Excel软件在热工窑炉耐火内衬结构设计中的应用

张宇翠，李有奇，高　耸，杨付乾，张　涛，胡艳仓

（1.洛阳利尔耐火材料有限公司，河南 洛阳471023；2.洛阳中硅高科技有限公司，河南 洛阳471023）



Excel软件在热工窑炉耐火内衬结构设计中的应用

张宇翠1，李有奇1，高耸1，杨付乾1，张涛1，胡艳仓2

（1.洛阳利尔耐火材料有限公司，河南 洛阳471023；2.洛阳中硅高科技有限公司，河南 洛阳471023）

介绍了由多层炉衬的传热计算原理，利用Excel软件中的“规划求解”模型实现对热工窑炉耐火内衬的厚度及各界面温度的计算，相比传统的手工计算方法，该算法具有简单、快捷、准确等诸多优越性，值得推广。

热工窑炉；Excel软件；规划求解模型；传热计算

热工窑炉炉壳外壁温度应尽可能的低，有利于节能降耗，同时，又要保证炉壳温度处于露点温度以上，避免露点腐蚀，即炉壁温度又不能过低［1-2］。Excel办公软件数据处理能力强大、可操作性强，且应用广泛［3-4］，其中，数据分析中的“规划求解”可通过调整所指定的可变单元格中的值，来确定目标单元格的值。本文将利用Excel软件中的“规划求解”模型实现热工窑炉炉壳温度及相对应的内衬厚度等的计算。

1　炉衬结构传热计算数学模型

1.1多层圆筒壁传热模型

1.1.1多层圆筒壁传热计算公式

式中：l—圆筒型传热管长

t0—窑炉工作室温度

tw—环境温度

λi—内衬热导率

ri—内衬半径

Rk—炉壳外壁半径

α—综合传热系数

α为炉壁外表面向周围环境对流及辐射的换热系数之和，其计算公式为：

式中，tk—炉壳外壁温度

1.1.2炉衬各界面温度计算公式

2　炉衬结构传热计算流程

炉衬结构的传热计算流程如图1所示。

图1　炉衬结构传热计算流程图

3　计算实例

3.1窑炉相关参数

已知窑炉的直径为Φ3 514 mm，炉壳E的厚度为33 mm，运行过程中操作温度为1 600℃，炉外大气平均温度为25℃，窑炉内衬采用材料A、B、C、D组合内衬（见图2），内衬总厚度为d总=454 mm，即工作室直径为Φ2 540 mm。材料A的热导率W/（m·K），材料B的热导率W/（m·K），材料C的热导率W/（m· K），材料D的热导率W/（m·K），炉壳E的热导率为50 W/（m·K）。要求材料A的厚度：200 mm≤d1≤300 mm，材料B的厚度：80 mm≤d2≤150 mm，材料C的厚度：50 mm≤d3≤100 mm，材料 D的厚度：10 mm≤d4≤50 mm。已知：露点温度180℃，炉衬材料的综合隔热效果应使炉壁壁温高于露点温度，且最高温度不超过210℃。试确定该窑炉内衬材料在运行过程中炉衬各界面的温度及相应厚度。

3.2建立工作表，构建计算框架

如表1、表2所示，输入已知条件，构建传热计算工作表框架。

3.3录入假设数据，进行传热求解

（1）录入假设数据

图2　多层圆筒壁内衬结构示意图

表1　传热计算工作表框架1

如表3，假定炉壳温度为最低温度tk=180℃，假定材料A厚度d1=250 mm，固定材料B厚度d2=100 mm，假设材料C厚度d3=80 mm，则材料D厚度d4= 454-d1-d2-d3=24 mm。假定条件下的各界面的半径大小见表4。

（2）建立求解关系

表2　传热计算工作表框架2

录入假设数据后的计算结果如表3所示。

（3）规划求解

气化炉各炉衬的界面温度及炉衬厚度均为未知量，而各界面温度又与炉衬厚度密切相关，利用Excel中的“规划求解”模型，可通过目标单元格（炉壁温度所在单元格）、可变单元格（炉衬厚度所在单元格）的设定及对“规划求解”模型中的可变单元格数值应用约束条件来进行求解。

