基于熵产最小原理的高炉冷却壁传热分析

徐 迅

（南通大学杏林学院，江苏南通226001）

0 引言

高炉冷却壁是安装在高炉内部的重要冷却设备，其性能的好坏是影响高炉寿命的重要因素之一。对高炉冷却壁进行结构优化，提高冷却壁的冷却性能，一直是冷却壁生产设计者们关注的问题。热面最高温度往往作为冷却壁优化的目标函数[1-4]，而冷却壁冷却能力的提高，往往以更大的能量损耗为代价。资料表明，高炉生产能耗巨大，而高炉炉墙的散热损失约占高炉能耗的3%[5]。因此，如何在提高冷却壁冷却能力的同时兼顾到节省能耗是值得关注的问题。

在传热强化理论中，Bejan提出的熵产最小法近年来被广泛应用于各种传热或导热优化问题。温差传热作为典型的不可逆过程，其间的可用能损失可用熵产来表示，所以熵产分析以及使熵产最小可以提高传热系统的能量利用率。

本文将熵产最小原理应用到高炉冷却壁的传热分析中，得出了冷却壁的熵平衡方程式，定义了高炉冷却壁的熵产，作为冷却壁传热不可逆性的评价指标；分析讨论了冷却水管到热面距离、冷却水管半径、镶转厚度以及冷却水管间距对冷却壁热面最高温度和熵产的影响。

1 高炉冷却壁的熵产

选取某钢铁公司高炉冷却壁作为研究对象，冷却壁本体宽800 mm，高1 600 mm，厚200 mm，填充层厚度为50 mm，炉壳厚度为50 mm，耐火材料镶砖间距为160 mm，冷却水流速2 m/s。

高炉冷却壁结构图如图1所示。

冷却壁各部分材料热物性参数如表1所示。

高炉冷却壁的稳态传热可视为导热问题，其三维稳态导热微分方程为：