蜂窝状蓄热式热交换器的理论计算分析.docx

蜂窝状蓄热式热交换器的理论计算分析李忠友(昆明理工大学 机电工程学院 , 云南 昆明50093 )摘 要 : 论文讨论了高温空气燃烧技术的优势 , 即预热空气的节能效果及低 nox 生成特性 ; 而高效热交换器是高温低氧空气燃烧技术的一个关键 , 论文计算了空气 、烟气在其关键设备 蜂窝状蓄热式热交换器 中的换热系数 、阻力及总传热系数 , 证实了其在热能回收利用方面的优越性 。关键词 : 高温空气燃烧 ; 蓄热式热交换器中图分类号 th16文献标识码 a文章编号 1671 - 2056 ( 2007) 04 - 0014 - 03高温空气燃烧已认清了以下问题 。( 1 ) 随着温度的高温化出现的燃烧特性是 : 效率虽上升 , 但火焰温度的上升是局部性 , nox 浓度却急剧增加 。( 2 ) 高温空气燃烧可达到 : 低 nox ; 低噪 音 ; 火焰温度平坦化等在实用中的几乎各种特性。( 3 ) 在高温且低氧空气的燃烧中 , 以前几乎1 引言为了克服能源利用率偏低和能源生产 、消费中 污染物大量排放等问题 , 如 nox , so2 , co2 以及 近几年引起较大注意的 n2 o 等 , 它们是产生光化 学雾 、酸雨 、温室效应和臭氧层破坏的原因 。近年 来在改进燃烧方式方面 , 正在开发 、应用低温富氧 燃烧技术和高温低氧燃烧技术 。常规燃烧方式中氧 气浓度为 21 % , 入炉空气温度 20 450 , 燃烧 温度 (炉温 ) 1 200 1 400 ; 低温富氧燃烧是通 过空气膜分离 , 使氧气浓度提高到 28 % 30 % , 而燃烧温度可降低到 800 1 000 ; 高温低氧燃 烧则是通过特殊装置 , 使入炉空气温度提高到 800以上 (有的可高达 1 250 ) 其氧气浓度低于15 % (有的可低达 3 5 % ) , 改变火焰结构 , 从而 使炉温均匀 、nox 生成减少 、噪音降低 、能源消 耗减少 。高温低氧燃烧常被称为高温空气燃烧技术 , 其核心是热循环再生燃烧系统 , 主要由高效热 交换器 (热再生媒体 ) 、燃烧器 、快速切换阀组 成 , 论文就热交换器进行了一些计算和讨论 。2 高温空气燃烧技术211 高温空气燃烧的目的 高性能工业用炉开发项目的具体目标 : ( 1 ) 削减 30%以上的 co2 排放量 (节能 ) 。 ( 2 ) 低 nox 及 低燃烧噪音。 ( 3) 完成设备小型化。以现有技术而言 , 因它们处于互相制约的关系 , 三者同时达成被认为是不可能的事 。这三点有 可能同时实现的方法是运用高温空气燃烧炉 。所谓 的高温空气燃烧是把吹进燃烧炉的空气预热到比原来高得多的 1 000 以上 , 而且向维持着低氧浓度的高速喷流中吹入燃料 (二次燃料 ) 。通过实验对看不到的以 c2 发光为中心的绿色火焰变旺 。 1 以往传热的计算是凭经验 , 如果基于科学的演绎式确立新的传热计算法 , 并把它应用于高温空气 燃烧 , 那就很有可能使最先进的工业用炉诞生 。为进行高温空气燃烧 , 所需要的高温空气是用 1980年左右就已实用化的短时间转换式蓄热器预热 。在 日本 , 1995 年以后这种蓄热器迅速普及 , 在钢铁用加热炉 、热处理炉 、铝熔解炉以及辐射发热管等广为利用 。蓄热式燃烧系统正在成为各企业自愿节 能的重要支柱 。212 高温空气燃烧的原理与效果 燃烧空气的高速喷流在炉内形成的气体再循环使炉内温度平坦化 , 从而为使用高温空气时抑制有局部 出现高温域变成可能。另外由气体循环的强化或因燃烧分散出现的高温或低氧空间的燃烧 , 其温度势( tempe ra tu re po ten tia l) 虽然高但其火焰体积大、温度 梯度及浓度梯度均小 , 是一种均一化及平滑化的燃 4 烧 。由于助长了聚合反应 , 预料在高温燃烧领域实现低 nox 化也有可能。一旦炉内温度达到平坦化 , 平 均炉温就趋高温化 , 单位传热面积的传热能力也增 加 , 这些将使热设备有可能实现小型化。213 高温空气燃烧的影响 现在高温空气燃烧技术也正在工业用炉以外的领域开发应用 。虽然这技术将导致大幅度削减二氧 化碳及 nox ; 然而迄今为止尚未解明其真正的基础收稿日期 : 2007 - 11 - 20作者简介 : 李忠友 ( 1970 - ) , 男 , 四川人 , 副教授 , 硕士研究生 , 主要从事机械设计及理论 、工业加热炉的教学和 科研.