干燥过程的节能问题

1、干燥过程的节能问题3.1 概述能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，也是我国实现全面建设小康社会宏伟目标的基本物质保证。自改革开放以来，我国国民经济以较快的速度持续发展，能源需求迅速增长，由此造成的环境污染也日趋严重，我国正面临着前所未有的能源与环境的双重巨大压力。 据报道，到2005年，我国能源供给的总量预计可以达到13亿1557万吨标煤，比2000年的10亿6988万吨已有了很大的增长，但仍然远不能满足更快增长的能源需求。 到2005年末，我国能源供需差距总量达到12670至14952万吨标煤。其中，煤炭为31395209万吨，石油为979310245万吨，使我国石油的年进口量有可能

2、突破1亿吨。这就使我国的能源安全和国民经济的可持续发展面临着巨大的挑战。我国要在2020年实现国民经济翻两番的宏伟目标，那时的能源需求总量有可能超过36亿吨标煤。从我国的能源供应能力来看，远远不能满足这一要求。因此，切实转变经济增长方式，走资源节约型的新型工业化道路，就成为不可替代的战略选择。干燥操作涉及的领域极为广泛，在化工、医药、食品、造纸、木材、粮食与农副产品加工、建材等领域，干燥操作常常成为其生产过程的主要耗能环节。据英国统计，在英国农产品和食品加工过程中的总能耗约为286×109MJ/年，其中干燥部分为35×109MJ/年，占其总能耗的12%；木材干燥总能耗为4&

3、#215;109MJ/年，占木材加工总能耗的21%；造纸过程中的干燥能耗为137×109MJ/年，占其加工总能耗的33%；化学工程中的干燥能耗为23×109MJ/年，占总能耗的5%。英国全国各行业干燥能耗总和大约占整个工业系统总能耗的8%。由于我国干燥产品的单位产值能耗比世界先进水平有较大差距，我国的干燥能耗占整个工业能耗的比例几乎比英国高一半，达到12%。而在木材加工行业，干燥能耗占整个加工能耗的比例甚至高达4060%。因此，干燥环节的节能对于降低整个工业能耗有显著影响。3.2 节能原理与方法3.2.1 热力学第一定律分析法热力学第一定律即能量守恒定律：能量是物质运动的量

4、度，当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，数量不变。该分析法得到了广泛应用，它主要是用热效率的高低来估计节能潜力，热效率越高说明节能潜力越大。能量平衡工作正是基于这一定律，把能量的来龙去脉搞清楚，确定多少能量被利用，多少能量损失掉。优点：简单直观，容易理解和掌握，运用得当对节能工作能起到重要作用。缺点：由于它所依据的仅是能量数量上的守恒性，在挖掘节能潜力时有较大的局限性和不合理性。 3.2.2 热力学第二定律分析法20世纪50年代以后，热力学第二定律的理论开始在节能实践中广泛应用。它的表述方法很多，其中之一是：当任何一种形式的能量被转移或转化为另一种形式的能量时，其品位只可能降

5、低或来变，绝不可能提高。这样能量在数量的守恒性和质量上的贬值性，就构成了能量的全面本性。 现代节能原理是同时依据热力学第一、第二定律，并通过直观实用的方式，来体现能的全面本性，由此建立的节能理论和方法，称为第二定律分析法。这种方法有两大类，熵分析法和火用分析法。由于熵分析法比较抽象，不能评价能量的使用价值，且本身也不是一种能量，现在已被火用分析法取代。 火用分析法认为：能量=火用+火无 火用是这样一种能，在给定环境的作用下，可以完全连续地转化为任何一种其它形式的能量，而火无是一种不可能转化的能量形式。 火用主要是针对热提出的，即热量中最大能转化为功的部分。 采用火用分析法，能从本质上找出能量损

