熱工過(guò)程是工業(yè)爐內(nèi)一個(gè)重要的物理、化學(xué)過(guò)程。
　　燃?xì)夤I(yè)爐的熱工過(guò)程是指爐內(nèi)燃?xì)馊紵怏w流動(dòng)及熱交換過(guò)程的總和。顯然，它是直接影響工業(yè)爐生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量、質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵。
　　燃?xì)夤I(yè)爐的熱工過(guò)程的好壞，爐膛部位是核心。因?yàn)槲锪系募訜帷⑷蹮捈案稍锏榷贾饕窃跔t膛內(nèi)完成的，而爐膛熱工過(guò)程又受爐子砌體各部位熱工特性影響。

　　一、爐體的熱工特性

　　工業(yè)爐爐子砌體的結(jié)構(gòu)與材料，決定砌體的基本熱工特性，進(jìn)而對(duì)于工業(yè)爐熱工狀態(tài)造成重大影響。
　　(一)不同爐子砌體的熱工特性
　　工業(yè)爐的爐墻、爐頂、爐底由不同材質(zhì)的多層材料砌筑而成，而各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)與厚度都不一樣，因而溫度變化也各有差異。
　　圖3—9—6所示爐墻，從內(nèi)到外分別為粘土磚、絕熱層和普通紅磚。爐膛內(nèi)高溫焰氣的熱量通過(guò)輻射與對(duì)流向爐墻內(nèi)表面?zhèn)鬟f；內(nèi)表面再通過(guò)傳導(dǎo)，把熱量傳到外表面；而外表面再通過(guò)輻射、對(duì)流向周圍空間散熱。
?

?

圖3-9-6 爐墻厚度上的溫度分布
1-普通紅磚層；2-絕熱層；3-粘土磚層；4-爐膛空間；tin-內(nèi)壁溫度；tout-外壁溫度

　　一般砌體的作用是保證爐子空間達(dá)到工作溫度，爐襯不被破壞，而加絕熱層是為了減小損失。
　　從加熱經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，砌體蓄熱能力差，爐子開(kāi)停溫度升降快，但是爐子砌體墻壁太薄，將導(dǎo)致外表面散熱損失增加。因此，應(yīng)在對(duì)爐子進(jìn)行嚴(yán)格的熱工分析后，確定砌體的厚度與材質(zhì)。一般說(shuō)，長(zhǎng)期運(yùn)行的大型工業(yè)爐，砌休可選厚些，反之選薄些。
　　為了節(jié)約能源，越來(lái)越多的工業(yè)爐采用輕質(zhì)、熱導(dǎo)率小的材料作為砌體的絕熱層。表3—9—3給出了采用不同輕質(zhì)絕熱材料及組合時(shí)的節(jié)能效果。對(duì)連續(xù)式和間歇式加熱爐，不同砌體組合的節(jié)能效果均為Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ。
?

　　(二)不同砌體對(duì)爐子熱工狀態(tài)的影響
　　圖3—9—7表示爐子供熱量不同對(duì)爐內(nèi)熱狀態(tài)的影響。當(dāng)供給一定熱量使?fàn)t子升溫時(shí)，起初由于爐膛內(nèi)高溫?zé)煔馀c爐體的溫差很大，所以爐溫上升很快。而后，爐溫上升逐漸緩慢，最后達(dá)到穩(wěn)定的熱狀態(tài)B₁，溫度不再升高，表示供熱量與熱損失相等，Q₁、B₁及爐溫t₁不再變化。
?

?

圖3-9-7 供給爐子不同熱量時(shí)爐內(nèi)熱狀態(tài)示意圖

　　如果從冷態(tài)重新加熱爐子，且供應(yīng)爐內(nèi)的熱量減少到Q₂及Q₃時(shí)，那么爐內(nèi)就達(dá)不到t₁溫度，此時(shí)爐內(nèi)狀態(tài)穩(wěn)定點(diǎn)就處于比t₁低的溫度之下。
　　如爐內(nèi)需要溫度為t₂，則可分別向爐內(nèi)供應(yīng)熱量Q₁、Q₂及Q₃，這時(shí)升溫的時(shí)間間隔就不同，分別為τ₁、τ₂及τ₃。因此，爐內(nèi)升溫時(shí)間與熱量供應(yīng)成反比。

