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炉膛容积强度可以组织良好的燃烧，达到预期的燃烧效果。在确定了炉膛容积热强度后，炉膛容积可由下式获得：
V?B1Qdqv （2-11）
式中：qv为炉膛容积热强度，查文献[9]可得燃天然气锅炉炉膛容积热强度为
qv?4.186?10kJ/m?h63。
得出炉膛容积V?0.0263m3。 （4） 炉膛截面积F
决定了炉膛容积后，还必须把炉膛的形状和尺寸决定恰当，所以我们还要确定炉膛的截面积。炉膛截面积与炉膛截面热强度有关，可由下式获得： F?B1Qdqk （2-12）
式中：qk为炉膛截面热强度，查文献[10]可得燃天然气锅炉炉膛截面积为
qk?3.77?10kJ/m?h62。
得出炉膛截面积F?0.0292m2。 （5） 炉膛结构尺寸
确定了炉膛的容积和截面积后，我们就可以得到炉膛的结构尺寸。炉膛的半径R和长度L分别由式2-13和式2-14获得： R? L?F?0.092m （2-13）
?VF?0.9m （2-14）
式中：F为炉膛截面积，m2； V为炉膛容积，m3.
将所计算的结果取整，得炉膛的结构尺寸为R?0.1m和L?1m。则炉膛截面积
F?0.0314m2，炉膛容积V?0.0314m3
（6） 热风炉炉体材料的选择
对于实验室用热风炉，在成型性能和焊接性能得到满足的前提下，还要考虑到价格因素。在此，我们选用价格低廉的低碳素结构钢作为炉体的制作材料。这类材料有足够的高温蠕变极限和持久极限。但它的抗炉气腐蚀的能力相对较差。它的上限使用温度一般在450?C左右，可以满足工艺要求。 （7） 隔热层结构尺寸
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耐火隔热层对热风炉的使用寿命和性能有很大的影响，为了保证热风炉实现高温和长寿的要求，热风炉使用的耐火隔热材料应具有以下主要性能：
1) 具有抵抗高温作用而不被融化的性能；
2) 能够承受炉子载荷和热应力的作用而不丧失结构强度、不软化变形、不断裂坍
塌；
3) 在高温下体积稳定，不致因膨胀和收缩使材料变形或出现裂纹； 4) 当温度急变或受热不均匀时不开裂破坏； 5) 应具有一定的高温强度和抗磨性能。 A. 炉体耐火隔热材料的选择
工业炉炉衬按筑炉材料的形态分为砖炉衬、纤维炉衬和不定型炉衬。
耐火粘土砖是一种砖炉衬.它的使用温度范围在200—1000?C，热导率在0.956—1.42w/(m .?C)。耐火粘土砖的热稳定性一般，碱性熔剂对它有一定作用，其毁损速度根据化学成分、颗粒度、气孔率而定，而酸性熔剂对耐火粘土砖的作用微弱，它有较好的耐酸性。耐火粘土砖在1400?C以下抵抗还原气氛较好，但因砖中铁化合物的影响，CO在400—500?C时损坏耐火材料。
耐火纤维是以Al2O3和SiO2为主要成分组成的玻璃相或结晶相二元化合物。还可以掺加有益成分Cr2O4等。耐火纤维中无掺加成分时，Al2O3含量越高，其使用温度则越高；当Al2O3含量相当，有掺成分Cr2O3时，纤维的使用温度比未掺加成分时的要高。玻璃相组织在特定温度下会向结晶相转化，这种现象称为析晶。析晶导致纤维收缩和粉化，因此加热线收缩是规定耐火纤维使用温度的依据。纤维过分收缩，造成炉衬的密封性能被破坏。高铝硅酸铝纤维是一种高温型的耐火纤维，Al2O3的含量为60%—64%，最高使用温度可达到1400—1500?C，而长期使用温度在1150—1200?C之间。
不定型耐火材料是由骨料和一种或多种结合剂组成的混合料，分致密形和隔热形两类。隔热形混合料制备和烘干后的试样其真气孔率应不低于45%。有的混合料能以交货状态直接使用，有的则必须和一种或几种适当的液体配合使用。混合料的耐火度一般不低于1500?C。耐火浇注料是由耐火骨料和结合剂组成的混合料，交货状态为干料，加水或其他液体调配后使用。主要采用水硬性结合剂，也可采用陶瓷、化学结合剂以浇注、振动、捣固方法施工，不需要加热即可凝固硬化。
设计的热风炉需要耐火材料有较高的耐火度和较低的热导率，再考虑到施工的方便性，我们选择导热率??0.45的轻质高强浇注料。
轻质高强耐火浇筑料是由专门的轻骨料以及增强基质的粉料、结合剂、膨胀剂和减水剂等配制而成，这种浇筑料具有良好的隔热性能和较高的高温结构强度，可直接用于接触火焰的轻质承重材料，长期使用温度达1500?C。
计算时，我们设混合空气温度为环境温度15?C，浇注料外壁温度为200?C。
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B. 辐射的传热量Q1
由于火焰辐射的作用，使炉膛可内壁达到很高的温度，按照经验炉膛的内壁温度t内壁在1000?C左右，取t内壁?1000?C则辐射的传热量Q1可由式2-15获得： Q1??C0[(t炉?273.15100)?(4t内壁?273.15100)]F1 （2-15）
4[11]
式中：?为辐射率，取??0.9；
C0为黑体辐射系数，C0 = 5.67W/m2.K4[12]； F1为炉膛壁面截面积，m2。 得炉膛的辐射传热量Q1?30422W。 C. 热流密度
单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度，也称为面积热流量。与表面传热系数有关，可由下式获得：
q?a?(t1?t2) （2-16） 式中：t1为浇注料外壁温度，我们设置为200?C； t2为混合空气温度，即为环境温度15?C。
[13]
a?为表面综合传热系数，w/m2??C。由文献可得a??17.6千卡/
22m?h??C?20.465w/m??C。
得单位面积传热量q?3786.025w/m2 D. 隔热层半径
再总传热量未知的情况下，我们无法求出隔热层的半径，需先假设一个隔热层的半径，用热流密度求出总传热量，在根据能量守恒来验证所取得隔热层半径。设浇注料外壁的半径r1为0.174m，则总传热量由下式可得：
Q总?2?r1Lq （2-17） 式中r1为所设的浇注料外壁的半径，q单位面积传热量，得出总的传热量Q总?
