成。粘土砖属于弱酸性耐火材料，热稳定性较好，荷重软化开始温度在1250～1300℃以上，软化开始和终了温度间隔很大。粘土砖在工业上使用甚广，广泛应用砌筑隔瓷工业窑炉，使用温度1300℃以下。
2. 半硅砖：
含三氧化二铝小于30%，二氧化硅大于65%，是采用天然的含石英杂质的粘土或高岭土，如沙质石英岩，酸性粘土，泡沙石等作为原谅。也可用石英或沙粒作瘠性材料掺在耐火粘土中来制造半硅砖。半硅砖属半酸性耐火材料，其荷重软化开始温度比粘土砖稍高，急冷急热性比硅砖好，但比粘土砖稍差。
3. 高铝砖：
含三氧化二铝46%以上，以天然高岭石和含水铝氧石为主要矿物组成的高铝矾土为原料，在1450～1500℃左右烧成。高铝砖的耐火度及荷重软化点比粘土砖的高，开始软化温度在1420～1500℃以上，抗化学腐蚀性好，但其热稳定性较低，使用温度根据含三氧化二铝的多少在1400～1600℃. 其密度在2.3~2.75，耐火度：1750℃，荷重软化1420℃，热导率0.57 W/(cm*℃)，比热容：1.1780 J/(g*℃) 。
4. 硅砖：
含二氧化硅93%以上，一石英岩为原料，加入铁磷，石灰乳作矿化剂，以亚硫酸纸浆废液等作粘结剂，在1350～1430℃烧成。属酸性耐火材料，荷重软化开始温度高，一般在1620℃以上。热稳定性差，不适宜砌筑间歇性的窑炉。
5. 镁砖：
含氧化镁80～85%，是碱性耐火材料，镁砖分烧结镁砖和不烧结镁砖，烧结镁砖是用煅烧良好，组织均匀的烧结镁石作原料，用亚硫酸纸浆废液作粘合剂，加压成型，在1600～1700℃烧成。镁砖耐火度甚高，一般超过2000℃，荷重软化点低，1500℃就开始软化，热稳定性不好。不烧镁砖是烧结镁砂加卤水捣打而成。
6. 镁硅砖：
是以方镁石为主要矿物组成，以镁橄榄石作为基质结合的一种镁质耐火材料，用高镁硅石或在橄榄石原料中加入烧结镁砂制成，制造工艺和理化性能与镁砖相同，其烧成温度1620～1650℃，荷重软化开始温度约为1550℃以上。
7. 镁砖铝：
含氧化镁80%以上，三氧化二铝5～10%用含钙少的镁砂加入约8%的工业三氧化二铝粉，以亚硫酸纸浆废液等作粘结剂，高压成型后，在1580℃烧成，其耐火度高达2130℃，荷重软化点和稳定性都比镁化砖好，各种镁砖使用温度在1700～1900℃.
8. 刚玉砖：
以电容刚玉砖或工业氧化铝为原料，加入1%以下的氧化钛，在1600～1800℃左右烧结而成，含三氧化二铝99%以上，体积密度高达3.8克每立方厘米，使用温度在1800℃以下。
9. 碳化硅耐火制品
用粘土做粘合剂的碳化硅制品，其组成变化很大，根据使用要求，粘土结合剂用量在5～20%，可以外加高铝矾土，工业氧化铝，或熔融石英，与碳化硅一起配料烧结而成，制品中含碳氧化硅35～87%，二氧化硅10～50%，三氧化二铝3～30%，其荷重软化温度自1400～1620℃.
用电炉在2300℃熔融制得的再结晶碳化硅制品，含碳化硅达99%，体积密度为2.55克每立方厘米在1730℃没有变形。
碳化硅耐火料具有高的导热系数，随着碳化硅含量的增加至100kj/m.h.℃有高的荷重软化温度，
1400～1700℃.高的温度急变抵抗性，加热至使用温度，吹风急冷，反复可在50～150次，并有高的抗渣性和耐磨性是很好的匣钵，棚板材料和隔焰板材料，不过在900～1100℃.容易氧化，应在表面涂抹一层抗氧化材料。
10.含锆耐火材料：
锆英石砖二氧化锆35～65%，二氧化硅32～55%，三氧化二铝0～8%，荷重软化温度在1400～1650℃，锆氧硅含二氧化93.5%以上，耐火度在1850℃以上，体积密度为4.40克每立方毫米。
2.2.2 耐火材料的选择
耐火材料品种繁多，性能各异。热工设备的种类也不少，而且同一热工设备不同部位的使用条件也不一样，由此可见，要为热工设备选择合适的耐火材料并非易事。我们要熟悉热工设备的结构及使用条件，熟悉耐火材料的理化性能，二者结合研究热工设备选用耐火材料的综合技术及经济效益，做到费用最低、质量最高、效果最好。任何热工设备选择耐火材料,都必须注意以下问题：
1)耐火材料的耐火性能
2)热工设备内的气氛条件
3)注意节能降耗
4)综合砌筑热工设备
2.2 保温材料
隔热材料是指具有绝热性能、对热流可起屏蔽作用的材料或材料复合体，通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数小的特点，工业上广泛用于防止热工设备及管道的热量散失，或者在冷冻和低温时使用，因而隔热材料又称为保温或保冷材料[4]。
2.2.1 保温材料的分类[5]
随着节能技术的不断更新，隔热材料的发展非常迅速，品种繁多，一般可根据材质、形态、使用温度、结构等来分类。
根据材质可分为无机隔热材料、有机隔热材料、金属及其夹层隔热材料。其中无机隔热材料又可分为：(1)天然矿物，如石棉、硅藻土等;(2)人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔类隔热砖和泡沫材料。有机隔热材料可以分为:(1)天然有机类，如软木、织物纤维、兽毛等;(2)人造或合成有机类，如人造纤维、泡沫塑料、泡沫橡胶等;(3)蜂窝材料，如蜂窝纸、蜂窝板。金属及其夹层隔热材料可以分为:(1)金属材料，如铜、铝、镍等箔材;(2)金属箔与有机或无机材料的夹层(或蜂窝)复合材料。实际应用中，热工设备及管道用保温材料多为无机隔热材料，这类材料具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点。
根据材料的形态可以分为多孔状隔热材料、纤维状隔热材料、粉末状隔热材料和层状隔热材料。多孔隔热材料又称泡沫隔热材料，具有质量轻、绝热性能好、弹性好、尺寸稳定、耐稳性差等特点，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶、硅酸钙、轻质耐火材料等。纤维状隔热材料又可按材质分为有机纤维、无机纤维、金属纤维和复合纤维等。在工业上用作隔热材料的主要是无机纤维，目前应用最广泛的纤维是石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝陶瓷纤维、晶质氧化铝纤维等。粉末状隔热材料主要有硅藻土、膨胀珍珠岩及其制品，制备这些材料的原料来源丰富、价格便宜，是建筑和热工设备上应用较广的高效隔热材料。
另外，根据材料的使用温度可以分为:低温隔热材料(低于600℃)、中温隔热材料(600-1200℃)、高温隔热材料(高于1200℃);根据材料的结构可以分为:气相连续固相分散隔热材料、气相分散固相连续隔热材料和气相固相都连续隔热材料。