6、失。 3.2.3 热经济学20世纪60年代以来，在节能领域产生了将火用分析法与经济因素及优化理论有机结合的热经济学，即除了研究体系与自然环境之间的相互作用外，还要研究一个体系内部的经济参量与环境经济参量之间的相互作用。 一般来说，第一定律和第二定律分析法，在方案比较中仅能给出一个参考方向，而不能得出具体结论。而热经济学分析法可以直接给出结果，这种方法特别适用于解决大型、复杂的能量系统分析、设计和优化。 3.2.4 火用 能的本质认识按能量的作功能力，将其分为三大类：高级能量：理论上可以完全转化为功的能量，如机械功、电能、水能等；低级能量：理论上不能全部转化为功的能量，主要是热能；僵态能量：完全

7、不能转化为功的能量。 可逆过程是热力学中的一种理想过程，在这个过程中，如为机械运动则没有摩擦阻力，如为传热过程则没有温差，如对常减压蒸馏装置，如达到可逆过程，其能耗就可能仅为23的程度。因此可以看出：真正的可逆过程是不存在的，事实上，自然界的任何过程都不是可逆过程。节能工作就是要在现有的经济合理条件下，接近可逆过程。 火用 能的本质：大部分能量是过客；能量是完成过程中不发生化学变化的“催化剂”；能量是完成过程的推动力。3.2.5 干燥过程的节能方法1 大力发展组合、智能型干燥系统目前，我国多数产品的干燥操作是在单一干燥设备内在一种干燥参数下完成的，而从物料的干燥动力学特性可以看出，在物料的不同

8、干燥阶段，其最优的干燥参数是不同的。同时，一种干燥设备，往往不能适应物料在不同干燥阶段其含水率和其它物性对干燥设备的不同要求。如果采用单一干燥设备和单一干燥参数，不仅会造成能源与资源的浪费，还会影响干燥质量与产量。因此，必须首先从干燥工艺上进行根本改造，改变粗放型的干燥方式，逐步向循环经济的方向过渡，即实现无废弃物、零污染排放、高效优化用能和优质生产。 2 进行全面、多层次的节能技术改造 全面节能应包括过程节能、系统节能和单元设备节能几个方面，其根本目的是要提高能源的利用效率，以降低一次能源的消耗和提高单位能耗的产值。过程节能是指生产过程的节能，如上述通过干燥工艺改造来实现节能。对于

9、整个工业生产而言，是要争取实现循环经济，即上游生产的产品或副产品可以作为下游生产的原料或燃料。在循环经济的理念中，将没有废物，而只是处于不同生产环节中的资源。在干燥工艺的改造中，要努力实现资源的综合利用，这也是从根本上节能。系统节能是指对干燥系统进行总能系统分析，以实现对系统中各单元设备的优化配置，不仅要进行热效率分析和热经济分析，还必须进行（Exergy）分析，以实现能源的温度对口合理梯级利用。目前，许多干燥系统用高温热源降温使用或直接用高温热源进行不需要高温的干燥作业，都是对能源的很大浪费，应当尽快改变。单元设备节能包括干燥器本身和热源设备的节能改造。目前，我国在干燥设备中，低效高污染的老

10、式设备占大多数，低水平重复的现象相当严重。除了要采用经济手段，逐渐淘汰这些落后设备以外，应当加大对开发先进干燥设备的技术投入和推广力度，要更加重视干燥基础理论的研究，要更快地引进其它领域的科研成果，以弥补干燥行业基础研究力量的不足。当前，场协同强化传热理论，快速高强度先进干燥设备，新型的高效热交换设备和炉窑以及一些先进的除尘设备，都有可能在干燥技术的节能改造中发挥显著作用。 3 大力发展应用可再生能源与工业余热的干燥技术大力发展应用可再生能源与工业余热的干燥技术，逐步减少一次能源的消耗和对燃用化石燃料的依存度。大力调整和优化能源结构，是我国实施中长期能源发展规划的主要战略措施之一。我