4137.1W。
隔热层的导热传热量等于隔热层与混合空气的对流传热量。用圆筒壁的导热公式验证浇注料外壁半径：
Q总?2?L(t内壁?t外壁)1R1R （2-18）
?ln式中：R1为所求的浇注料的外壁半径，m；
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?为浇注料的导热率??0.45。 得R1?174mm。
通过将假设的浇注料外壁半径r1和所求出的浇注料外壁半径R1比较，可得出R1?r1，验证了假设的外壁半径的值。所以浇注料外壁的半径为R1?174mm。浇注料的厚度
??R1?R?74mm。
（8） 混合空气量B3
燃烧所得到的烟气温度可以达到1200?C，远远高于设计所需要的烟气温度，为了达到所需的温度，我们要将所得的烟气混入一定量的空气。
查资料[14]可得，烟气温度为1000?C时，烟气比热C烟，1000?C?0.369 千卡/m3??C，即C烟，1000?C?1.545kJ/m3??C，烟气温度为1200?C时，烟气比热
C烟，?0.374千卡/m??C ，即C烟，?1.566kJ/m??C。 1200?C1200?C33混合前烟气的温度t烟,in=t炉=1185.42?C 则此时烟气比热由下式获得： C烟，?1185.42?CC烟，?C烟，1200?C1000?C200 （2-19） ?(1185.42?1000)?C烟，1000?C式中：C烟，为烟气的温度为1185.42 ?C时，烟气的比热。 1185.42?C代入所查得的1000?C时烟气的比热和1200?C时烟气的比热，得烟气的温度为
t烟,in=1185.42?C时，烟气比热C烟，?1.564kJ/m??C 1185.42?C3?0.340千卡/m??C? 设计所需的排烟温度为200?C，其烟气比热C烟，200?C31.423kJ/m??C3，混合空气在经过炉膛的隔热层外壁时，会吸收热量，温度会升高，所
以我们不能直接使用混合空气的入口温度来计算混合空气的量，首先假设混合口混合空
3?1.303kJ/m??C。根据能量守恒定律，混合前烟气气的温度升高到了50?C，得C送，50?C的热量和空气的热量的和等于混合后烟气的热量。由式2-20表示：
B烟，t?C送，B送，t?C烟，B烟，t C烟， （2-20） 1185.42?C1185.42?C烟,in50?C50?C送,50?C200?C200?C烟,out3m/h； 式中：B烟，1185.42?C为炉膛内烟气的量，
t烟,in为炉膛内烟气的温度，?C；
B送，为混合口处混合空气的量，m3/h； 50?C t送，50?C为混合口处混合空气的温度，?C；
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B烟，为排烟烟气的量，m3/h； 200?C t烟,out为排烟烟气温度，?C。
3根据上式得混合口处混合空气的量为B送，?334.38m/h 50?C在设计时，为了求出混合空气的量，我们是假设混合口空气的温度为50?C，所以要来验证混合口处混合空气的温度是否为50?C。由于总的传热量等于混合空气所得到的热量，我们可以使用下式来验证： ?t?Q总v空C空 （2-21）
式中：?t为混合空气在经过隔热层的外壁后所升高的温度，?C； Q总为总的传热量，W； v空为混合空气的速度为5m/s；
C空为混合空气的比热为1.303kJ/m3??C。
求出混合空气升高的温度?t为33.13?C，则混合口空气的温度t送'?t空??t?
48.13?C?50?C。
由上式所求的结果可知，验证所得的值和所设计的值相差很小，所以混合口处混合空气的温度为50?C。
入口处混合空气的量B3由下式获得： B3=T空T送，50?CB送， （2-22） 50?C式中：T空为入口处混合空气的温度，?C； T送，为混合口处空气的温度，?C； 50?C得B3?298.15m3/h，取整得B3?300m3/h。即燃烧所得的烟气与300m3/h的空气混合，理论上可得到烟气温度为200?C左右的烟气。 （9） 混合空气壁结构尺寸
得出混合空气壁的结构尺寸之前，先要根据混合空气的量和速度来计算出混合空气总面积，由式2-23可得： F空=B33600w空 （2-23）
式中：w空为混合空气速度，取空气的速度为5m/s。
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