第 4期李忠友 : 蜂窝状蓄热式热交换器的理论计算分析15理论 , 以致无法实现更广泛的应用 。据日本工业用炉协会估计 , 为维持 1990 年二氧化碳发生量水准 , 仅工业用炉改善这一项在 2010 年就可望实现二氧 化碳削减量约占 35 % 。开发成果的实用化和普及 化 , 不仅有助于防止地球暖化 , 而且对提高经济效 益也大有好处 1 。312 换热器性能分析31211 假设条件为简化计算 , 作如下假设 : 各格孔内传热相 同 ; 忽略蓄热室的辐射换热和热损失 ; 流体的热物 性参数恒定不变 ; 蓄热体具有各向同性的导热特 性 , 其比热是一个关于温度的多项式 ; 蓄热介质的表面积及质量分布均匀 ; 烟气与空气的入口速度及 温度在横截面上分布均匀 , 且不随时间变化 ; 不考 虑空气与烟气物性的差异对蓄热体的特性的影响 。31212 空气 - 陶瓷换热与阻力空气进口温度 t1 = 20 , 出口温度240 , 定性温度 tm1 = 630 。 空气吸热 q1 = g1 cp1 ( t1 - t1 )t1 = 1( 2 )( 3 )q2 =1 f ( tw1 -tm1 )式中 q1 空气吸热量 , kw ;g1 空气流量 , kg / s;1 空 气 - 陶 瓷 换 热 系 数 ,(m2 )q1 = q = 916167 kw ; 得 g1 = 01671 kg / s,kw /从图 1 可得出 : 传统旧式工业用炉的耗能高的主要原因是烟气余热回收不够 , 浪费了大量的余 热 , 从而消耗更多的燃料 , 产生更多的 co2 ; 另外 众所周知 , 传统工业用炉在燃烧时会产生局部高 温 , 从而产生大量的热力型 nox 污染环境 。因此 对旧式工业用炉进行再生工业用炉改造已刻不容 缓 , 下面就再生工业用炉 , 即采用高温低氧燃烧技空气流速 w1 = g1 / (m1 s)de /m1 = 293 (层流 ) ,公式 3 计算= 10 m / s, 雷诺数 r e = w1换热努谢尔特数 n u 用豪森n u = 3166 + 01066 8pe ( de /l ) / 1 +( 4 ) pe = r e p r;( de /l ) 2 /3 pe皮克莱数 , p r普朗特数 ;0104 pe式中术用炉的关键设备 蓄热体进行计算说明 ,实了这种蓄热式热交换器的设计合理性 。3 热交换器311 换热器结构 换热器设计结构和尺寸如 2 图所示 。也证m1 空 气 在 定 性 温 度 下 的 密 度 ,kg /m3 ;运动粘度 , m2 / s;m1l 换热器长度 , m。由图 2 知 l = 013 m , 则可得换热系数1 = n um1 / de( 5 )式中 m1 空气在定性温度下的导热系数 ,w / (m2 k) 。 阻力损失计算公式 :(m1 w12/ 2 ) (l / de) 1p =( 6 )式中 1 空气在孔中流动的阻力因数 , 1近似地按圆管查图 2 可得 。空气- 陶瓷换热与阻力的计算结果见表 1。表 1 空气 - 陶瓷换热器参数表换热器基本参数如下 : 形状为蜂窝状 ,材质为编号项目名称单位空气 - 陶瓷烟气陶瓷陶瓷 , 孔间距为 3 mm , 壁厚为 015 mm , 孔截面 s= 215 mm 215 mm , 孔个数 n = 15 500 个 /m2 , 换 热比表面积 f = 1 310 m2 /m2 , 换热面积 f = 70174 m2 , 流通截面积 s = 01174 m2 , 热负荷 q = 916167气体进口温度 / 气体出口温度 / 热负荷 / kw 气体流量 / kg / s 气体流速 /m / s 雷诺数换热系数 / kw / (m2 ) 陶瓷平均温度 / 阻力系数123456789201 2409161670167110102938079201251 3002759161670170912122831146740126kw , 快速切换阀切换时间公式 2 为 :de = 4v / ft = 30 s。当量直径计算( 1 ) f换 热 面m3 ;式中积 , m2 。