一种强化冷却的冶金炉窑冷却壁
本发明涉及冶金炉窑，具体涉及一种强化冷却的冶金炉窑冷却壁。
背景技术：
1、冶金炉窑是有色冶炼的一道重要工序，冷却壁作为安装在冶金炉窑上的重要冷却设备，其冷却性能是影响冶金炉窑寿命的根本因素之一。冷却壁包覆在冶金炉窑外壁上，类似于电子元件的微通道散热器。冷却壁可以起到保护冶金炉窑壳体表面，延长冶金炉窑寿命的作用，提高冷却壁的冷却能力可以降低热应力，防止材料变形和开裂，因此冷却壁的冷却性能在有色冶炼过程中具有十分重要的作用。目前，主流的冷却壁大多使用水作为冷却工质，随着现代化冶金炉窑规模扩大和复杂化，传统的的冷却工质已经不能满足冷却性能的需求。此时，就需要一种导热性能更强的冷却工质。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种带有内肋结构的冶金炉窑冷却壁并结合新型纳米有机工质，以解决现有的冶金炉窑高热负荷区冷却需求高的技术问题。
2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：在研究的模拟条件内，al2o3/水纳米流体对冷却壁高热负荷区的降温效果最好。与水对比，在雷诺数re和体积分数分别为5000和5vol％时，al2o3/水纳米流体的管壁传热系数提高了41.64％。当5000<re<10000(弱紊流)时，冷却壁处于快速传热区，冷却壁最高温度下降了13℃。在慢速区10000<re<15000时(强紊流)，冷却壁最高温度仅下降6℃。当纳米流体处于弱紊流时，导热性能高的纳米颗粒在内肋管内的滞留时间高于强紊流区的，随流体旋转向前流动，二次流的强度高于强紊流区的。随着re数增大，纳米颗粒快速通过内肋管，缩短壁面-颗粒-液体分子的导热和对流换热时间。因此，在较低雷诺数下，采用内肋管结合纳米流体的方法有利于增强高热负荷区冷却壁的综合传热性能，达到节能的目的。具体结论为：(1)在光滑管内壁增加4个内肋结构会引起管道中间段壁面附近新增3个旋流，增强了管内流体的扰动从而增加了传热系数。(2)在内肋管中添加高导热性的纳米颗粒，传热过程由壁面-液体分子转变为壁面-颗粒-液体分子，提高了管壁交界面传热系数。(3)在弱紊流区(低流速区)，高导热性的纳米颗粒在内肋结构的滞留时间大于强紊流区，其强化程度随纳米颗粒浓度增加而加强。因此，采用纳米流体和内肋管相结合的方式可增强冶金炉窑高热负荷区的传热能力，且传热能力远大于单一改变传热工质或改善管道结构。
3、具体结构如下：
4、一种强化冷却的冶金炉窑冷却壁，包括：冷却壁，所述冷却壁为铸钢材质，在冷却壁的热面一侧依次设置有燕尾槽、钢质内肋管道，所述内肋管道包括直线段和弯曲段，直线段分为垂直于冷却壁热面和平行于热面两部分组成，弯曲度呈90度弯曲用于连接直线段。所述内肋管道中内壁布置四个等距内肋结构分别绕管内5圈。浇筑完捣打料或耐火泥浆后，燕尾槽的深度不低于30mm。铸钢冷却内肋管道从背离冷却壁一侧延伸出来的两端与循环冷却工质连接。多个水平的燕尾槽沿铸钢内肋管道长度方向间隔设置。
5、进一步的，所述内肋管道上表面设置有内肋结构，所述冷却壁的第一管道入口和第二管道入口分别设有第一温度测量孔和第一压力测量孔，第一管道出口和第二管道出口分别设有第二温度测量孔和第二压力测量孔，所述冷却壁内部内肋管道内径为24mm，外径为25mm，在入口处22.5mm处沿平行于热表面处90°折弯，在出口处22.5mm处沿平行于热表面处90°折弯，形成u型管状结构，管路中心距为150mm，管道长度为400mm，管道内壁面布置4个等距内肋结构，内肋结构引线长度为80mm相当于单个内肋结构绕管内5圈；
6、所述内肋结构为长方形，长度为5mm，高度为1mm，与内肋管一体铸造而成；
7、进一步的，所述冷却壁的第一管道入口和第二管道入口分别设有第一温度测量孔和第一压力测量孔，第一管道出口和第二管道出口分别设有第二温度测量孔和第二压力测量孔；
8、进一步的，所述内肋管道内部冷却工质为al2o3/水纳米流体和cuo/水纳米流体；
9、所述纳米流体是将纳米颗粒分散到基液中制备而成，al2o3/水纳米流体和cuo/水纳米流体体积分数为3vol％，4vol％，5vol％。
10、本发明的有益效果：
11、冷却壁作为安装在冶金炉窑上的重要冷却设备，其传热性能直接影响冶金炉窑的寿命。冷却壁包覆在冶金炉窑外壁上，类似于电子元件的微通道散热器，起到保护冶金炉窑壳体表面被高温击穿、延长冶金炉窑寿命的作用。提高冷却壁的传热性能可以降低壁面热应力，防止材料变形和开裂。随着现代化冶金炉窑规模的扩大和复杂化，对于冷却壁的性能要求越来越高，单一改变工质和改变结构的传统手段已经无法满足需求。
12、本发明采用纳米流体替代水作为换热工质，利用了纳米流体高导热特性与内肋结构的扰流特性。内肋管中纳米流体表现出优于光滑管中的性质如下，当纳米流体处于弱紊流时，导热性能高的纳米颗粒在内肋管内的滞留时间高于强紊流区的，随流体旋转向前流动，二次流的强度高于强紊流区的。随着雷诺数re增大，纳米颗粒快速通过内肋管，缩短壁面-颗粒-液体分子的导热和对流换热时间。因此，在较低雷诺数下，采用内肋管结合纳米流体的方法有利于增强高热负荷区冷却壁的综合传热性能，达到节能的目的。