常见的高温保温材料常用的有轻质粘土砖（1150-1400℃），轻质硅砖不大于（1500℃），轻质高铝转不大于（1350℃），硅酸铝纤维毡（1200-1400℃）等等。中温的保温材料常用的有：轻质珍珠岩和蛭石。低温保温材料有石棉、矿渣棉等，石棉是很普通的隔热材料，其化学成分为含水硅酸镁，矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维。现在随着技术进步，目前已开发出最好的保温材料是一种高铝纤维棉，它质轻柔软似棉花，保温性能很好，使用温度最高可达1600℃。
2.2.3对保温隔热材料的要求
1. 有最佳密度(或容重)。
2. 保温性能好。
3. 温度稳定性好。
4. 具有一定的机械强度,能满足施工要求。机械强度低,易受破坏,使散热增加。
5. 可燃物和水分含量少,吸湿率低。水分会使材料的导热系数大大增加。 2.2.4 最佳厚度的确定
保温隔热层越厚，散若损失越小，但费用(材料费、安装费、支架投资费等)随之增加。一般按全年热损失费和保温隔热层折旧费用总和最低时的厚度来设计，此厚度称为最佳厚度或经济厚度。
3 隧道窑窑墙隔热保温设计（
隧道窑是陶瓷、耐火材料、电瓷等企业关键的热工设备，也是耗能较大的设备，其能耗问题成为影响企业发展和经济指标的重要因素[6]。在这些工业的通用工艺流程中，能耗主要体现在原料的加工、成形、干燥与烧成四大步骤，其中干燥和烧成工序的能耗约占总能耗 80%。有报道陶瓷工业能耗中约60%用于烧成工序[7]。隔热保温设计是这些热工设备的一项重要的设计内容。隔热保温的目的，根据实际的要求，往往有不同的侧重面。一般来说，首先是用来减少热量损失，提高热工设备的热经济性；其次是为了保证热工设备在规定的温度等参数下安全运行，提高产品的质量；第三，是为了改善操作人员的劳动条件和保障技术安全，而要求热王设备外表面处在一定的温度以下。本文从分柝隧道窑窑墙的传热过程着手，对窑墙隔热保温设计中的几个重要热工参数以及墙体经济性展开讨论，并提出几点看法。 3.1 窑墙综合传热过程的分析
隧道窑窑墙的传热过程属于稳定态传热 其特点是墙体内部各点的温度不 随着时间而变化。由于这一特点，所以，隔热墙墙体内的热流密度q 也时刻不变，故q 1=q 2=q 3。窑墙传热示意图如图1。
图1 窑墙传热示意图
窑墙的稳定态传热过程并不是由一种或两种单纯的传热方式组成的，而是一个综合传热过程，这个过程一般由三个阶段组成。各个阶段又各具特点，传热方式也不尽一致。
第一阶段：设备内的热源以辐射和对流传热方式向窑墙的内表面传热，使内表面吸收热量而升温，最后稳定在某个温度t 1上，传热示意图如图2。这个阶段所传递的热流密度为q 1。
图2 第一阶段传热过程
热源
辐射
对流
窑墙内表面
(q 1)
第二阶段：窑墙墙体内部的传热过程是以导热方式由其内表面传向外表面的。外表面在墙内传热和外部环境的作用下，稳定在温度t 1上。这个阶段所传递的热流密度为q 2。
图3 第二阶段传热过程
第三阶段：窑墙外表面向环境传热阶段。只要是外表面温度大于环境温度t 0，则外表面对环境就有辐射传热和对流传热发生，使外表面散失热量。这个阶段所传递的热流密度为q 3。
图4 第三阶段传热过程
要全面把握稳定态恃热时窑墙隔热保温设计的要领，既应该将稳定传热的这三个阶段统一考虑，研究它们的相互作用，牢牢掌握其特点q 1=q 2=q 3，又应该分别研究三个阶段各 自的影响因素，这样才能够获得技术上合理可行的设计方案。 3.2 窑墙隔热保温具体设计
某厂隧道窑烧成带一段的窑墙结构如图2所示。根据隧道窑烧成带温度一般控制在1300 ℃左右，为此为窑炉设计的温度范围为中温，从而确定窑墙内表面温度t 1=1300 ℃，外表面温度t 2=80 ℃，当地的环境温度为20 ℃，故取t 0=20
℃，求两层材料的最小厚度以及最优成本量。
图5 窑墙结构示意图
3.2.1 窑墙隔热保温材料的选择
本次窑炉设计的温度控制在1300 ℃，所以我们选择符合的耐火材料：高铝砖、镁砖、刚玉砖。保温材料选用硅藻土砖、矿渣棉、水泥珍珠岩制品，各种材料的最高使用温度，密度，导热系数以及价格列表如表1。将耐火材料和保温材料进行组合，有九种设计方案，如表2。
内表面(t 1)
导热
(q 2)
外表面(t 1)
外表面(t 1)
辐射
对流
环境
(q 3)
表1 各种材料的应用参数
材料名称最高使用温度
（℃）
密度
（g/cm3）
导热系数
[W/(m·℃)]
高铝砖(氧化铝74%) 1500-1600 2.1 0.662+0.08×10-3×t 镁砖1600-1700 3.0 4.65-0.001745×t 刚玉砖（氧化铝98%）1700-1800 3.6 2.90–0.58×10-3×t 硅藻土砖900 0.7 0.131+0.000233×t
矿渣棉6000.077 0.058+0.16×10-3×t 水泥珍珠岩制品600 0.09 0.0651+0.000105×t
表2窑墙隔热保温设计方案
实验方案耐火材料保温材料
方案 1 高铝砖硅藻土砖
方案 2 高铝砖矿渣棉
方案 3 高铝砖水泥珍珠岩制品
方案 4 镁砖硅藻土砖
方案 5 镁砖矿渣棉
方案 6 镁砖水泥珍珠岩制品
方案7 刚玉砖硅藻土砖
方案8 刚玉砖矿渣棉
方案9 刚玉砖水泥珍珠岩制品
3.2.2 计算过程
窑墙外表面向周围环境的传热方式有辐射传热和对流传热两种方式，热流密度计算式为：q3= q i+ q r =εζ[(t2+ 273.15)4－(t0+ 273.15)4]+h c2(t2－t0) (1) 式中: q3—窑墙外表面向环境传热的热流密度。单位:W/m2；
q i—窑墙外表面向环境的辐射热流密度。单位:W/m2；
q r—窑墙外表面向环境的对流传热密度。单位:W/m2；
ε—窑墙外表面材料的发射率(即黑度)。该值可查阅有关资料。实验测定
表明，多数非金属材料的发射率一般在0.85~0.95之间，在缺乏资料时，可近似地取整数1；
ζ—斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值为5.67×10-8 W/(m2·K4)；
t2—窑墙外表面温度。单位：℃。
t0—周圉环境温度。单位：℃．
h c2—窑墙对环境的对流传热系数。单位为W/(m2·K)；
一般窑墙在环境属于自然对流传热，h c2值与传热面的放置方向有关：
直墙h c2=2.559*(t1- t2)0.15
顶部h c2=3.256*(t1- t2)0.25
窑墙由其内表面向外表面的传热方式为导热方式。由于窑墙的隔热材料有耐火材料和保温材料组成，它们的热流密度计算式分别为：
q21=k1/δ1* (t1- t a) q22=k2/δ2* (t a– t2)
式中：q21—窑墙内部耐火材料的导热流密度。单位为W/m2；
q22—窑墙内部保温材料的导热流密度。单位为W/m2；
t a—窑墙内耐火材料和保温材料边界层温度，即保温材料的最高使用温度。单位为℃。
k1—耐火材料的导热系数。单位为[W/(m·℃)]；
k2—保温材料的导热系数。单位为[W/(m·℃)]；
δ1、δ2—分别为耐火材料和保温材料的厚度；
