熱工過程是工業(yè)爐內(nèi)一個重要的物理、化學(xué)過程。
　　燃氣工業(yè)爐的熱工過程是指爐內(nèi)燃氣燃燒、氣體流動及熱交換過程的總和。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)濟指標的關(guān)鍵。
　　燃氣工業(yè)爐的熱工過程的好壞，爐膛部位是核心。因為物料的加熱、熔煉及干燥等都主要是在爐膛內(nèi)完成的，而爐膛熱工過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，進而對于工業(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輻射與對流向爐墻內(nèi)表面?zhèn)鬟f；內(nèi)表面再通過傳導(dǎo)，把熱量傳到外表面；而外表面再通過輻射、對流向周圍空間散熱。
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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)濟觀點看，砌體蓄熱能力差，爐子開停溫度升降快，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)在對爐子進行嚴格的熱工分析后，確定砌體的厚度與材質(zhì)。一般說，長期運行的大型工業(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)絕熱材料及組合時的節(jié)能效果。對連續(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。
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　　(二)不同砌體對爐子熱工狀態(tài)的影響
　　圖3—9—7表示爐子供熱量不同對爐內(nèi)熱狀態(tài)的影響。當供給一定熱量使爐子升溫時，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。
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圖3-9-7 供給爐子不同熱量時爐內(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，那么爐內(nèi)就達不到t₁溫度，此時爐內(nèi)狀態(tài)穩(wěn)定點就處于比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，這時升溫的時間間隔就不同，分別為τ₁、τ₂及τ₃。因此，爐內(nèi)升溫時間與熱量供應(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)進行的，爐膛內(nèi)，燃氣燃燒產(chǎn)生的高溫爐氣與被加熱的物料(爐料)和爐壁進行換熱，完成對物料的加熱。
　　爐膛內(nèi)的熱交換機理是復(fù)雜的。在熱交換過程中，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。
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圖3-9-8 爐膛內(nèi)熱交換示意圖
1-對流；2-輻射；3-傳導(dǎo)

　　在生產(chǎn)實踐中，根據(jù)工藝的需要；不同爐子采用不同的操作條件時，可能有三種不同特點的爐膛熱輻射；
　　(1)均勻熱輻射 爐氣在爐膛內(nèi)均勻分布，這時爐氣向物料和爐壁的輻射強度相等；
　　(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，向爐壁的輻射強度較大；
　　在均勻輻射傳熱時，通過輻射和對流傳給爐料的總熱量為；
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　　式中 C——導(dǎo)來輻射系數(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——爐氣對爐料的對流換熱系數(shù)，kJ／(m²·h·℃)。
　　Q₂表示單位時間內(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)率和燃氣消耗的因素為C、t₁、t₂和α_C。
　　導(dǎo)來輻射系數(shù)是爐氣、爐壁對爐料的總輻射系數(shù)：
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　　這里，下標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，導(dǎo)來輻射系數(shù)僅與爐氣黑度和爐圍伸展度有關(guān)。
　　物料平均溫度與進入爐膛的初溫和離開爐膛的終溫有關(guān)。
　　爐氣平均溫度與物料溫度、燃氣理論燃燒溫度及爐膛出口煙氣溫度有關(guān)，受燃氣種類、熱值、溫度及空氣溫度、空氣過剩系數(shù)等影響。
　　而對流換熱系數(shù)主要與爐氣流動特性有關(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)、燃氣特性(種類、組成、熱值、溫度)、燃燒條件(空氣過剩系數(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，在實際生產(chǎn)中，爐氣并不是均勻分布在整個爐膛內(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)，同時爐內(nèi)氣流的流動狀態(tài)對熟交換也有直接影響，所以爐內(nèi)熱交換過程是十分復(fù)雜的。為了保證有利于爐內(nèi)熱交換的氣體流動，不同用途的爐子對爐內(nèi)氣流狀態(tài)也有不同要求。這些要求是通過正確選擇爐型與合理布置燃燒裝置和排煙口的數(shù)量與位置來實現(xiàn)的。

　　三、燃氣、工業(yè)爐的熱力計算

　　在燃氣工業(yè)爐中，燃氣燃燒是基礎(chǔ)，加熱物料是目的，這兩者是通過熱交換而聯(lián)系起來的。工程上對新建工業(yè)爐需要進行熱力計算；對原有工業(yè)爐當燃氣種類改變時，需要進行熱力校核計算。此外，對工業(yè)爐進行改造或增設(shè)空氣、燃氣預(yù)熱器及廢熱鍋爐等也應(yīng)進行熱力校核計算。
　　(一)燃氣工業(yè)爐的熱平衡
　　編制爐子的熱平衡，對于爐子設(shè)計和管理都是不可缺少的。在設(shè)計中，可以通過熱平衡計算，確定爐子的燃料消耗量：對工作中的爐子，也可以根據(jù)實測數(shù)據(jù)編制熱平衡來檢驗爐子的熱效率，通過熱工技術(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，首先必須劃定熱平衡的區(qū)域。進入這一區(qū)域的熱量力熱收入，離開這一區(qū)域的熱量則為熱支出。熱平衡區(qū)域的劃分，按實際需要而定，可以編制全爐熱平衡，也可以編制某一個區(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，對于連續(xù)操作的爐子(如金屬連續(xù)加熱爐)，以單位時間為基準，平衡各項目的單位是kJ/h；對于間歇操作的爐子(如室狀爐)，可以一個加熱周期(應(yīng)包括周期的停歇時間)為基準，各平衡項單位是kJ／周期。同時，計算以標準狀態(tài)為基點。
　　1．爐膛熱平衡
　　爐膛熱平衡是全爐熱平衡的核心。圖3—9—9表示燃氣工業(yè)爐熱平衡區(qū)域。
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圖3-9-9 燃氣工業(yè)爐熱平衡區(qū)域

　　(1)熱收入
　　1)燃氣的燃燒熱
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　　式中 Q_C——燃氣的燃燒熱，kJ/h
　　　　H_L——燃氣的低熱值，kJ／m³(干燃氣)；
　　　　B——燃氣用量m³(干燃氣)/h。設(shè)計爐子時，燃氣耗量是待還應(yīng)的未知數(shù)，其值按熱平衡式求出；在試驗工作中，用流量計測出燃氣用量。
　　2)空氣及燃氣的物理熱
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　　式中 Q_a、Q_g——空氣和燃氣的物理熱kJ/h；
　　　　V_a——過剩空氣系數(shù)為。時的實際空氣量m³／m³(干燃氣)。設(shè)計爐子時，Va值由燃燒計算求得；在試驗工作中，空氣的實際流量可直接測得；
　　　　t_a、t_g——空氣及燃氣的預(yù)熱溫度，℃；
　　　　c_a、c_g——0～t_a及0～t_g之間，空氣及燃氣的平均定壓容積比熱容，kJ／(m³·K)。
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