回转窑是广泛应用在新型干法水泥生产中的重要设备之一。通常其内部温度保持在1300℃左右,外表面温度约为100℃-450℃,集中分布在280℃-350℃。为防止回转窑表面超温,传统做法是设置冷却风机,降低表面温度。回转窑的高温表面热量具有较高的利用价值,传统降温方式造成了能源的较大浪费。本文以回转窑外表面余热回收用集热器为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究了相关运行参数对集热器余热回收特性的影响,并对其结构参数进行了设计。主要研究工作如下:1、理论分析了集热器运行参数对于熵增、(?)耗散和有效度的影响。分析集热器中传热和流动过程,建立数学方程,使用Matlab软件编程、求解。选择集热器运行实验中的四个不同工况,将实验值与计算值比较,误差在允许范围内,验证了理论计算的准确性。在维持工质流量、入口水温、发射率、角系数等参数不变的前提下,改变窑体表面温度、入口空气温度和入口空气速度,模拟不同季节的120种运行工况,分析并总结了熵增、(?)耗散和有效度的变化规律,为工程实际中选择集热器运行参数提供了参考。2、使用数值模拟的方法,探究了不同运行参数对集热器运行效果的影响。使用Pro/E软件建立了集热器的物理模型,选择数值模拟的控制方程、传热模型和湍流模型,设定求解器参数,进行求解。选取了集热器各壁面表面发射率、空气流速、工质流量和窑体外表面温度为变量,模拟不同工况下的集热器的出口水温、空气温度,研究不同变量对于集热器运行性能的影响。3、基于理论分析和数值模拟结果,使用单目标优化和多目标优化方法对集热器结构参数进行优化。使用最小面积法、最小熵产法和(?)耗散极值原理进行单目标优化设计。最小面积法优化后,换热面积减小了 33.82%;最小熵产法优化后,熵增减小了 3.6%;(?)耗散极值原理优化后,阻力下降了16.36%,优化效果明显。多目标函数优化设计中,选择面积和(?)耗散作为目标函数,使用遗传算法得到了 Pareto前沿,并进行分析。结果表明,多目标优化设计兼顾了集热器的经济性和运行中的传热性能,并总结了集热器结构设计的一般方法。