对于方案1，耐火材料为高铝砖，保温材料为硅藻土砖，t1=1300 ℃，t2=80 ℃，t0=20 ℃，t a=900 ℃，h c2=2.559(t1- t2)0.15=2.599×(1300-80)0.15=7.547；计算δ1和δ2；
（1）平均导热系数计算
高铝砖：k1=0.662+0.08×10-3×（1300+900）/2=0.75 W/(m·℃)
硅藻土砖：k2=0.131+0.000233×（900+80）/2=0.24517 W/(m·℃)
热流量为：q3=εζ[(t2+ 273.15)4－(t0+ 273.15)4]+h c2(t2－t0)=1×5.67×10-8×[(80+ 273.15)4－(20+ 273.15)4] +7.547×（80-20）=915.983 W/m2
（2）计算耐火材料和保温材料的厚度
因为q21=k1/δ1* (t1- t a) 又有q21= q3
所以δ1=0.3275 m
同理q22=k2/δ2* (t a– t2) 又有q22 = q3
所以δ2=0.2195 m
计算步骤如上，分别计算出每种方案中的δ1和δ2列出如表3：
表3 不同方案设计对应的δ1和δ2
实验方案耐火材料厚度δ1（m）保温材料厚度δ2
方案 1 0.3275 0.2195
方案 2 0.5640 0.3601
方案 3 0.5640 0.05722
方案 4 1.1924 0.2195
方案 5 2.2866 0.0638
方案 6 2.2866 0.0572
方案7 0.9878 0.2195
方案8 1.2822 0.06381
方案9 1.2822 0.0572
（3）计算不同保温材料的成本
查找已选材料的价格及理化性能，列出单位价格、密度及规格[8]：
表4 所选材料的价格
类型 价格(元/吨) 密度(g/cm 3
) 规格(mm 3
)
高铝砖 1000.00 2.1 230*114*65 镁砖 5800.00 3.0 230*114*65 刚玉砖 10000.00 3.6 230*115*65 硅藻土砖 6600.00 0.7 230*115*45 矿渣棉 185.00/m 3
0.077
不定形态 水泥珍珠岩 1780.00 0.09 不定形态
根据密度公式及总价计算，得到不同方案的所需价格S n 的公式是：
式中： M （m 2）—为设所要铺设的隧道窑窑墙的表面积； d 1和d 2—分别为内外两层隔热保温材料的厚度； J 1和J 2—分别为内外两层隔热保温材料的价格； ρ1和ρ2—分别为为内外两层隔热保温材料的密度。
由价格公式得到不同方案的最终成本，列出成本及隔热保温材料的厚度:
表5 不同方案最终需要成本
方案 成本（*M ） 耐火材料厚度 δ1（m ）
保温材料厚度
δ2(m)
1 1701.840 0.3275 0.2195
2 1251.019 0.564 0.3601
3 1193.567 0.56
4 0.05722 4 21761.850 1.1924 0.219
5 5 39798.643 2.286
6 0.0638 6 39796.003 2.2866 0.0572
7 36574.890 0.987
8 0.2195 8 46171.005 1.2822 0.06381 9
46168.363
1.2822
0.0572
根据各个耐火材料和保温材料的厚度进行核算，我们假设耐火材料和保温材料都是按照如下图6的方式堆砌，即以厚度来衡量砖的块数[9]。
N 1=δ1/δ耐火材料，若N 1不为整数，则取大于δ1/δ耐火材料最小整数，同理N 2=δ2/δ保温材料，分别计算
2
+=ρρ******22111J d M J d M
S n
出N1、N2，再根据不同方案所需耐火材料和保温材料的砖数重新计算成本，列表如下：
图6 耐火材料和保温材料的方式堆砌方式
表6 不同方案所需耐火材料和保温材料的砖数及成本
实验方案耐火材料砖数N1保温材料砖数N2成本（*M）
方案 1 6 5 1858.5
方案 2 9—1295.119
方案 3 9 —1237.667
方案 4 19 5 22528.5
方案 5 36 —40782.619
方案 6 36 —40725.167
方案7 16 5 38479.5
方案8 20 —46866.619
方案9 20 —46809.167
通过上述两种成本计算方法的结果，可以看出经过核算的成本比未经核算的成本要高。原因在于耐火砖的规格有国家标准，在计算砖块数量的时候需要取整，而经过核算的成本更贴近实际的施工要求，较为精确的施工数据也方便采购原料。
3.3 结论
通过价格及隔热保温材料的合适厚度分析，高铝砖和水泥珍珠岩（方案3）是比较理想的选择。同时作为耐火材料，高铝砖较于镁砖和刚玉砖，导热系数低，单位成本低。但是该窑炉设计仅从材料成本上选择方案，没有考虑实际生产中隔热保温材料所需的耐冲击性，耐腐蚀性，耐酸碱能力以及施工成本等方面的因素。
4 结语
热工设备选择合适的隔热保温材料，能减少热量损失，提高窑炉的热经济性。选用材料时，要充分发挥其性能，用材料最高使用温度加适当保险系数的办法确定设计使用温度。避免出现功能过剩，提高经济性。在窑炉设计中，应根据窑内温度、窑墙外表面温度、窑外空气温度以及各种材料
的性能、使用温度等来确定不同部位的保温材料的最佳厚度。此外，材料的设计计算值应根据工程实际和材料规格做调整，才能得到符合技术要求又满足工程实际的方案。
参考文献
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[8]万小平, 薛启文. 通用耐火砖的分类定义及规格[J].武钢技术.2004,42(2):43~46.
[9]袁满宇. 隧道窑窑车耐火砖设计[J].砖瓦世界.2013,(1):30~31.
第一部分发电厂热工设备介绍 热工设备（通常称热工仪表）遍布火力发电厂各个部位，用于测量各种介质的温度、压力、流量、物位、机械量等，它是保障机组安全启停、正常运行、防止误操作和处理故障等非常重要的技术装备，也是火力发电厂安全经济运行、文明生产、提高劳动生产率、减轻运行人员劳动强度必不可少的设施。 热工仪表包括检测仪表、显示仪表和控制仪表。下面我们对这些常用仪表原理、用途等进行简单介绍，便于新成员从事仪控专业工作有个大概的了解。 一、检测仪表 检测仪表是能够确定所感受的被测变量大小的仪表，根据被测变量的不同，分为温度、压力、流量、物位、机械量、成分分析仪表等。 1、温度测量仪表： 温度是表征物体冷热程度的物理量，常用仪表包括双金属温度计、热电偶、热电阻、 温度变送器。常用的产品见下图： 双金属温度计热电偶 铠装热电偶热电阻（Pt100）