　　二、火焰爐爐膛內(nèi)的熱交換

　　爐子加熱物料，大部分是在爐膛內(nèi)進(jìn)行的，爐膛內(nèi)，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫爐氣與被加熱的物料(爐料)和爐壁進(jìn)行換熱，完成對(duì)物料的加熱。
　　爐膛內(nèi)的熱交換機(jī)理是復(fù)雜的。在熱交換過(guò)程中，爐氣是熱源體，低溫物料為受熱體，爐壁起熱量傳遞的中間體作用，如圖3—9—8所示。
?

?

圖3-9-8 爐膛內(nèi)熱交換示意圖
1-對(duì)流；2-輻射；3-傳導(dǎo)

　　在生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)工藝的需要；不同爐子采用不同的操作條件時(shí)，可能有三種不同特點(diǎn)的爐膛熱輻射；
　　(1)均勻熱輻射 爐氣在爐膛內(nèi)均勻分布，這時(shí)爐氣向物料和爐壁的輻射強(qiáng)度相等；
　　(2)直接定向熱輻射 高溫爐氣集中在物料表面附近，向爐料的輻射強(qiáng)度較大；
　　(3)間接定向熱輻射 高溫爐氣集中在爐壁附近，向爐壁的輻射強(qiáng)度較大；
　　在均勻輻射傳熱時(shí)，通過(guò)輻射和對(duì)流傳給爐料的總熱量為；
?

?

?

　　式中 C——導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)，kJ／(m²·h·K)⁴；
　　　　t_l(T₁)、t₂(T₂)——爐氣和爐料表面平均溫度，℃(K)；
　　　　F₂——爐料的受熱表面積，m²；
　　　　α_C——爐氣對(duì)爐料的對(duì)流換熱系數(shù)，kJ／(m²·h·℃)。
　　Q₂表示單位時(shí)間內(nèi)物料所得到的熱量。Q₂愈大，物料加熱愈快，爐子生產(chǎn)率和總熱效率也愈高。公式表明，影響爐子生產(chǎn)率和燃?xì)庀牡囊蛩貫镃、t₁、t₂和α_C。
　　導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)是爐氣、爐壁對(duì)爐料的總輻射系數(shù)：
?

?

　　這里，下標(biāo)l、2、3分別代表爐氣、爐料和爐壁；ε為黑度，如ε₂為爐料表面的黑度，可近似認(rèn)為是常數(shù)，取ε₂≈0.8；ψ為角系數(shù)，F(xiàn)為面積，ψ₃₂是爐壁對(duì)爐料的角系數(shù)，ψ₃₂=F₂／F₃，其倒數(shù)為ω=1/ψ₃₂，稱為爐圍伸展度。可見(jiàn)，導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)僅與爐氣黑度和爐圍伸展度有關(guān)。
　　物料平均溫度與進(jìn)入爐膛的初溫和離開(kāi)爐膛的終溫有關(guān)。
　　爐氣平均溫度與物料溫度、燃?xì)饫碚撊紵郎囟燃盃t膛出口煙氣溫度有關(guān)，受燃?xì)夥N類、熱值、溫度及空氣溫度、空氣過(guò)剩系數(shù)等影響。
　　而對(duì)流換熱系數(shù)主要與爐氣流動(dòng)特性有關(guān)。
　　綜上所述，爐膛熱交換量，即物料加熱得到的熱量，主要受爐子結(jié)構(gòu)(爐壁面積)、燃?xì)馓匦?種類、組成、熱值、溫度)、燃燒條件(空氣過(guò)剩系數(shù)、空氣溫度)、爐氣特性(黑度、溫度)、物料條件(初溫、終溫)等影響。
　　還應(yīng)指出，在實(shí)際生產(chǎn)中，爐氣并不是均勻分布在整個(gè)爐膛內(nèi)的，而且爐內(nèi)溫度也不一致，有燃燒的高溫區(qū)，電有靠近加熱物體處的低溫區(qū)，同時(shí)爐內(nèi)氣流的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)熟交換也有直接影響，所以爐內(nèi)熱交換過(guò)程是十分復(fù)雜的。為了保證有利于爐內(nèi)熱交換的氣體流動(dòng)，不同用途的爐子對(duì)爐內(nèi)氣流狀態(tài)也有不同要求。這些要求是通過(guò)正確選擇爐型與合理布置燃燒裝置和排煙口的數(shù)量與位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　三、燃?xì)狻⒐I(yè)爐的熱力計(jì)算