v 流 体 体 积 ,计算得出 : de = 01003 mm 10 阻力损失 / pa 489 646 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 昆明大学学报第 18卷1631213 总体传热性能将该蓄热式换热器看成空气412 陶瓷蜂窝状蓄热体的使用寿命问题在生产实践中已发现靠近炉膛高温侧的个别蓄 热体烧裂 , 有的甚至烧碎的现象 。我认为这是蓄热 体材料的耐火度和抗急冷急热性能问题 , 有待研究 解决蓄热体耐火材料的材质 , 提高其耐火度和抗急 冷急热性 , 以保证蓄热体使用寿命在一年以上 。413 蓄热体更换方便的问题 由于蓄热体的堵塞和靠近炉膛侧蓄热体被烧坏后 , 必须进行更换 , 由于蓄热体箱内空间小 , 没有 什么空隙 , 更换蓄热体将是一件很麻烦和困难的事情 。我认为要从结构设计来解决此问题 , 不仅能在 不停产的情况下进行更换 , 而且更换过程很方便 简捷 。- 烟气两侧换热的热交 换 器 , 则 其 热 负 荷 为 q = q / 2。对 数 平均差 :tmt1 ) / ( t2 - t1 )( t2 -t2 ) ( t2 -( 7 )-= ln( t2 - t1 )总传热系数k = q / ( ftm )( 8 )得 tm又因为= 13414 ,k = 48w / (m ) 。2k = 1 / ( 1 /1 ) + ( 1 /2 ) ( 9 )k = 47w / (m2 ) 。得两种计算所得总传热系数说明以上计算正确 。313 与其它换热器的比较k值误差为 2 % ,这5 结论蜂窝状换热器有较大的换热面积 、较好的传热 性能 、较小的阻力损失 , 是一种高效的换热器 。 h tac可回收较多的烟气余热 , 减少燃料消耗 ; 提 高炉内整体温度水平 , 并且消除温度峰值 , 使炉温 均匀 ; 并可降低 nox 生成 , 是一种高效低污染燃 烧方式 。参考文献 文献 2 给出的一侧或两侧为气体的几种换热器k值 。气体 (常压 ) - 气体 (常压 ) : 自然对流 k= 315 12 w / ( m2 ) , 强制对流 k = 12 35w / ( m2 ) ; 气体 ( 20 30 mp a ) - 气体 (常 压 ) : 强制对流 k = 23 58 w / ( m2 ) ; 气体 (常压 ) - 冷 凝蒸 汽 : 强制 对流 k = 12 58 w /(m2 ) ; 烟气 - 水蒸气 :35 w / (m2 ) 。显然 ,管束强制对流 k = 12本文所讨论的两侧均为常压气体的蜂窝状换热器的 k 值 , 是一般同样工质换热器 k值的 113 4 倍 。4 从生产实践中出现的有待解决的几个问题411 陶瓷蜂窝状蓄热体的堵塞问题 从我国目前的一些使用的陶瓷蜂窝状蓄热体加热炉实际情况来看 5 , 存在蓄热体堵塞问题 。资料显示这种蓄热体在使用两个月后 , 蓄热体的部分小 孔会被堵塞 , 且空气蓄热体比煤气蓄热体堵塞严 重 。解决办法是更换被堵塞蓄热体 。要从根本上解 决蓄热体的堵塞问题 , 还必须对堵塞物 (类似面 类物质 ) 做 化 学 成 分 分 析 , 以 掌 握 该 种 物 质 的 来源 。张东峰. 先进的高温空气燃烧技术 j . 实用技术 , 2002: 29 - 30.朱聘冠. 换热器原理及计算 m . 北京 : 清华大 学出版社 , 1987.马晓茜 , 张波. h tac 的关键技术及其高效低污染 特性分析 j . 钢铁 , 1999 , ( 10 ) : 60 - 63. 傅维镛. 大速差同向射流 一种新型火焰稳定与 强化燃 烧 的 空 气 动 力 学 原 理 j . 中 国 科 学 ,1987, ( 8 ) : 837 - 847.吴道洪 , 谢善清 , 等. 神雾高温空气燃烧技术的研 究与应用论文集 m . 2002. 1 2 3 4 5 theore t ica l ca lcu la t ion ana ly s is of c eram ic hon eycom bregen era t ive hea t exchan gerl i zhong2you( facu lty of m echan ica l and e lec trica l enginee ring, kunm ing u n ive rsity of sc ience and techno logy, kunm ing 650093 , ch ina)a b stra c t: the p redom inance of h igh temp e ra tu re a ir