端面热电阻（测量轴温）温度变送器 1）双金属温度计 原理：利用两种热膨胀不同的金属结合在一起制成的温度检测元件来测量温度的仪表。 常用规格型号：WSS-581，WSS-461；万向型抽芯式；φ100或150表盘；安装螺纹为可动外螺纹:M27×2 2）热电偶 原理：由一对不同材料的导电体组成，其一端（热端、测量端）相互连接并感受被测温度；另一端（冷端、参比端）则连接到测量装置中。根据热电效应，测量端和参比端的温度之差与热电偶产生的热电动势之间具有函数关系。参比端温度一定时热电偶的热电动势随着测量温度端温度升高而加大，其数值只与热电偶材料及两端温差有关。 根据结构不同，有普通型热电偶和铠装型热电偶。根据被被测介质温度高低不同，一般热电偶常选用K、E三种分度号。K分度用于高温，E分度用于中低温。 3）热电阻 原理：利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的，热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。 热电阻一般采购铂热电阻（WZP），常用规格型号：Pt100，双支，三线制，铠装元件?4，配不锈钢保护管，M27×2外螺纹。 4）温度变送器 原理：将变送器电路模块直接安装在就地温度传感器的接线盒内，将敏感元件感受温度后所产生的微小电压，经电路放大、线性校正处理后，变成恒定的电流输出信号（4～20mA）。 由于该产品未广泛普及，所以设计院一般很少选用。
材料工程课程设计 Course Exercise for Material Engineering 课程编号：07360110 学分： 2 学时：2周（其中：讲课学时：实验学时：上机学时：2周） 先修课程：材料工程基础 适用专业：无机非金属材料专业本科三年级学生 教材： 开课学院：材料科学与工程学院 一、课程的性质与任务： 《材料工程课程设计》目的在于加强实践教学环节，加深对理论知识的理解，培养学生综合运用基础理论和专业知识分析、解决实际问题的能力。 课程设计的任务是通过设计各种型号的窑炉，加深对专业课《材料热工工程》的全面理解，掌握无机材料工业的重要设备－窑炉的工作原理，设计与计算的方法，提高分析问题与解决问题的能力，同时也培养学生应用计算机辅助设计与绘图的能力。 二、课程的基本内容及要求： 1.课程的基本内容 （1）掌握窑炉的工作原理 （2）掌握窑体的主要尺寸计算 （3）掌握窑炉的热工计算 （4）掌握窑体材料的选择 （5）熟练应用CAD软件制图 （6）撰写设计说明书 2.课程要求： 要求通过给定设计内容及原始数据，结合专业课《热工工程》的教学内容，掌握窑炉的工作原理，掌握窑炉的设计与计算的方法，并能熟练应用CAD软件制图，完成设计说明书和结构简图一份。
四、大纲说明 1、根据学生完成的课程设计说明书和图纸的质量和设计阶段的表现综合评定成绩，分优、良、中、及格、不及格五等。 2、按每天8小时计，总工作量不少于80小时。 五、参考书目及学习资料 1、《硅酸盐工业热工基础》；孙晋源主编；武汉工业出版社，1992年 2、《陶瓷工业热工设备》，刘根群主编；武汉工业出版社，1989年 3、《玻璃工业热工设备》，孙承绪主编；武汉工业大学出版社，1996年 4、《玻璃窑炉设计与计算》，孙承绪主编；中国建筑工业出版社，1983年 制定人：陈彩凤审定人：刘军批准人：杨娟 2013 年4 月10 日
《陶瓷热工设备》课教学大纲 Thermal equipment in ceramics 课程编码： 学分：课程类别： 计划学时：32 其中讲课：32 实验或实践：上机： 适用方向：材料科学与工程（陶瓷） 推荐教材： 姜洪舟主编《无机非金属材料热工设备》武汉理工大学出版社 2010 参考教材： 孙承绪主编《陶瓷工业热工设备》武汉工业大学出版社 2008 刘振群著《陶瓷工业热工设备》化工出版社 1994 姜金宁主编《耐火材料热工设备》冶金工业出版社 1998 课程的教学目的与任务 陶瓷热工设备课是材料科学与工程专业的一门专业性课程。主要学习内容是：学习和掌握陶瓷工业生产中所用的烧结设备—工业热工设备的知识。通过该课程的学习，使学生掌握陶瓷工业热工设备的发展历史；结构、工作原理与操作制度；工业热工设备的设计、计算；掌握各种不同陶瓷工业热工设备的特点、性能及进行优劣比较；掌握热工设备的热工测量技术和自动调节知识。使学生具有使用、改进和设计热工设备以及初步引进科研的能力. 课程的基本要求 1、本课程以隧道窑为主要内容。因此，要求学生认真学习和掌握隧道窑的结构、热工设备的发展历史、陶瓷产品的烧成制度，耐火材料与隔热的种类与性能，各种热工设备的工作原理、结构设计计算等 2、通过对本课程的学习，使学生对陶瓷工业热工设备的实际工程问题具有一定的分析和解决能力。 3、本课程的先行课程为：工程制图、材料机械、材料力学、流体力学、热工基础等课程。本课程学习时最好与陶瓷工艺学同步进行,或略后于该课程。 4、课程采用课堂教学为主，见习为辅，结合生产实习，以课程设计作为实践教学环，学习工业热工设备的设计以达到对热工设备结构的了解和掌握。 各章节授课内容、教学方法及学时分配建议（含课内实验） 第一章:隧道窑。计划学时：12 [教学目的与要求] 掌握隧道窑的分类，各部结构特点、工作原理及操作原理。掌握隧道窑与辊道窑操作控制及常用气体燃烧设备及隧道窑与辊道窑耐火材料选择。了解窑炉的发展方向及节能途径
【解】查表知硅砖的导热系数λ= 0.92 + 0.7×10-3 t W/（m.o C ） 硅砖的平均温度 o 121300300800C 22 av t t t ++=== 硅砖的平均导热系数 λ = 0.92 + 0.7×10-3 t av = 0.92 + 0.7×10-3 ×800 = 1.48 W/（m.o C ） 散热损失量 (1300300) 1.481032889W 0.45t t F Q F λδδλ??-?? ==== 习题【2-2】 【解】设硅藻土砖的厚度和导热系数分别为δ1，λ1 红砖的厚度和导热系数分别为δ2，λ2 如果不用硅藻土，红砖的厚度为δ2 用红砖替代硅藻土后，要保持炉墙的散热量不变，即保持炉墙的热阻不变 替换前，炉墙热阻12 112R δδλλ= +，替换后，炉墙热阻322 R δλ= 令R 1=R 2，得 3 12122 δδδλλλ+=，则 213210.390.04 0.250.37 m =370 mm 0.13 λδδδλ?=+ =+= 习题【2-3】 【解】该拱形窑顶的导热可以视为1/4单层圆筒壁的导热 查表知耐火粘土砖的导热系数λ= 0.835+ 0.58×10-3 t W/（m.o C ） 耐火粘土砖的平均温度 o 12700100400C 22av t t t ++=== 硅砖的平均导热系数 λ = 0.835 + 0.58×10-3 t av = 0.835 + 0.58×10-3 ×400 = 1.067 W/（m.o C ） 根据单层圆筒壁的传热量公式可得每米窑长拱顶散失热量 21 11700100 4197W/m 10.850.23 14 4 ln ln 2 1.06710.85 2t Q d l d ππλ?-= == +??