11、国有丰富的太阳能资源，年日照时数超过2200小时的地区占国土面积的三分之二，为广泛利用太阳能创造了有利条件。我国在利用太阳能干燥方面已有多年历史。近年来，在用太阳能与热泵联合对木材干燥方面已取得显著效果，需要在更大范围内推广和供其它物料干燥时借鉴。 我国的生物质能资源也相当丰富，尤其在广大农村，用秸杆制造沼气的技术已相当成熟，现在要进一步提高技术含量和实行规模化工业生产。另外，生物制氢与生物质制工业柴油的研究也已在国内外蓬勃开展。用生物质燃料为干燥提供热源有广阔的应用前景。据报道，每增加1吨生物质能的消耗，大约可减少相当于2吨化石燃料的温室气体排放。目前这方面的报道尚不多，我们应加紧开发。 风

12、能，是目前国内外在可再生能源开发方面的一个热点。风能利用投资较少，技术相对成熟，利用风能为热风干燥系统提供动力和风源，是一种有推广前景的技术措施。 4 建立与完善干燥设备的综合评价准则与行业标准，建立宏观调控与市场调节机制，加快干燥技术的更新换代。 综合评价准则应当包括干燥系统的热效率、火用效率、环境友好程度、干燥品质与经济行等各项指标。通过这类综合评价准则或行业标准的制定以强化宏观管理和调控机制。另外，要探索在市场经济条件下的一些经济手段，来加快干燥设备的更新换代。 例如粮食干燥是一个非常复杂的加工过程，影响因素多，干燥条件多变，其中的影响因素有介质参数(如热风温度、热风风量和热风

13、湿度)、粮食参数(如粮食类别、粮食水分、粮食温度和粮食流量)、环境条件(如环境温度和环境湿度)、干燥工艺(如顺流干燥、逆流干燥、横流干燥、混流干燥)以及干燥机的结构参数。因此同一台粮食干燥机可能在很低的环境温度下(零下15)工作，也可能在高达30的环境条件下工作，其工作性能完全不同，甚至相差甚远。所以必需将测得的性能指标进行折算，折算到一个统一的标准条件，再进行比较和评价。因此干燥机生产能力和单位热耗的折算是一个十分重要的标准。 国际上粮食干燥技术标准已经修订了多次，如ISO11520-1：1997，农业粮食烘干机烘干性能的测定，又如ISO11520-2：2001。在这些新的干燥技术标准中都有

14、主要干燥性能参数的折算方法，采用的模型和公式多达54个，是一个很重要而比较复杂的问题。 我国现行粮食烘干技术标准大部分是上个世纪八九十年代制定。经过十多年的时间，我国的粮食烘干技术和设备已有较大进步，许多粮食烘干新技术、新工艺、新设备被应用，现行粮食烘干技术标准与粮食烘干技术和设备的发展已不能完全适应，因此必须进行修定。 实现科学发展观指导下的高效与绿色干燥发展战略，是新时期赋予我国干燥科技工作者的长期而又十分紧迫的光荣任务。要实现这一目标，需要主管部门和产、学、研各方面的共同努力。当前，要注意克服只顾眼前的经济效益，不重视科技创新的错误倾向。要抓住机遇，力争在全国实施新型工业化发展道路的大潮

15、中，逐步明确和加快实现我国干燥技术发展道路的战略转变。3.4 高效低污染脉动燃烧技术“脉动燃烧”（pulse combustion）是指燃料（固态、液态或气态）间断性燃烧过程，而传统的燃烧炉都是连续燃烧。间断性的脉动燃烧过程所产生的尾气流的速度和压力在爆燃阶段急剧上升，当达到一定程度时压力波便从燃烧室通过尾管传播到热能应用装置（如干燥器、煅烧炉或焚化炉等）。由于传递的动量具有振荡特性，脉动燃烧提高了热质传递效率，极大的强化了诸如热力干燥等生产过程。除此之外，脉动燃烧的燃烧效率高，而且降低了污染物的排放，这种技术以引起研究工作者和专业技术人员的极大兴趣。当脉动燃烧应用于具体干燥过程时，该干燥过程