以要求炉壁温度为最低180℃进行求解。

点击Excel中“数据”下的“规划求解”，调出“规划求解”对话框，见图3。目标单元格选定为炉壁温度对应的P7单元格，且设定标准值为180。可变单元格选定为炉衬材料A、B、C的厚度所对应的J3、J4、J5单元格，见图3。

图3　规划求解对话框

表3　假设数据下求解工作表

进行约束条件的设定。点击“规划求解”对话框中的“添加”，调出约束条件添加对话框，见图4。对材料A的厚度进行约束，“单元格引用”选定材料A厚度所在的J3单元格，选择数学符号“＜=”，“约束”填入“200”（见图4）。点击添加，如上步骤，对材料A的厚度进行d1≥300的约束，完成对材料A厚度的条件约束，见图5。

图4　材料A约束条件添加对话框1

图5　材料A约束条件添加对话框2

如上步骤，分别对材料B厚度（80 mm≤d2≤150 mm）、材料C厚度（50 mm≤d3≤ 100 mm）、材料D厚度 （10 mm≤d4≤50 mm）、内衬总厚度 （d总=454 mm）及炉壁温度（t5=180℃）进行约束条件设定。点击“确定”，即完成对所有条件的约束，进入“规划求解”对话框，见图6。

如图6，选定“使无约束变量为非负数”，求解方法设为“非线性 GRG”，点击“求解”。调出“规划求解结果”对话框，见图7。点击“确定”即可得炉壁温度为180℃时的规划求解结果，见表5。

表4　假设条件下相对应各界面半径大小

图6　参数设定完毕后的规划求解对话框

炉壁温度为最高210℃时的求解同上，规划求解结果见表6。

综上，利用Excel中的“规划求解”模型，可实现要求炉壁温度下的各炉衬厚度的快捷计算。

表5　炉壁温度为180℃时的规划求解结果

表6　炉壁温度为210℃时的规划求解结果

图7　规划求解结果对话框

4　结语

热工窑炉炉衬设计在进行传热计算时因未知量较多，需反复推算，计算过程较为繁杂。利用Excel软件中的“规划求解”模型，建立炉衬厚度、热导率、炉衬各界面温度间的表达式，设定目标单元格、可变单元格，对相应单元格进行条件约束后，可以直观、快捷地计算出炉衬各界面温度及炉衬厚度，方便实用，值得推广。

［1］王学涛，曹玉春，兰泽全.工业窑炉节能技术［M］.北京：化学工业出版社，2010.

［2］王秉铨.工业炉设计手册［M］.2版.北京：机械工业出版社，1996.

［3］程爱民，程先云，陈义明.基于Excel的稳态传热计算［J］.工业炉，2011，33（1）：42-44.

［4］刘慕韬，于克营.Excel软件在压缩机冷却器传热计算中的应用实例［J］.压缩机技术，2007（3）：46-48.

Application of Excel Software in Thermal Kiln Refractory Lining Structure Design

ZHANG Yucui1，LI Youqi1，GAO Song1，YANG Fuqian1，ZHANG Tao1，HU Yancang2
（1.Luoyang Lier Refractories Co.，Ltd，Luoyang 471023，China；2.China Silicon Corporation Ltd，Luoyang 471023，China）

The heat transfer theory of multi-layer lining is introduced.The lining thickness of thermal kiln refractory and hot surface temperature of each layer are calculated by Excel program solving model，which is simpler，faster，more accurate，and is worth promoting compared with the traditional manual calculation method.

thermal kiln；Excel software；program solving model；heat transfer calculation

TF573.1；TF065.1

A

1001-6988（2016）02-0061-04

2015-11-17

张宇翠（1987—），女，工程师，主要从事耐火材料的研制及应用工作.