硅酸盐工业热工基础作业答案2-1解:胸墙属于稳定无内热源的单层无限大平壁 单值条件tw1=1300C tw2=300Cδ=450mm F=10 m 2 胸墙的平均温度Tav＝（Tw1＋TW2）/2=（1300+300）/2=800C 根据平均温度算出导热系数的平均值 λav＝0.92＋0.7x0.001 x800＝1。48w/m.c Q=λF(Tw1-Tw2)/δ=1.48X10X（1300－300）/0.48=3.29X104 W 2－2解：窑墙属于稳定无内热源的多层平行无限大平壁 由Q=t?/R或q=t?/Rt知，若要使通过胸墙的热量相同，要使单位导热面上的热阻相同才 行 单值条件δ1＝40mm δ2=250mm λ1=0.13W/m.C λ2=0.39W/m. 硅藻土与红砖共存时，单位导热面热阻(三层) Rt1=δ1/λ1+δ2/λ2+ δ3/λ3=0.04/0.13+0.25/0.39+δ3/λ3 若仅有红砖（两层）Rt2=δ/λ2+δ3/λ3=δ/0.39+δ3/λ3 Rt1=Rt2?0.04/0.13+0.25/0.39=δ/0.39 得δ＝370mm,即仅有红砖时厚度应为370mm。 2—3 解：窑顶属于稳定无内热源的单层圆筒壁 单值条件δ＝230mm R1=0.85m Tw1=700C Tw2=100C 粘土砖的平均导热系数 λav=0.835X0.58X103- X(Tw1+Tw2)/2=0.835+0.58X400X10 3- =1.067W/m.C R2=R1+δ=1.08m 当L=1时,Q=2λ∏( Tw1-Tw2)/4Ln21d d=2X3.14X1.067X1X600/4Ln1.08 0.85 =4200W/m 因为R2/R1≤2,可近似把圆筒壁当作平壁处理，厚度δ＝R2－R1，导热面积可以根据平均半径Rav＝（R1＋R2）/2求出。做法与2－1同。 2－4解：本题属于稳定无内热源的多层圆筒壁 单值条件λ1＝50W/m。C λ2＝0.1 W/m。C δ1＝5mm δ2＝95 mm Tw1=300C Tw2=50C d1=175mm d2=185mm d3=375mm 若考虑二者的热阻，每单位长度传热量 Q=( Tw1-Tw2)X2π/(1213 1122 d d Ln Ln d d λλ +)= 2502 222.27 11851375 501750.1185 X W Ln Ln π = + 若仅考虑石棉的热阻，则
热能０２级《工厂热工设备》期末考试参考答案 一、解释下列概念和术语（每题２分，共２０分） １．火焰炉内热过程 火焰炉内气体流动、燃料燃烧和传热、传质过程的综合，是以传热为中心的物理和物理化学过程，以物理过程为主。 ２．火焰 具有一定的外形和长度、明亮轮廓的炽热的正在燃烧的气流 股。 ３．炉温 炉子测温热电偶所反映的温度，是某种意义上的综合温度。 ４．定向辐射传热 炉气对炉衬、炉料的的辐射换热量不同的炉内辐射传热现象，分直接定向辐射传热和间接定向辐射传热两种。 ５．炉子热平衡 根据热力学第一定律建立起来的、表示在一定时间内炉子热 量收入和热量支出在数量上的平衡关系。 ６．热量有效利用系数 有效热／总供热量 ７．热量利用系数 留在炉膛的热量／总供热量 ８．炉底强度，有效炉底强度（钢压炉底强度）
单位炉底面积单位时间内的产量叫做炉底强度；如果只 考虑钢坯覆盖的那部分炉底面积，就叫做有效炉底强度（钢压炉底强度）。 ９． 钢的加热速度 金属表面升温速度；加热单位厚度金属所需要的时间；单位时间加热金属厚度。 １０． 钢的加热温度，钢的加热均匀性 加热完后钢的表面温度，钢的外部和中心温度的一致程度。 二、填空（每题２分，共３０分） １．火焰炉内的气体运动大致可以分为（气体射流运动）〔１分〕及（主要由它引起的气体回流运动）〔１分〕两大部分。 ２．炉内气体再循环率r 的定义式为（ ），再循环倍率的定义式为（ ）。 a o r m m m r h kg h kg h kg ＋＝） ／气体质量流率（）＋从喷嘴周围供入的／流率（从喷嘴流出气体的质量）／再循环气体流率（再循环率＝ r a o r m m m m r h kg h kg h kg h kg ＋＋＝｝）／再循环气体流率（）＋／体质量流率（＋从喷嘴周围供入的气）／量流率（｛从喷嘴流出气体的质）／／再循环气体流率（再循环率＝‘ （１分） a o r a o m m m m m R h kg h kg h kg h kg h kg ＋＋＋＝｝）／气体质量流率（）＋从喷嘴周围供入的／量流率（｛从喷嘴流出气体的质）｝／ ／）＋再循环气体流率（／体质量流率（＋从喷嘴周围供入的气） ／量流率（｛从喷嘴流出气体的质再循环倍率＝ （１分）
热工设备 第三章隧道窑 烧成过程 1、20-200℃预热排除残余水分 2、200-500℃排除结构水 3、500-600℃石英晶型转化：β-SiO2→α-SiO2，体积膨胀控制不当（温度不均）导致开裂 4、600-1050 ℃氧化阶段： 硫化铁、有机物中碳的氧化，碳酸盐分解等 5、1050-1200 ℃还原阶段： 氧化铁还原为氧化亚铁 6、1200-1300 ℃烧结阶段： 7、冷却阶段：①1300-700 ℃急冷段 ②700-400 ℃缓冷段石英晶型转化 ③400-80 ℃ 烧成制度的确定原则 包括：温度制度气氛制度压力制度 1、合理的温度变化速率：考虑制品内部温度均匀及物理-化学变化所需时间 2、适宜的保温时间 3、气氛控制： 4、合理的压力制度： 烧成制度举例P5 耐火材料的主要性能 1、耐火度：高温下抵抗熔化的能力（三角锥试样软化） 2、荷重软化点：在一定压强下加热，发生变形和坍塌时的温度 3、热稳定性（温度急变抵抗性、抗热震性）：热震试验 4、抗氧化腐蚀性 5高温体积稳定性：在高温下长期使用，抵抗体积不可逆变化的能力（用残余收缩/膨胀表示） 1、粘土砖：弱酸性耐火材料，热稳定性较好，荷重软化开始温度1250-1300℃，使用温度1300 ℃以下。 2、半硅砖：半酸性耐火材料，荷重软化开始温度高于粘土砖，但热稳定性比粘土砖稍差。 3、高铝砖：耐火度及荷重软化温度高于粘土砖，抗化学腐蚀性较好，但热稳定性稍差，使用温度1400-1600 ℃。 4、硅砖：酸性耐火材料，荷重软化开始温度高，热稳定性差，不适于间歇式窑炉。 5、镁砖：碱性耐火材料，耐火度很高，荷重软化温度低，热稳定性差。
目录 目录 (1) 工业炉窑简介 (2) 一、工业窑炉简述： (2) 二、工业炉窑历史、现状 (3) 三、行业发展趋势 (4) 四、窑炉的工作原理、参数、工艺条件 (4) 4.1原理 (4) 4.2工业窑炉的参数 (5) 4.3工业窑炉的工艺条件 (6) 五、工业窑炉节能现状 (6) 5.1 热源改造，燃烧系统改造 (6) 5.2 窑炉结构改造 (7) 5.3 余热回收与利用 (10) 5.4 控制系统节能改造 (12)
工业炉窑简介 一、工业窑炉简述： 窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备。按煅烧物料品种可分为陶瓷窑、水泥窑、玻璃窑、搪瓷窑、石灰窑等。前者按操作方法可分为连续窑(隧道窑)、半连续窑和间歇窑。按热原可分为火焰窑和电热窑。按热源面向坯体状况可分为明焰窑、隔焰窑和半隔焰窑。按坯体运载工具可分为有窑车窑、推板窑、辊底窑(辊道窑)、输送带窑，步进梁式窑和气垫窑等。按通道数目可分为单通道窑、双通道窑和多通道窑。一般大型窑炉燃料多为重油，轻柴油或煤气、天然气。窑炉通常由窑室、燃烧设备、通风设备，输送设备等四部分组成。电窑多半以电炉丝、硅碳棒或二硅化钼作为发热元件。其结构较为简单，操作方便。此外，还有多种气氛窑等。 在具体行业，窑炉还有更多细分类型，如水泥回转窑、玻璃池窑、钢铁的高炉和转炉，化工行业的一些设备也可归为窑炉。但通常意义上的工业窑炉，范围主要指金属和无机材料的煅烧设备。 窑炉大致分为箱式、井式、梭式、网带式、回转式、窑车式、推板式隧道电阻炉、真空炉、气体保护炉、超高温管式推板炉（碳管炉）、钨钼粉焙烧炉、还原炉等各种高、中、低温工业窑炉，工作温度200～2500℃。可用于ZnO压敏电阻器、避雷器阀片、结构陶瓷、纺织陶瓷、PTC&NTC热敏电阻器、电子陶瓷滤波器、片式电容、瓷介电容、厚膜
