一种辊道窑冷却系统的设计与优化

一种辊道窑冷却系统的设计与优化

黄俊初

佛山市天禄智能装备科技有限公司，广东省佛山市， 528051

摘要：在锂电池原材料行业，现有的辊道窑冷却系统存在冷却效率不高、冷却时间较长或者冷却成本很高等问题。文章对锂电池原料行业辊道窑冷却系统的冷却翅片、水循环机构、冷却水盘管、抽风管、抽风机、辊道传动机构等进行了优化设计，该系统提高了冷却效率和降低了冷却成本。

关键词：锂电池材料 辊道窑 冷却系统 设计

前 言

在锂电池原材料行业，电池的原材料存在高温处理的一个环节，高温处理采用的设备有多种，其中辊道窑和回转窑是适用性最广的两种窑炉。现有技术中，辊道窑的冷却系统较为常见的是在窑内布置一系列的热交换管，然后往管道内通入冷却水或者冷空气，使流动的冷却水或冷空气吸收窑内的热量并将热量带出；这种冷却方式冷却效率不高、冷却时间较长。还有的一些冷却系统直接往窑内大量通入低温气体，以提高冷却效率；但是由于窑内有一定的气氛需求，所以一般只能通入氧气或氮气，这就造成冷却成本很高。

本文通过对辊道窑冷却系统进行技术研究与改进，设计出专用于锂电池材料辊道窑冷却系统。旨在解决现有技术中的辊道窑的冷却方式冷却效率不高、冷却时间长且冷却成本高的技术问题。

1辊道窑冷却系统的设计与优化

辊道窑冷却系统主要冷却翅片、水循环机构、冷却水盘管、抽风管、抽风机、辊道传动机构等组成。图1和图2是本文设计的新型冷却系统结构示意图。

图1新型冷却系统结构示意图

图2 新型冷却系统另一方向的结构示意图

（1.窑体；2内胆；21冷却翅片；3空气冷却夹层；4冷却水盘管；5冷却水盘管；51冷却水储存区；52废水储存区；53储存区；6抽风管；7抽风机；8辊道传动机构；10窑壳；11进气口；12出气口）

1.1 窑体和空气冷却夹层

窑体包括窑壳和内胆。内胆设置在窑壳内，且与窑壳之间形成封闭的空气冷却夹层。

窑壳为中空结构，在窑壳内部设置的内胆亦为中空结构。内胆的长宽高均比窑壳的长宽高小，因此窑壳侧壁与内侧壁之间具有一定的间隙，以此形成中空的空气冷却夹层。空气冷却夹层的宽度W1决定了空气冷却夹层内的空气容量，而空气容量对冷却效率具有一定的影响。在内胆大小固定的情况下，空气冷却夹层的宽度W1越大，则意味着窑壳越大，因此会使冷却系统体积越大、占地面积越大。本设计将空气冷却夹层的宽度W1与内胆的高度H1之间的比值设置为1：4~6，即能保证有较高的冷却效率，又能在内胆的容积满足使用需求的情况下，冷却系统占地面积不会过大。

1.2 辊道传动机构

窑壳和内胆内贯穿有辊道传动机构。辊道传动机构由多个圆筒式的辊子组成，待冷却的物料放置在辊道传动机构上，通过辊子的转动，使待冷却的物料在辊道传动机构上移动。待冷却的物料移动至内胆内时，冷却系统对其降温冷区。冷却后的物料再从内胆内运输至辊道窑外部。

1.3 冷却翅片

内胆的上端面设有冷却翅片（见图3），且位于空气冷却夹层内。冷却翅片可以是与内胆上端面相垂直的板件，且板件的材质与内胆的材质相同。冷却翅片固定在内胆上，可通过焊接固定，亦可一体成型，从而方便内胆内的热量传递到冷却翅片上，同时增加了内胆与空气的接触面积，因此增加了热交换面积、提高了冷却效率。

图3 新型内胆与冷却翅片的结构示意图

1.4 进气口和出气口

窑壳上开设有与空气冷却夹层相连通的进气口和出气口，进气口开设在窑壳的下端面，出气口开设在窑壳的上端面。空气可以从进气口进入到空气冷却夹层内，然后往出气口方向流通，空气在流通过程中会环绕经过内胆各个方向的侧壁，因此能更好地与内胆内部进行热交换，从而提高冷却效率。