16、被称为脉动燃烧干燥。3.4.1 脉动燃烧技术的发展概况脉动燃烧的历史可追溯到1777年由Byron Higgins首次报道的燃烧振荡现象：把气体火焰放置于一个竖直的圆管里，火焰会引起圆管的自激振荡，管中的火焰也受到声振的影响，声振与燃烧过程存在耦合作用，该火焰被称为会唱歌的火焰（singing flames）。1859年，Rijke发现当一个加热的金属网被放置在一个两端开口的竖直圆管的下半部分时，强烈的声振出现在管内。这种声振所驱动的不稳定燃烧，也叫脉动燃烧，发生在许多燃烧系统中，如固体火箭。它会产生大的噪声和振动，甚至可以破坏燃烧装置。因此，人们极力避免燃烧不稳定现象的发生，研究如何消除这一

17、现象。在研究的过程，人们发现脉动燃烧也有可以利用的一面，具有燃烧强度高，污染物排放低等优点，从而设计了不同机构的脉动燃烧装置。1900年Gobble申请了第一个脉动燃烧装置德国专利，由于气动循环控制机构过于复杂，未能实际应用。1906年Esnault-Prlterie申请了机械膜片阀式自发振荡脉动燃烧器法国专利，它是利用脉动燃烧器推动燃气涡轮机的装置。1908年Lorin设计了脉动燃烧喷气发动机。法国人Marconnet在1909年研制出了结构完全不同的，用于产生推动力的脉动燃烧器，它不是用机械式的单向阀门，而是采用一扩散段的简单圆管结构的空气动力阀。1931年，德国人Schmidt研制出了用

18、于产生推力的脉动燃烧装置，申请了德国专利。该装置是一个带机械阀的14波形脉动燃烧器，也称Schmidt型脉动燃烧器。Schmidt的研究成果在第二次世界大战中被用于德国的V-1飞弹的推进器，并用于轰炸伦敦的战斗中。第二次世界大战后的最初几年里，大部分脉动燃烧的研究目的仍在与发展各种推进装置，以用作飞机和导弹的推进发动机。为了克服带机械阀的脉动喷气发动机的疲劳问题，改善发动机的性能，第二次世界大战后出现了用气动单向阀代替机械阀的无阀脉动喷气发动机。因为以脉动燃烧器原理研制的脉动喷气发动机作为飞行器的推进装置，在于当时出现的以稳态燃烧为基础的燃气涡轮喷气发动机的竞争中失利，被淘汰，以至于在世界范围

19、内对燃烧器的研究兴趣大幅度下降，出现了十余年的低估状态。20世纪60年代后，人们开始将研究的目标对准了提高燃烧效率和热效率，节约燃料、能源转换、工业及民用应用领域的研究，如热水、采暖、锅炉等。1973年世界性的能源危机，石油价格大幅度上涨的冲击，唤醒了人们的能源保护意识，以节约能源为目的的脉动燃烧研究又得到了蓬勃发展。20世纪80年代，脉动燃烧技术研究进入实用开发阶段，欧、美、日等都致力于开发工业、商业及家用脉动燃烧装置，尤其以美国的脉动燃烧装置专利最多。由美国AGA和LENNON公司共同研究开发LENNOX民用暖风机，在商业上大获成功，使人们对该技术的发展前景更加乐观。3.4.2脉动燃烧的工

20、作循环脉动燃烧器可以燃烧气体、液体、固体燃料。燃气和空气可以通过阀门进入燃烧室；液、固体燃料可直接喷入燃烧室，也可以与空气混合再进入燃烧室。图1-18为脉动燃烧器的工作循环示意图，由四个基本过程组成。图1-18 脉动燃烧器的工作循环示意图（1）点火与燃烧 进入燃烧室的可燃物被火花塞点燃，燃烧伴随着放热过程，使燃烧室内温度，压力开始升高，燃烧室膨胀，燃烧产物通过尾管排出。工作点由A达到B点。 （2）气体膨胀 当燃烧室内的压力上升到大于空气和燃料的供给压力时，两进气阀相继关闭，切断空气和燃料进入燃烧室的通路，燃烧气体不能通过阀门倒流，只能通过尾管向外流出。燃烧室内的压力由B点开始下降，由于气流的惯