《硅酸盐工业热工设备(陶瓷)》课程教学大纲 一、基本信息 课程编号：01A32205 课程名称：硅酸盐工业热工设备（陶瓷） 英文名称：Thermal Equipment for Silicate Industry (Ceramic) 课程类型: □通识必修课□通识核心课□通识选修课□学科基础课 □专业基础课■专业必修课□专业选修课□实践环节 总学时：32 讲课学时：32 实验学时：0 学分：2.0 适用对象：材料科学与工程（陶瓷方向）本科生 先修课程：热工基础、流体力学、工程制图、材料机械、材料力学等课程。本课程学习时最好与陶瓷工艺学同步进行,或略后于该课程。 课程负责人：刘永杰 二、课程的性质与作用 《硅酸盐工业热工设备（陶瓷）》课是材料科学与工程专业（陶瓷方向）的一门专业必修程，其主要任务是阐明陶瓷工业生产中所用的热工设备—窑炉的结构、作用、工作原理等知识，并及时的介绍一些陶瓷热工设备方面的有关新技术的新成果。使学生对陶瓷工业生产所用热工设备的类型、构造、工作原理、工作参数及性能、用途有全面、系统和深入的理解，熟悉陶瓷工业热工设备设计和使用的知识，了解陶瓷工业热工设备的现状及发展趋势，为后续生产实践和科学实验过程中进行设备选型、使用和维护奠定理论和技术基础。 三、教学目标 通过该课程的学习，使学生掌握陶瓷工业热工设备的用途及作用；热工设备的结构、工作原理与操作方法；陶瓷工业热工设备的设计；掌握各种不同陶瓷工业热工设备的特点、性能及进行优劣比较；了解热工设备的热工测量技术和自动调节知识。使学生具备使用、改进和设计热工设备的初步能力。认识陶瓷工业热工设备对于环境保护、行业发展以及企业效益的重要性，并关注其发展动态和环保理念，能够在以后的生产实践和科学实验过程中正确地进行设备选型、使用、维护和更新。 课程目标与相关毕业要求指标点的对应关系
m l h m mm l m kg cm g 1.05.02.030sin 2.0200/800/8.033=?======ρ已知： 烟气的真空度为： Pa h g p v 8.78430sin 2.081.9800=??=??=ρ ∵ 1 mmH 2O = 9.80665 Pa ∴ 1 Pa = 0.10197 mmH 2O O mmH Pa p v 2027.808.784== 烟气的绝对压力为： kPa Pa p p p v b 540.98388.985408.7843224.133745==-?=-= 2.2填空缺数据（兰色）： 2.9 题略 已知：D 1 = 0.4 m ，p 1 =150 kPa ，且气球内压力正比于气球直径，即p = kD ，太阳辐射加热后D 2 = 0.45 m 求：过程中气体对外作功量 解：由D 1=0.4 m ，p 1=150 kPa ，可求得：k =375 kPa/m kJ D D k dD kD W dD kD D d kD pdV dW D D 27.2) (8 22 )6 (41423332 1 =-= == ?==? π π π π 答：过程中气体对外作功量为2.27 kJ
解：由题意：△U = 0 → T 2 = T 1 = 600 K 由理想气体气体状态方程， 有： Pa p p T V p T V p T V p 5121 1 2222111100.23 1 3?== == △U =△H = 0 3.7 题略 解：（1）混合后的质量分数： ωCO 2 = 5.6 %， ωO 2 =16.32 %， ωH 2O =2 %， ωN 2 =76.08 % （2） 折合摩尔质量： M eq = 28.856 kg/kmol （3） 折合气体常数： R eq = 288.124 J/（kg ·K ） （4） 体积分数： φCO 2 = 3.67 %， φO 2 =14.72 %， φH 2 O =3.21 %， φN 2 =78.42 % （5）各组分气体分压力： p CO 2 = 0.01101 MPa ， p O 2 =0.04416 MPa ， p H 2O =0.00963 MPa ， p N 2 =0.2353 MPa 下面是附加的一些例题，供参考： 一、试求在定压过程中加给理想气体的热量中有多少用来作功？有多少用来改变工质的热力学能（比热容取定值）？ 解：∵ 定压过程总加热量为： q =c p △T 其中用来改变热力学能的部分为：△u= c v △T 而 c p = c v +R g K J K kJ p p mR V V mR s m S g g /1426.1/101426.13ln 208.0005.0ln ln 31 212=?=??=-==?=?-
玻璃工业热工设备课程 论文题目： 玻璃行业节能降耗的现实意义 院系建筑与材料工程系 专业工程管理 班级 学生姓名 学号 任课教师 2012 年 06 月 08 日
玻璃行业节能降耗的现实意义 专业工程管理学生XXX学号XXXXXXXX 摘要：本文介绍了玻璃工业节能技术的发展现状以及目前主要采取的节能措施，着重讲述了玻璃熔窑保温和全氧燃烧技术，并给与具体事例分析，用数据说明了采取这些节能措施所带来的经济效益。 关键词：玻璃熔窑；窑体保温；全氧燃烧；节能降耗 Abstract:This article describes the current development of the glass industry energy-saving technologies , as well as the main energy-saving measures taken , highlighted the plight of the glass melting furnace insulation and full oxygen combustion technology , and give specific examples of analysis , and data used to take these energy-saving measures brought to economic benefits . Key words：glass melting furnace ; kiln insulation ; oxy-fuel ; energy saving
硅酸盐工业热工基础作业答案 2-1解:胸墙属于稳定无内热源的单层无限大平壁 单值条件 tw1=1300C tw2=300C δ=450mm F=10 m 2 胸墙的平均温度 Tav ＝（Tw1＋TW2）/2=（1300+300）/2=800C 根据平均温度算出导热系数的平均值 λav ＝＋ x800＝1。48w/ Q=λF(Tw1-Tw2)/δ=（1300－300）/=4 2－2 解：窑墙属于稳定无内热源的多层平行无限大平壁 由Q=t ?/R 或q=t ?/Rt 知，若要使通过胸墙的热量相同，要使单位导热面上的热阻相同才行 单值条件 δ1＝40mm δ2=250mm λ1= λ2=m. 硅藻土与红砖共存时，单位导热面热阻(三层) Rt1=δ1/λ1+δ2/λ2+ δ3/λ3=++δ3/λ3 若仅有红砖（两层） Rt2=δ/λ2+δ3/λ3=δ/+δ3/λ3 Rt1=?+=δ/ 得 δ＝370mm,即仅有红砖时厚度应为370mm 。 2—3 解：窑顶属于稳定无内热源的单层圆筒壁 单值条件 δ＝230mm R1= Tw1=700C Tw2=100C 粘土砖的平均导热系数 λav= 3-3 - R2=R1+δ= 当L=1时,Q=2λ∏( Tw1-Tw2)/4Ln 21d d =1.080.85 因为R2/R1≤2,可近似把圆筒壁
当作平壁处理，厚度δ＝R2－R1，导热面积可以根据平均半径Rav ＝（R1＋R2）/2求出。做法与2－1同。 2－4解：本题属于稳定无内热源的多层圆筒壁 单值条件 λ1＝50W/m 。C λ2＝ W/m 。C δ1＝5mm δ2＝95 mm Tw1=300C Tw2=50C d1=175mm d2=185mm d3=375mm 若考虑二者的热阻，每单位长度传热量 Q=( Tw1-Tw2)X2π/(12131122d d Ln Ln d d λλ+)=2502222.2711851375 501750.1185 X W Ln Ln π =+ 若仅考虑石棉的热阻，则 Q ’= (12)22502222.31131375220.1185 Tw Tw X X W d Ln Ln d ππ λ-== 可见Q ≈Q ’，因而在计算中可略去钢管的热阻。 2—5解：本题属于稳定的无内热源的多层圆筒壁 若忽略交界面处的接触热阻，每单位长度通过粘土砖的热量Q1与通过红砖热量Q2相同 单值条件 d1=2m d2= d3= Tw1=1100C Tw2=80C 先假设交界处温度为600C ，则粘土转与红砖的平均导热系数 1100600 10.000580.835 1.328/.260080 2X0.000510.470.6434/.2 21(1100600)2 1.328500114076/20.29641 av X W m C av W m C av X X Q W m d Ln d λλλ+= +=-===∏∏＋＝＋＝