　　在燃?xì)夤I(yè)爐中，燃?xì)馊紵腔A(chǔ)，加熱物料是目的，這兩者是通過(guò)熱交換而聯(lián)系起來(lái)的。工程上對(duì)新建工業(yè)爐需要進(jìn)行熱力計(jì)算；對(duì)原有工業(yè)爐當(dāng)燃?xì)夥N類改變時(shí)，需要進(jìn)行熱力校核計(jì)算。此外，對(duì)工業(yè)爐進(jìn)行改造或增設(shè)空氣、燃?xì)忸A(yù)熱器及廢熱鍋爐等也應(yīng)進(jìn)行熱力校核計(jì)算。
　　(一)燃?xì)夤I(yè)爐的熱平衡
　　編制爐子的熱平衡，對(duì)于爐子設(shè)計(jì)和管理都是不可缺少的。在設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)熱平衡計(jì)算，確定爐子的燃料消耗量：對(duì)工作中的爐子，也可以根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)編制熱平衡來(lái)檢驗(yàn)爐子的熱效率，通過(guò)熱工技術(shù)分析確定最佳的熱工操作制度。
　　在編制工業(yè)爐熱平衡時(shí)，首先必須劃定熱平衡的區(qū)域。進(jìn)入這一區(qū)域的熱量力熱收入，離開(kāi)這一區(qū)域的熱量則為熱支出。熱平衡區(qū)域的劃分，按實(shí)際需要而定，可以編制全爐熱平衡，也可以編制某一個(gè)區(qū)域的熱平衡，如爐膛熱平衡、換熱器熱平衡等。編制熱平衡的基準(zhǔn)，對(duì)于連續(xù)操作的爐子(如金屬連續(xù)加熱爐)，以單位時(shí)間為基準(zhǔn)，平衡各項(xiàng)目的單位是kJ/h；對(duì)于間歇操作的爐子(如室狀爐)，可以一個(gè)加熱周期(應(yīng)包括周期的停歇時(shí)間)為基準(zhǔn)，各平衡項(xiàng)單位是kJ／周期。同時(shí)，計(jì)算以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為基點(diǎn)。
　　1．爐膛熱平衡
　　爐膛熱平衡是全爐熱平衡的核心。圖3—9—9表示燃?xì)夤I(yè)爐熱平衡區(qū)域。
?

?

圖3-9-9 燃?xì)夤I(yè)爐熱平衡區(qū)域

　　(1)熱收入
　　1)燃?xì)獾娜紵裏?br /> ?

　　式中 Q_C——燃?xì)獾娜紵裏幔琸J/h
　　　　H_L——燃?xì)獾牡蜔嶂担琸J／m³(干燃?xì)?；
　　　　B——燃?xì)庥昧縨³(干燃?xì)?/h。設(shè)計(jì)爐子時(shí)，燃?xì)夂牧渴谴€應(yīng)的未知數(shù)，其值按熱平衡式求出；在試驗(yàn)工作中，用流量計(jì)測(cè)出燃?xì)庥昧俊?br /> 　　2)空氣及燃?xì)獾奈锢頍?br /> ?

　　式中 Q_a、Q_g——空氣和燃?xì)獾奈锢頍醟J/h；
　　　　V_a——過(guò)剩空氣系數(shù)為。時(shí)的實(shí)際空氣量m³／m³(干燃?xì)?。設(shè)計(jì)爐子時(shí)，Va值由燃燒計(jì)算求得；在試驗(yàn)工作中，空氣的實(shí)際流量可直接測(cè)得；
　　　　t_a、t_g——空氣及燃?xì)獾念A(yù)熱溫度，℃；
　　　　c_a、c_g——0～t_a及0～t_g之間，空氣及燃?xì)獾钠骄▔喝莘e比熱容，kJ／(m³·K)。
?