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西安建筑科大学冶金工程学院 传输原理在冶金工程中的应用 —回转窑传热数学模型及数值仿真 西安建筑科技大学冶金工程学院 回转窑内的传热过程是产品质量控制的关键，也是最大能耗环节，为了获得优质低耗产品，提高生产效益，国内外针对回转窑内的传热过程进行了一系列研究。由于窑体旋转，窑筒体内衬温度表现出周期性变化，每个周期的传热传质过程实质上属于非稳态传热。但由于窑筒体外表面的温度基本上不随时间而变，可以将窑体一个周期内的换热过程简化为稳态换热。对烟气、窑壁、料床间的对流传热或辐射传热的研究，也取得了一系列成果，但这些成果跟生产实际有较大出入。 建立回转窑传热过程的数学模型，探讨热工操作参数对物料温度的影响规律，有利于提高回转窑的运转率及生产效益。对回转窑传热过程进行分析，是了解和掌握回转窑的温度分布以及窑炉热工性能的重要途径之一，而传热数学模型则是实现上述目的的有效手段。 1.前言 西安建筑科技大学冶金工程学院 回转窑内燃烧产生的热能是通过辐射、对流、传导三种方式通过气流、内衬等直接、间接地传给物料，如图，同时又有大量的热能随着废气排出，由筒体散发而损失掉。 图 回转窑剖面图 西安建筑科技大学冶金工程学院 这种传热方式可用三个定律计算: 西安建筑科技大学冶金工程学院 回转窑的传热过程可用五个方面来描述: 封盖窑壁和料床间的热交换;敞开窑壁和料床间的辐射换热;敞开窑壁和烟气之间的对流及辐射换热;料床与烟气之间的对流及辐射换热;窑壁外表面和周围空气的对流及辐射换热，如图所示。 图 回转窑截面的热交换 2.传热模型 西安建筑科技大学冶金工程学院 由此可得烟气、料床温度变化率的控制方程: 西安建筑科技大学冶金工程学院 在简化的完全混合情况下，封盖窑壁和料床间的对流换热主要受料床与窑壁间的接触热阻Rc 及料床的有效导热热阻Rb 影响。 若颗粒是球状的，料床与窑壁间的接触热阻可采用以下模型: 在完全混合状态下，料床内的瞬时导热热阻由“扩散理论”求出: (1) (2) 2.1 封盖窑壁和料床间的对流传热 西安建筑科技大学冶金工程学院 封盖窑壁与料床的瞬时总传热系数 可表示为 将式(1)和式(2)代人式(3)，并在接触时间 内对 积分，得料床与封盖窑壁间的平均对流传热 系数: (3) 料床与封盖窑壁间的对流传热量: 式中：Acw — 单位窑长上封盖窑壁面积 Tw —窑壁平均温度。 西安建筑科技大学冶金工程学院 基于颗粒群的多相反射可以推出料床吸收率 ?b 的计算公式: 料床与壁面的间距很小，可认为料床与封盖壁面相互平行，料床与封盖窑壁间的 辐射可表示为: 2.2 封盖窑壁和料床间的辐射传热 西安建筑科技大学冶金工程学院 烟气与料床的对流传热量QCg-b，烟气与敞开窑内壁的对流传热量QCg-ew满足: 2.3 敞开窑壁、料床及烟气间的对流换热 西安建筑科技大学冶金工程学院 除了烟气流速和窑体结构尺寸的影响外，窑体转速和物料填充率对窑内对流换热系数也有很大影响。烟气与料床的对流换热系数hCg-b及烟气与敞开窑壁间的对流换热系数hCg-ew采用如下计算公式: 西安建筑科技大学冶金工程学院 回转窑轴向某一区域的热辐射受其它轴向区域的影响很小，因此，烟气、窑壁、料床的轴向温度梯度对回转窑横截面辐射传热的影响可以忽略，可将回转窑横截面作为一个封闭系统处理。 窑内辐射换热可简化为封闭腔内吸收性气体与灰体表面间的辐射换热，如图所示，图中A表示面积，E表示辐射能力。 2.4 敞开窑壁、料床及烟气间的辐射换热 图 回转窑截而辐射换热网络 西安建筑科技大学冶金工程学院 由此可得节点的热平衡方程: (4) (5) 西安建筑科技大学冶金工程学院 解式(4) ，(5)，得到节点有效辐射Jew ，Js，结合热网络图，可得料床净辐射换热量QRr，敞开窑壁净辐射换热量QRew，烟气净辐射换热量为QRg 西安建筑科技大学冶金工程学院 图 回转窑筒体传热模型 回转窑筒体的传热模型如图所示。一般情况下，回转窑各层材料的导热系数 λ 与温度t呈线性关系，即 （6） 2.5 变热特性参数条件下筒体传热方程 西安建筑科技大学冶金工程学院 假定窑皮、耐火窑衬、筒壳之间接触完好