隧道烧结炉降温段结构设计与传热分析

刘金平，凌 俊，王 好

（湖南烁科热工智能装备有限公司，湖南 长沙410111）

传统的隧道炉降温结构为夹套式冷却，其主要是在炉膛周围设置一圈夹层，通过对夹层通入冷却介质（空气或水）带走炉内热量，这种方式的主要缺点在于夹层中的冷却介质流动性较差，导致传热效率不高，降温效果不好。本文介绍了一种新型的隧道烧结炉降温结构，参考工业换热器的结构，主要通过在炉内布置密集的换热管束，利用管内强制循环的冷却介质实现高效传热，相比传统的降温结构有显著的优化提升。

1 降温段设计方法

主要介绍一种隧道烧结炉换热管式降温结构的设计方法，首先对降温段的整体结构、换热管的安装及布置方式进行设计，然后通过传热计算，根据系统的热负荷量计算得到降温结构所需的换热管数量。

1.1 结构设计

如图1所示，以辊道炉为例，产品通过传动辊棒在炉腔内传输，在产品的上、下均水平布置换热管结构，管内通入循环冷却介质，吸收产品热量，实现产品降温。在炉腔与炉壁之间设置隔热层，通常使用隔热砖或陶瓷纤维板，用于隔挡炉内热量，防止炉壁表面温度过高。

图1 降温段炉腔截面示意图

如图2所示，各换热管平行相邻布置，贯穿于炉体，在炉壁外侧通过法兰结构进行密封，相邻换热管间通过连接管进行串接，整体形成类换热器的盘管结构，冷却介质在炉腔内快速盘绕流动，整体流向与产品行进方向相反，形成逆流换热，充分吸收并带走产品热量。该结构的好处在于管路连接点均在炉壁外侧，炉内为耐高温的成型无缝钢管，通常为专用的锅炉管，漏水风险小，结构稳定可靠。此外，各换热管独立安装，单根换热管损坏后可以进行独立更换，不会影响其他换热管的正常工作，维护简单方便。

图2 换热管布置示意图

1.2 传热设计

为确定具体换热管数量，选取隧道炉的降温区为研究对象进行传热设计，系统的热交换情况如图3所示。

图3 降温区热交换示意图

稳态条件下，系统应维持热收支平衡，其中热收入为产品带入的净热量，热支出为冷却介质吸收的热量与系统的散热量之和，即系统的换热量计算如下：

式中：Cp—产品比热容，J/（kg·K）

In Table 5 we report the distribution of undernutrition,risk of malnutrition, obesity and overweight among inpatients and outpatients in both categories of age. In both categories of age, the rate of undernourished inpatients was significantly higher compared to that of outpatients.

Cw—冷却介质比热容，J/（kg·K）

Mp—产品产量，kg/s

Mw—冷却介质流量，kg/s

Tp1、Tp2—产品进入降温区以及出炉温度，K

Tw1、Tw2—冷却介质进、出口温度，K

系统与环境之间进行自然对流传热，根据牛顿冷却定律，散热量可由下式计算：

式中：h0—自然对流传热系数，J/（kg·K）

A0—系统外表面积，J/（kg·K）

Tw、T0—系统外表温度及环境温度，K

在系统内部，冷却介质与炉膛内高温气体进行对流传热，则冷却介质所吸收的热量也可通过下式表示：

式中：h—内部传热系数，W/（m2·K）

A—内部传热面积（换热管表面积），m2

ΔT—冷却介质与炉内高温气体的平均传热温差，K

炉内气体温度可近似为产品温度，则根据对数平均温差公式计算如下：

传热系数h0及h可选取对流传热模型经验公式进行计算，联合式（1）～式（4），将相关设计参数代入，即可解出内部传热面积A，得到系统所需的换热管数量。

2 传热分析

根据传热学理论，可近似按照对流传热模型的经验公式计算冷却结构的传热系数，对不同的冷却结构，传热系数均存在以下比例关系：

式中，u—冷却介质流速，m/s。

将式（4）代入式（2），可得：

式（6）表明，传热量与冷却介质的流速、传热面积以及传热温差成正比。对比换热管冷却结构与传统的夹套冷却结构，假设两种结构的传热面积与传热温差相同，在提供相同冷却介质流量的条件下，由于换热管内冷却介质的流通面积很小，其产生的流速将远远大于夹套内冷却介质的流速，因此换热管冷却结构的传热量也远大于夹套冷却结构的传热量，即换热管冷却结构对产品有着更强的降温冷却效果。

分析式（6）中传热量与流速、传热面积的函数关系，可以看出：随着冷却介质流速和冷却结构传热面积的增加，虽然传热量呈增大趋势，但其增量却在不断减小。考虑到经济性及效率，只能适度提高冷却介质流速或增大传热面积以强化传热，在满足降温要求的前提下，合理设计冷却介质的流速与冷却结构的传热面积，才能达到最高效、最经济的降温效果。

3 结论及建议

（1）隧道炉降温段设计采用换热管冷却结构，利用管内快速盘绕的循环冷却介质实现产品降温，对比传统的夹套冷却结构，降低了炉内漏水风险，提升了系统的可维护性。

（2）总结换热管冷却结构的传热设计方法，分析传热量的影响因素，对换热管冷却结构与夹套冷却结构传热性能进行对比，得出由于前者冷却介质的流速远大于后者，因此前者可以产生更大的传热量，拥有更强的降温冷却效果。

（3）提高冷却介质的流速或增大冷却结构的传热面积虽然可以强化传热，但随着两者增加，强化的效果逐渐减弱，成本也在提升。因此，需合理化设计冷却介质的流速与冷却结构的传热面积，满足降温要求的同时兼备良好的经济性。