第5章_蓄热式热交换器【《热交换器原理与设计》课件】

5 蓄热式热交换器,蓄热式热交换器中，冷、热流体交替地流过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠构成传热面物体的热容作用 (吸热或放热)，实现冷、热流体之间的热交换。 与间壁式热交换器相比，虽都有固体传热面，但间壁式中，热量是在同一时刻通过固体壁由一侧热流体传递给另一侧的冷流体。 与直接接触式相比，差别更为明显，因为蓄热式中不是通过冷、热流体的直接混合来换热的。 蓄热式热交换器常用于流量大的气气热交换场合，如动力、硅酸盐、石油化工等工业中的余热利用和废热回收等方面。,5.1.1 回转型蓄热式热交换器,图5.1 转子回转型空气预热器 1转子；2转子的中心轴；3环形长齿条；4主动齿轮；5烟气入口； 6烟气出口；7空气入口；8空气出口；9径向隔板；10过渡区；11密封装置,回转型蓄热式热交换器主要由圆筒形蓄热体 (常称转子)及风罩两部分组成。它又分为转子回转型和外壳回转型。转子就是一个蓄热体。,图5.2 蓄热板结构图,图5.3为外壳回转型蓄热式热交换器，它由上下回转风罩、传动装置、蓄热体、密封装置、烟道和风道构成；一端为8字形，另一端为圆柱形的两个风罩盖在定子的上下两个端面上，其安装方位相同，并且同步绕轴旋转。,图5.3 风罩旋转的回转型空气预热器 1空气出口；2空气入口；3烟气出口；4回转风罩；5隔板；6烟气入口,5.1.2 阀门切换型蓄热式热交换器,图5.4 阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图 图5.5 蓄热室结构简图,蓄热室中蓄热体大多由耐火砖砌成的格子砖构成。为连续运行，都具有两个蓄热室。这种阀门切换型常用于玻璃窑炉，冶金工业中高炉的热风炉。,图5.6 阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图,5.2 蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较 蓄热式中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、 热流体通道周期性地交替，使得蓄热式热交换器中 传热面及流体温度的变化具有一定的特点。 特点一：蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不 断变化，而且加热期的变化与冷却期的变化情况也 不相同。同时，除了在热交换器的冷、热气体进口 处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。 特点二：蓄热材料和流体温度变化具有周期性， 即每经过一个周期这些温度变化又重复一次。,图5.8 蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化,图5.9 逆流下的间壁式和蓄热式热交换器,气体1所放出的热量： Q1=M1cp1(t1 t1) 气体2所吸收的热量： Q2=M2cp2(t1 t2) 忽略热损失，间壁式气体1、2间热平衡： M1cp1(t1 t1)=M2cp2 (t2 t2) (5.1) 对蓄热式，气体1所放出的热量： Q1=M1cp1(t1,m t1,m) 气体2所吸收的热量： Q2=M2cp2(t2,m t2,m) 忽略对外热损失，热平衡： M1cp1(t1,m t1,m)=M2cp2(t2,m t2,m) (5.2),(a) 假想间壁式换热 (b) 蓄热式换热 图5.10 蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程,设传热面积为 F，循环 周期为 0 (加热时间 1， 冷却时间 2 )， 可得蓄热传热量： Q=KF(t1,m t2,m)0 J (5.3) t1,m、t2,m热、冷流体 平均温度，,传热量Q可由热气体1与蓄热体间对流换热量表示： Q=1F (t1 tw1)d =1F(t1,m tw1,m)1 J (5.4) 或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表示： Q=2F (tw2 t2)d=2F(tw2,m t2,m)2 J (5.5) 综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数： W/(m2) (5.6) 如1=2，则： W/(m2) (5.7),设有一间壁式热交换器，传热面积为F，但冷 气体及热气体各占一半，热气体的平均温度 为t1,m，冷气体的平均温度为 t2,m 则在时间 0 内该间壁式热交换器的传热量： Q=KF(t1,m t2,m)0， J (5.8) 而热气体的放热量为： Q=1F/2(t1,m tw1,m)0, J (5.9) 冷气体的吸热量为： Q=2 F/2(tw2,m t2,m)0, J (5.10) 如忽略壁面热阻，即 tw1,m= tw2,m，得：,W/(m2) (5.11),比较式(5.3)与(5.8)及(5.7)与(5.11)可见，由于 加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得 其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅 为间壁式热交换器的 倍。 