硅酸盐工业热工基础作业答案 2-1解:胸墙属于稳定无内热源的单层无限大平壁 单值条件tw1=1300C tw2=300Cδ=450mm F=10 m 2 胸墙的平均温度Tav＝（Tw1＋TW2）/2=（1300+300）/2=800C 根据平均温度算出导热系数的平均值 λav＝0.92＋0.7x0.001 x800＝1。48w/m.c Q=λF(Tw1-Tw2)/δ=1.48X10X（1300－300）/0.48=3.29X104 W 2－2解：窑墙属于稳定无内热源的多层平行无限大平壁 由Q=t?/R或q=t?/Rt知，若要使通过胸墙的热量相同，要使单位导热面上的热阻相同才 行 单值条件δ1＝40mm δ2=250mm λ1=0.13W/m.C λ2=0.39W/m. 硅藻土与红砖共存时，单位导热面热阻(三层) Rt1=δ1/λ1+δ2/λ2+ δ3/λ3=0.04/0.13+0.25/0.39+δ3/λ3 若仅有红砖（两层）Rt2=δ/λ2+δ3/λ3=δ/0.39+δ3/λ3 Rt1=Rt2?0.04/0.13+0.25/0.39=δ/0.39 得δ＝370mm,即仅有红砖时厚度应为370mm。 2—3 解：窑顶属于稳定无内热源的单层圆筒壁 单值条件δ＝230mm R1=0.85m Tw1=700C Tw2=100C 粘土砖的平均导热系数 λav=0.835X0.58X103- X(Tw1+Tw2)/2=0.835+0.58X400X10 3- =1.067W/m.C R2=R1+δ=1.08m 当L=1时,Q=2λ∏( Tw1-Tw2)/4Ln21d d=2X3.14X1.067X1X600/4Ln1.08 0.85 =4200W/m 因为R2/R1≤2,可近似把圆筒壁当作平壁处理，厚度δ＝R2－R1，导热面积可以根据平均半径Rav＝（R1＋R2）/2求出。做法与2－1同。 2－4解：本题属于稳定无内热源的多层圆筒壁 单值条件λ1＝50W/m。C λ2＝0.1 W/m。C δ1＝5mm δ2＝95 mm Tw1=300C Tw2=50C d1=175mm d2=185mm d3=375mm 若考虑二者的热阻，每单位长度传热量 Q=( Tw1-Tw2)X2π/(1213 1122 d d Ln Ln d d λλ +)= 2502 222.27 11851375 501750.1185 X W Ln Ln π = + 若仅考虑石棉的热阻，则
玻璃专业熔制车间毕业设计指导书 一、说明书 1．总论： 内容：生产方法概况、特点、设计指导思想以及设计原则。 2．玻璃的成分设计 内容：设计原则、成分确定及性质计算（熔化温度、温度-粘度曲线、退火温度和密度）3．总工艺计算 内容：（1）主要技术经济指标的确定； ①年工作日：冷修年，310~320天；非冷修年365天。 ③玻璃原板宽度：2.5~4.5m。 ④机组利用率：96~98%。 ⑤总成品率：72~75%。可达90~95%。 ⑥碎玻璃损失率：0.5%。 （2）工艺平衡计算； ①玻璃成品产量的计算： 计算出各种规格产品的产量；各种规格产品的全年平均生产天数。 ②玻璃液熔化量： ③配合料需要量： 4．熔窑设计 内容：（1）熔窑种类的确定； （2）熔窑结构设计； ①熔化部设计： 熔化率的初步确定： 平板池窑：熔化率K=2.0~3.0（t/m2d）； 500吨窑，K=2.35（t/m2d）；700吨窑，K=2.78（t/m2d）；
熔化部面积的初步确定： 熔化面积：F m = Q k（m 2） 式中：Q —熔窑的产量（t/d） 熔化部窑池的长度和宽度的确定： 熔化区宽度的确定： 平板池窑：B m = 0.75Х10-2Q + 6.75 （m） TOLETO公司的经验公式： B m = 95002.5 Q/400 （m） 熔化区长度的确定：l m = K1ХB m （m）式中：K1—熔化区的长宽比，一般为1.8~2.4。 l m = d1 + d2（n-1）+ 1.0 式中：d1—1#小炉中心线到前脸墙的距离，一般为3~4m， 900吨窑达6.8mm。 d2—小炉中心线间距，一般为2.8~3.5m。 n—小炉对数。 澄清区长度的确定：一般在8.3~19m。 熔化部窑池深度的确定：熔化部窑池深度为1.2m。 熔化部面积的调整和复核： 熔化率的复核： 熔化部窑池大碹股跨比的确定：大型窑为1 7.5~ 1 8，中小型窑为 1 8~ 1 9。 大碹的厚度确定： 熔化部胸墙的高度和厚度的确定： 熔化部胸墙的高度：由燃料的种类、喷嘴的安装方式确定。平板池窑：烧煤气时，为0.8 ~ 0.9m； 烧油时，为1.5 ~ 2.0m。 熔化部胸墙的厚度：450 ~ 500mm； 熔化部火焰空间的高度和宽度的确定： 火焰空间的宽度：比窑池宽400 ~ 500mm；
热工基础第三章作业题及答案 3-3 体积为0.03m 3的某刚性储气瓶内盛有700kPa 、20℃的氮气。瓶上装有一排气阀，压力达到880kPa 时阀门开启，压力降到850kPa 时关闭。若由于外界加热的原因造成阀门开启，问： (1)阀开启时瓶内气体温度为多少？ (2)因加热，阀门开闭一次期间瓶内气体失去多少？设瓶内氮气温度在排气过程中保持不变。 答案：（1）t 2=93.3℃; (2)?m =0.0097kg 3-4 氧气瓶的容积V =0.30m 3，瓶中氧气的表压力p gl =1.4MPa ，温度t 1=30℃。问瓶中盛有多少氧气？若气焊时用去一半氧气，温度降为t 2=20℃，试问此时氧气瓶的表压力为多少？(当地大气压力p b =0. 098MPa) 答案： m =5.72kg; p g2=0.625MPa. 3-6 某理想气体等熵指数κ=1.4，定压比热容c p =1.042kJ/(kg.K)，求该气体的摩尔质量M 。 答案：M =27.93 g/mol 3-8 摩尔质量为0.03kg/mol 的某理想气体，在定容下由275℃加热到845 ℃，若比热力学能变化为400kJ/kg ，问焓变化了多少？ 热求其热力学能、焓和熵的变化。 答案：??=557.9kJ/kg 3-11 在体积V =1.5m 3的刚性容器内装有氮气。初态表压力p gl =2.0MPa ，温度t =230℃，问应加入多少热量才可使氮气的温度上升到750℃？其焓值变化是多少？大气压力为0.1MPa 。 (1)按定值比热容计算； (2) 按平均比热容的直线关系式计算； (3)按平均比热容表计算； (4) 按真实比热容的多项式表达式计算。 答案：(1) Q =8137 kJ, ΔH =11410 kJ (2) Q =9005 kJ, ΔH =12260 kJ (3) Q =8962 kJ, ΔH =1200 kJ (4) Q =9025 kJ, ΔH =12280 kJ 3-15 由氧气、氮气和二氧化碳组成的混合气体，各组元的摩尔数为 2O 0.08mol n =，2N 0.65mol n =，2CO 0.3mol n = 试求混合气体的体积分数，质量分数和在p = 400kPa 、t =27℃时的比体积。 答案：x O2=0.078, x N2=0.631, x CO2=0.291 w O2=0.076, w N2=0.536, w CO2=0.388 R g,eq =0.252 kJ/(kg.K), v =0.0189 m 3/kg. 3-19 某理想气体初温T 1=470K ，质量为2.5kg ，经可逆定容过程，其热力学能变化为△U =295. 4kJ ，求过程功、过程热量以及熵的变化。设该气体R g =0.4 kJ/( k g ．K)，κ=1.35，并假定比热容为定值。 答案：W =0, Q =295.4 kJ, ΔS=0.568 kJ/K 3-22试将满足以下要求的理想气体多变过程在p -v 图和T -s 图上表示出来（先画出四个基本热力过程）： (1) 气体受压缩，升温和放热； (2) 气体的多变指数n =0.8，膨胀； (3) 气体受压缩，降温又降压；