21、性，使燃烧室压力降到大气压力以下C点，造成燃烧室内负压。 （3）吸入可燃物 在燃烧室负压作用下进气阀开启，燃料和空气由进气阀自动吸入。与此同时，尾管中的燃烧产物也部分回流到燃烧室，使燃烧室压力由C点升到D点。 （4）压缩重新点火 新鲜的空气和燃气通过阀门被吸入燃烧室的同时，由于负压作用，尾管中部分高温也高速返回到燃烧室。高速回流气体的惯性，使燃烧室内的气体压缩，压力由D点上升到A点，空气和燃气急速混合并被回流的高温气流点燃，开始下一循环。燃烧过程自动重复，不再需要外加点火。3.4.3 脉动燃烧器l 基本类型 根据发生装置的特点，脉动燃烧器分为：Schmidt型脉动燃烧器（或14波长脉动燃烧器）

22、；Helmholtz型脉动燃烧器；Rijke型脉动燃烧器。Schmidt型脉动燃烧器Schmidt型脉动燃烧器是基于声学上14波长共鸣器的原理工作的（也称14波型脉动燃烧器），点火和压力上升较快，有利于产生推力，因此常被用作推进器。如图1-18（a）所示，该类型燃烧器简单由一端封闭，一端开口的直管组成，并可分为3个不同的部分：进口、燃烧室和尾管。与封闭端相邻的部分称为燃烧室，燃料的燃烧和放热过程发生在这一区域。14波长共鸣器的闭合端盖用机械或气动阀代替。当燃烧室的压力低于空气或燃料的供给压力时阀门打开细如新鲜空气或燃料。当燃烧室内压力大于空气或燃料的供给压力时，阀门自动关闭，阻止燃烧室内的燃气

23、倒流。在燃烧器工作过程中，管内所激发的声学压力和声学速度脉动的振幅值沿管长分布如1-18（b）所示。声学压力脉动的振幅在上游封闭端最大，在下游开口端最小，接近于环境压力，形成14波形的驻波分布，封闭端为压力驻波的波腹（antinode），开口端为压力驻波节（node）.声学速度脉动的振幅分布相反，在封闭端速度振幅为零，在开口端达到最大。图1-19 1/4波型脉动燃烧器（a）和声学压力与速度的分布（b）对于Schmidt脉动燃烧器，管内激发的声波波长是燃烧器管长的14.压力脉动的频率为（式中，为管内平均声速；L为燃烧器管长）。为了确保脉动压力正常发生，需要很好的平衡混合燃料和空气混合过程与燃烧过

24、程时间，以保证当燃烧室压力达到最大值时，大部分燃烧热已经释放。换言之，燃烧所持续的时间，即在12脉动周期内，必须完成混合和燃烧过程。图1-20 典型的Helmholtz型脉动燃烧器1-燃料膜片阀；2-混合室；3-电磁阀；4-燃料去耦室；5-空气膜片阀；6-燃烧室；7-尾管 Helmholtz型脉动燃烧器Helmholtz型脉动燃烧器是一类应用比较广泛的脉动燃烧器，特别是中、小功率的机械阀的燃烧器，在家用热水器、采暖及商用加热设备中应用较多。Helmholtz型脉动燃烧器是基于Helmholtz共鸣腔原理工作的。图1-20为一个典型的Helmholtz型脉动燃烧器的结构，具有一定容积的燃烧室相当

25、于Helmholtz共鸣腔，通常是圆柱形的；燃烧室的出口连接一根相当长的尾管，并且尾管的出口装了一个容积更大的去耦消声室，具有消声作用。在燃烧室的上游，一般装有一个直径较小的混合室，空气和燃气进口通道、点火器（火花塞）就设在这里，并在一个横截面成120°排列。在空气和燃料的通道上，各装有机械式单向阀，有时也有燃料或空气去耦室。空气或燃料通过各自的单向阀进入燃烧室互击混合，成为可燃混合物，并由火花塞点燃，进入燃烧室燃烧放热，维持燃烧室内燃气压力脉动。燃烧尾气通过尾管后的去耦室和排气管排出燃烧室之外或进入应用装置（如干燥塔）。对于Helmholtz型脉动燃烧器，燃烧室内压力脉动随时间按正