称它为考虑非稳定换热影响的系数Cn。 由于传热表面温度不稳定而产生的。由图5.8(b)， 当换热周期 00时，曲线 tw1与 tw2 将变成同一 直线，因而 tw1,m= tw2,m，此时Cn为1。,与间壁式热交换器相比，蓄热式热交换器在结构 方面有以下三个优点： 紧凑性很高。采用2050目金属网板作蓄热体时， 每m3容积可容纳的传热面积为22966560 m2。 而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器 一般只有2000 m2/m3左右。 单位传热面积的价格要比间壁式便宜得多，而且 易于采用耐腐蚀、耐高温的材料(如陶瓷)作传热面。 有一定的自洁作用。因为周期性地受到气体方向 相反流动，并且传热面上积灰较易自动去除。,与间壁式相比，蓄热式主要缺点： 同一蓄热体交替地作为冷、热气体的通道和受热面，势必导致一通道中的气体带入另一通道。两气体通道间的密封不严，将会造成冷、热气体之间某种程度的混合。在阀门切换型中，也会由于阀门的切换而使冷、热气体之间有不同程度的混合。 对于回转型蓄热式热交换器来说，密封问题比较困难，因而会造成较大的漏风，特别是在高温和低温气体之间压差很大时。例如，在回转型空气预热器中，空气向烟气中的泄漏量约占流过的空气量的5%10%。,5.3 蓄热式热交换器传热设计计算特点 由于蓄热式热交换器始终处于不稳定传热工况下工作，换热流体或传热面的温度都随时间和位置而变化，所以传热系数和传热量也随时间而变。 为解决这一困难，在计算中常把加热期和冷却期合在一起作为一个循环周期来考虑，即传热系数为一个循环周期内的平均值。这样，就可以像普通间壁式热交换器那样进行设计计算。,5.3.1 传热系数 对回转型蓄热式热交换器，基于式(5.7)同时还应考虑烟气、空气冲刷转子的份额不同 (一般烟气冲刷占180，空气冲刷占120，过渡区为230)及蓄热板表面积灰等因素，传热系数为： W/(m2) (5.12) 综合考虑烟气对蓄热板表面灰污以及 烟气和空气 对传热面未能冲刷完全及漏风等因素对传热系数影响 的利用系数，一般， =0.80.9。,Cn考虑低转速时不稳定导热影响的系数， 其值主要与转速有关； x1、x2分别为烟气、空气冲刷转子的份额： 式中：F、F1、F2分别为总的、通过烟气 和空气处的传热面积； f、f1、f2分别为总的、烟气和空 气的流通截面积。,对阀门切换型，由于蓄热体是格子砖，其蓄热能力及砖表面与内部温度之差等对传热的影响较大，所以每周期传热系数表示为： J/(m2周期) (5.13) 格子砖：C平均比热；容重；厚度； 利用率；温度变动系数。 蓄热室格子体上、下部温差较大，在计算传热系数及对流换热系数时分别按格子体上部(热端)和下部(冷端)来求取，再计算平均值： J/(m2周期) (5.14) 式中：Kt、Kb分别为上、下部的传热系数值； n考虑上、下部传热系数差别的经验修正系数,5.3.2 对流换热系数 对回转型： Nu=ARem Pr0.4Ct C1 (5.15) 式中：A系数，因蓄热板结构不同而异；Ct与蓄热板壁温及气流温度有关的系数。烟气被冷却Ct =1，空气被加热Ct=(T/Tb)0.5，式中T为流过气体的温度，Tb为蓄热板壁温；C1考虑蓄热板通道长度与其当量直径比值的修正系数，当l /de50时，C1=1.0。 用式(5.15)计算时，定型尺寸为蓄热板通道的当量直径，定性温度为流过气体的平均温度。,对阀门切换型： 式中：B系数，因格子体结构不同而异； de格孔的当量直径，m； Wmax折算到标准状况下气体在最小 截面处流速，Nm/(m2s)； 与温度有关的校正系数。,W/(m2) (5.16),由于烟气温度高，对于烟气与格子砖间换热 除了包含对流换热外同时应考虑辐射换热， 即采用复合换热系数： 1, t = 1, tc +1, tr (5.17a) 1, b = 1, bc +1, br (5.17b) 对于空气与格子砖间换热则仅考虑对流换热： 2, t = 2, tc (5.18a) 2, b = 2, bc (5.18b) 这样，由式(5.17a)、(5.18a)及(5.13)可求 Kt， 由式(5.17b)、(5.18b)及(5.13)可求 Kb， 最后由式(5.14)可求总传热系数 K。,