1.5 抽风管和抽风机

出气口还包括抽风管和抽风机。抽风管的一端与出气口相连通，空气冷却夹层内的空气从出气口排出后进入到抽风管内。抽风管的另一端连通有抽风机，抽风机用于加快空气的流通，因此当抽风机运作时，抽风管内的空气会加快排出至外部空间中。因此，设置有抽风管可加快空气的流通，从而加快空气与内胆内部的热交换，提高冷却效率。

1.6 冷却水盘管

冷却水盘管的主体部分位于内胆内，但冷却水盘管的进水口和出水口往外延伸至窑壳外，进水口和出水口均与水循环机构连通。将进水口和出水口设置在窑壳外，可方便冷却水盘管与水循环机构的连接、装配。

冷却水盘管由水管迂折形成，即水管延伸，然后在某一位置180度弯曲，接着继续往回延伸，如此反复多次，即可形成冷却水盘管（见图4）。如此设置，不仅可以将冷却水盘管的进水口和出水口设置在同一边，而且还可以在保证冷却效果的前提下缩短冷却水盘管的长度。

内胆的辊道传动机构的上方和下方均设置有多个冷却水盘管，且数量一致。上方和下方的多个冷却水盘管间隔均匀分布设置，即相邻两个冷却水盘管之间的间距相同。如此设置，既能提高冷却系统的冷却效率，又能使冷却效果更加均匀。每个冷却水盘管可单独控制其冷却水的流速，对热量较大的位置可通过增加冷却水的流速来提高冷却效率、确保冷却效果。当设置有若干个冷却水盘管时，多个冷却水盘管可以与同一个水循环机构连通，通过同一个水循环机构同时给各个冷却水盘管供入冷却水。也可以是各个冷却水盘管对应设置一个水循环机构。

图4 新型冷却水盘管的结构示意图

1.7 水循环机构

水循环机构设置在窑壳外部，用于往冷却水盘管内通入冷却水。冷却水从水循环机构中通入到冷却水盘管中，然后在冷却水盘管中不断流动，并吸收内胆内的热量，吸收热量后，冷却水升温，然后从冷却水盘管中排出以此带走内胆内的热量。

水循环机构的设置方式有两种，一种是包括与进水口相连通的冷却水储存区和出水口相连通的废水储存区（见图1）。储存在冷却水储存区内的冷却水可通过进水口进入到冷却水盘管内。废水储存区与出水口相连通，冷却水盘管内的水在吸收内胆内的热量后，可通过出水口排放至废水储存区中。废水储存区储存的是经升温后的冷却水，当其冷却后同样可以作为冷却水排放至冷却水储存区内，或者直接排放至冷却水盘管内。经升温后的冷却水可以通过自然降温，亦可通过其他降温装置对其降温。冷却水储存区内的冷却水具体可通过水泵抽入到冷却水盘管内。

另一种仅设置有储存区（见图1），进水口和出水口均与储存区相连通，冷却水通过进水口从储存区内排放至冷却水盘管中，然后在内胆内进行热量交换，接着升温后的冷却水通过出水口排放至储存区内；相当于冷却水盘管与储存区形成一个封闭的循环。储存区内的冷却水可通过自然降温，亦可通过其他降温装置对其降温。

2结论

本文所设计的辊道窑冷却系统，具有以下有益效果：

(1)在窑壳内设置有内胆，使内胆与窑壳之间形成空气冷却夹层，且在内胆内设置有冷却水盘管，通过空气冷却和冷却水冷却的双重作用，既提高了辊道窑的冷却效率，又降低了冷却成本。

(2)进气口和出气口对称设置且分别开设在窑壳的下端面和上端面，能更好地与内胆内部进行热交换，从而提高冷却效率。

(3)设置有抽风管可加快空气的流通，从而加快空气与内胆内部的热交换，进而提高冷却效率。

(4)在内胆上设置有冷却翅片，可以使内胆内的热量传递到冷却翅片上，同时增加了内胆与空气的接触面积，因此增加了热交换面积、提高了冷却效率。

(5)将空气冷却夹层的宽度与内胆的高度之间的比值设置为1：4~6，即能保证有较高的冷却效率，又能在内胆容积满足使用需求的情况下，冷却系统的占地面积不会过大。

(6)设置有若干个冷却水盘管，既能提高冷却系统的冷却效率，又能使冷却效果更加均匀；而且每个冷却水盘管可单独控制其冷却水的流速，对热量较大的位置可通过增加冷却水的流速来提高冷却效率、确保冷却效果。

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