13、本发明中的内肋结构采用扭曲等距内肋结构的阵列形式，这种设计增强了冷却壁冷却管内部流体的扰动，使管道中间段除了在管中心有两个涡外，还会引起壁面附近新增多个旋流，这些涡在一定程度上形成了二次涡，影响了管的边缘径向速度，导致管内上下壁面流体混合更大。因此，内肋结构可以有效地扩大上下管道内流体径向扰动区域从而达到增强传热，并且这种结构还可以增大管内换热面积。
14、本发明将通过雷诺数re将流动过程分为了弱紊流区和强紊流区，得到内肋管+纳米流体的组合结构在冶金炉窑冷却壁中的适用范围，在弱紊流区，高导热性的纳米颗粒滞留在内肋结构的时间长于强紊流区，使原先仅存在壁面-液体分子的对流传热过程转化为壁面-液体分子对流传热与壁面-颗粒的导热与对流传热耦合强化传热过程，而在强紊流区受流速影响壁面-颗粒-液体分子来不及交换热量。内肋管+纳米流体结构更适用于弱紊流区(雷诺数re＜10000)。
15、进一步，本发明通过将不同体积分数(3vol％、4vol％、5vol％)的纳米流体与内肋管结合得出更适于冶金炉窑冷却壁的组合方式。纳米流体体积分数的增加，使得在换热过程中，壁面-液体分子的对流传热过程转化为壁面-液体分子对流传热与壁面-颗粒的导热与对流传热耦合强化传热过程，加强了这一转化过程。
16、本发明在实际操作中，通过位于管道出入口的第一、第二、温度测量孔和第一、第二测压口以及冷却壁热表面的第三温度测量孔，能够对冷却壁的内部温度和压力进行实时监控。这一点对于理解换热过程和预测冷却壁性能至关重要，尤其是在工作于纳米流体条件下的冷却壁。精确的温度监控有助于检测到热量集中区域(热点)并对其进行调整，而压力监控则可以保证冷却壁在安全的工作压力下运行。
17、总的来说，本发明的技术方案通过组合内肋管+纳米流体的巧妙设计，有效提升了冷却壁的换热效率和稳定性。这种设计适用冶金炉窑等多个领域，能够延长设备的使用寿命，节省能源消耗，并提高整体系统的性能。
18、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
技术特征：
1.一种强化冷却的冶金炉窑冷却壁，其特征在于，包括：冷却壁(7)，在冷却壁(7)的热面一侧依次设置有燕尾槽(8)、内肋管道，所述内肋管道包括直线段和弯曲段，直线段包括垂直于冷却壁(7)壁体热面和平行于热面两部分，两部分之间由弯曲度呈90度的弯角连接；所述内肋管道中内壁设置有四个等距内肋结构(10)分别绕管内5圈；所述内肋管道延伸出来的两端与循环冷却工质连通。
2.如权利要求1所述的强化冷却的冶金炉窑冷却壁，其特征在于：所述燕尾槽(8)水平设有多组，各组所述燕尾槽(8)于内肋管道长度方向间隔设置，燕尾槽(8)的深度不低于30mm。
3.如权利要求1所述的强化冷却的冶金炉窑冷却壁，其特征在于：所述冷却壁(7)内部内肋管道内径为24mm，外径为25mm，在入口处22.5mm处沿平行于热表面处90°折弯，在出口处22.5mm处沿平行于热表面处90°折弯，形成u型管状结构，内肋管道的管路中心距为150mm，内肋管道长度为400mm，内肋管道内壁面布置4个等距的内肋结构(10)，内肋结构(10)引线长度为80mm相当于单个内肋结构(10)绕管内5圈；所述内肋结构(10)为长方形，长度为5mm，高度为1mm，与内肋管道一体铸造而成。
4.如权利要求1所述的强化冷却的冶金炉窑冷却壁，其特征在于：所述冷却壁(7)的第一管道入口(1)和第二管道入口(2)分别设有第一温度测量孔(411)和第一压力测量孔(412)，第一管道出口(3)和第二管道出口(4)分别设有第二温度测量孔(413)和第二压力测量孔(414)。
5.如权利要求1所述的强化冷却的冶金炉窑冷却壁，其特征在于：所述内肋管道内部冷却工质为al2o3/水纳米流体和cuo/水纳米流体。
6.如权利要求5所述的强化冷却的冶金炉窑冷却壁，其特征在于：所述纳米流体是将纳米颗粒分散到基液中制备而成，al2o3/水纳米流体和cuo/水纳米流体体积分数为3vol％，4vol％，5vol％。
技术总结
本发明涉及冶金炉窑技术领域，具体涉及一种强化冷却的冶金炉窑冷却壁，包括：冷却壁，所述冷却壁为铸钢材质，在冷却壁的热面一侧依次设置有燕尾槽、钢质内肋管道，所述内肋管道包括直线段和弯曲段，直线段分为垂直于冷却壁热面和平行于热面两部分组成，弯曲度呈90度弯曲用于连接直线段。所述内肋管道中内壁布置四个等距内肋结构分别绕管内5圈；本发明采用纳米流体替代水作为换热工质，利用了纳米流体高导热特性与内肋结构的扰流特性，随着雷诺数Re增大，纳米颗粒快速通过内肋管，缩短壁面‑颗粒‑液体分子的导热和对流换热时间；有利于增强高热负荷区冷却壁的综合传热性能，达到节能的目的。
技术研发人员：翟玉玲,陈海峰,李舟航,王华,何优优
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5