1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全 附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？ 答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。如Q235-A·F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。 3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 1.一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么?几何形状承受载荷边界支承材料性质均对旋转轴对称 2.推导无力矩理论的基本方程时，在微元截取时，能否采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面？为什么？答：不能。如果采用两个相邻的垂直于轴线的横截面代替教材中与经线垂直、同壳体正交的圆锥面，这两截面与壳体的两表面相交后得到的两壳体表面间的距离大于实际壳体厚度，不是实际壳体厚度。建立的平衡方程的内力与这两截面正交，而不是与正交壳体两表面的平面正交，在该截面上存在正应力和剪应力，而不是只有正应力，使问题复杂化。 3.试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。答：a/b=2时，椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力 相等，使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头 4.何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些特征，其中β与两个参数的物理意义是什么？ 答：回转壳的不连续效应：附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称为“不连续效应”或“边缘效应”。
课程教学 计划 院系材料学院专业材料学班级材料09-1,09-2,09-3 2011-2012学年助课采用《材料工程基础》，徐德龙 名称硅酸盐热工基础教师邹定华教师教材谢峻林主编，武汉理式 上课周次及时间课堂教学（包括讲课、习题课、课堂 讨论、测验等） 实验课 其它（实习、学时 教学内容（教学大纲章、节和 题目名称） 学时实验内容学时 第 6 周 10月3日 2课程导论 第 6 周10月6日2 1.8 气体动力学基础-基本概 念，一元恒定流动基本议程 第 7周 10月1021.8 气体动力学基础-气体通过 喷嘴角的流动 第 7 周 10月1321.8 气体动力学基础-管道中气 体的流动 第 7 周 10月1421.8 气体动力学基础-窑炉中气 体的流动 第 8 周 10月172 1.9 离心式风机第8 周
10月202 3.1-传热学概述 第8 周 10月2123.2-传热传热-基本概念，导热 微分议程 第 9 周 10月2423.2-传热传热-稳定态导热的分 析与计算 第 9周 10月27 2 3.2-传热传热-非稳定态导热 第9 周 10月28 2 3.3-对流换热-概述 第10周 10月31日3.3-对流换热-对流换热的数学 描述 第10 周11月3日2 3.3-对流换热-强制对流与自然 对流 第 10周11月4日2 3.4-辐射换热-基本概念，黑体 辐射定律 第11周11月7日2 3.4-辐射换热-实际物体和灰体 的辐射，角系数 第11周11月102 3.4-辐射换热-多个灰体表面组 成封闭系统的辐射换热 第11周11月112 3.4-辐射换热-辐射的强化与削 弱，气体辐射
㈡基础环板设计 1. 基础环板内、外径的确定 裙座通过基础环将塔体承受的外力传递到混凝土基础上，基础环的主要尺寸为内、外直径（见下图），其大小一般可参考下式选用 （4-68） 式中： D -基础环的外径，mm； ob D -基础环的内径，mm； ib D -裙座底截面的外径，mm。 is 2. 基础环板厚度计算 在操作或试压时，基础环板由于设备自重及各种弯矩的作用，在背风侧外缘的压应力最大，其组合轴向压应力为： （4-69） 式中： A -基础环面积，mm2； b W -基础环的截面系数，mm3； b （1）基础环板上无筋板 基础环板上无筋板时，可将基础环板简化为一悬臂梁，在均布载荷s bmax的作用下，基础环厚度： （4-70） 式中： d -基础环厚度，mm； b [s]b-基础环材料的许用应力，MPa。对低碳钢取[s]b=140MPa。 （2）基础环板上有筋板 基础环板上有筋板时，筋板可增加裙座底部刚性，从而减薄基础环厚度。此时，可将基础环板简化为一受均布载荷s bmax作用的矩形板（b×l）。基础环厚度：
（4-71） 式中： d b -基础环厚度，mm； M s -计算力矩，取矩形板X、Y轴的弯矩M x、M y中绝对值较大者，M x、M y按计算，N·mm/mm。无论无筋板或有筋板的基础环厚度均不得小于16mm。 ㈢地脚螺栓 地脚螺栓的作用是使设备能够牢固地固定在基础底座上，以免其受外力作用时发生倾倒。在风载荷、自重、地震载荷等作用下，塔设备的迎风侧可能出现零值甚至拉力作用，因而必须安装足够数量和一定直径的地脚螺栓。塔设备在基础面上由螺栓承受的最大拉应力为： （4-72）式中： s B-地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa。 当s B≤0时，塔设备可自身稳定，但为固定塔设备位置，应设置一定数量的地脚螺栓。 当s B>0时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径可按式（4-73）计算： （4-73） 式中： d1-地脚螺栓螺纹小径，mm； C2-地脚螺栓腐蚀裕量，取3mm； n-地脚螺栓个数，一般取4的倍数；对小直径塔设备可取n=6； [s]bt-地脚螺栓材料的许用应力，选取Q-235-A时，取[s]bt=147MPa；选取16Mn时，取[s]bt=170MPa。圆整后地脚螺栓的公称直径不得小于M24。 ㈣裙座体与塔体底封头的焊接结构 裙座体与塔体的焊接形式有下表所示的两种： 名称结构要求特点适用对象 对接焊 缝裙座与塔体直径相等，二者对 齐焊在一起 焊缝承受压应力作用，可承受较高 的轴向载荷 大型塔设备 搭接焊 缝 裙座内径稍大于塔体外径焊缝承受剪应力作用，受力条件差小型塔设备1．裙座体与塔体对接焊缝（如）J-J截面的拉应力校核 （4-74）
陶瓷工业热工设备总复习 1、窑炉发展简史： 篝火式烧成→穴窑（横、竖）→龙窑→阶级窑→景德镇窑（蛋形窑）→倒焰窑→隧道窑→辊道窑 2、隧道窑的烧成制度主要涉及那些部分（P5） 主要包括：温度制度、压力制度、气氛制度。温度制度是主要的，应制定出一条合理的烧成曲线，是达到烧成工艺的要求。压力制度是为保证一定的温度制度和气氛制度所必须的。 温度制度：窑侧的热电偶测得的窑内温度曲线； 气氛制度：窑内含游离氧或一氧化碳的情况； 压力制度：窑内气体压力的情况。 3、合理烧成制度确定的主要原则是什么？（P5） 1在各阶段应有一定的升降温速率，不得超过。以使制品内部温度均匀，一面内外温差过大形成破坏应力。 2在十一的温度下应有一定的保温时间，以使制品内外我温度差趋于一致，皆达到烧成温度，保证制品内外烧结。 3在氧化和还原阶段应保持一定的气氛之都。以保证制品中的物化过程的进行。4全窑应有一个合理的压力制度，一确保温度制度和压力制度的实现。 4、耐火材料的主要性能有那些？（P6） 1耐火度：材料在高温下抵抗熔化的性能。 2荷重软化点：耐火砖在一定压强下（1.96x10^6）加热，发生一定变形（压缩4％-40％）和坍塌时的温度。 3热稳定性（耐急冷急热性或温度急变抵抗性）：窑墙急冷急热时因破裂、掉落而减重。 4抗化学腐蚀性：耐火砖和熔渣，煤渣接触时，抵抗侵蚀的能力。 5高温体积稳定性：是指材料长期高温使用时，体积发生不可逆变化，通常以残余膨胀或收缩来表示。 5、隧道窑有哪三带？一般怎样划分这三带？ 预热带、烧成带、冷却带，一般以燃烧室的设置来分，设有燃烧室的部分为烧成带，前后各为预热及冷却带。 6、隧道窑的基本结构主要包含四个方面