26、弦曲线规律周期性变化的，并且燃烧室内各点的压力瞬时值基本相同。在尾管中，压力脉动的振幅值沿其轴线的分布，是按14波长谐振管驻波波形分布的，在尾管出口为驻波节，压力振幅最小而速度振幅最大。在尾管入口和燃烧室相连的截面上，压力脉动振幅最大，速度振幅最小。计算Helmholtz型脉动燃烧器频率的经验公式为 （1-46）式中，为脉动燃烧的声学频率，Hz；平均速度，ms；A为尾管截面积，m2；L为尾管长度，m；V为燃烧室容积，m3。Rijke型脉动燃烧器图1-21 Rijke管的结构及管内声学压力和声学速度振幅沿管长的分布Rijke型脉动燃烧器建立在Rijke型管的原理上，为了确保平衡操作，燃烧过程应在

27、燃烧室长度的前部12完成。图1-21所示为Rijke管的模型及管内声学压力和声学速度振幅沿管长的分布。声学压力的振幅沿管长呈半波型驻波分布，在管子的中央即L2处为驻波波腹，压力振幅最大，而在管子两端为驻波节，压力振幅为零。声学速度振幅分布正好相反，在L2处为零，在两端声学速度的振幅最大，并且声学速度的相位相反。这正是声学中半波型谐振管的特性。由声学原理知，Rijke管的基波振型压力振动的频率为 （1-47）l 机械阀与气动阀式脉动燃烧器 根据燃料、空气进入燃烧室的方式，又可将脉动燃烧器分为机械阀式脉动燃烧器（膜片阀、簧片阀和旋转阀3种）和气动二极管脉动燃烧器（或叫做无阀式脉动燃烧器）。单向流动

28、是有阀式脉动燃烧室的一个基本特征。在脉动燃烧处于正压状态，机械式阀门为燃烧产物的回流设置了一道屏障。在要求低功率输入，高开度（最大输出与最小输出之比）的情况下，机械阀门具有突出的优点。膜片阀膜片阀（flapper valve）也叫瓣阀，通常由带通气孔的圆盘阀座、膜片和止动盘组成，如图1-22（a）所示。膜片阀是由目前小功率脉动燃烧器上应用较多的一种阀，其工作的原理是：当阀的左侧气体压力大于右侧气体压力时，压差所产生的作用力把膜片压向止动盘，空气或气体燃料经阀底盘上的圆孔进入膜片和阀底座之间形成的空间，在经止动盘上的腰型孔和止动盘与阀体室内形成的环形断面而进入燃烧室。空气和燃气在燃烧室混合燃烧后

29、，使燃烧室内的压力迅速升高。此时，阀门右侧的气体压力大于左侧气体压力，膜片被压向阀底盘，盖住了通气孔，从而切断了气流的反向流动。止动盘还有防止火焰对阀片的侵蚀作用。图1-22 脉动燃烧器机械阀当脉动燃烧器的结构设计好后，空气和燃气的流量可以通过调节阀片的间隙即增加或减少膜片阀的流通面积来实现。在脉动燃烧器中空气阀远比燃气阀重要，它直接影响脉动燃烧器的启动可靠性、运行稳定性和运行频率。空气阀的进气量和空气膜片阀的结构尺寸、膜片密度及燃烧室内的压力、脉动频率等参数有关，通过各参数对空气流量的影响分析，可对空气阀进行优化设计。对于膜片应满足：密度小、材料平整、抗挠性能好、热变形小，才能保证其使用寿命

30、，目前常用的膜片材料由：聚四氟乙烯、树脂板、不锈钢和弹簧钢薄板（0.11mm）。簧片阀簧片阀是最早出现并被使用的单向阀，有多簧片和单簧片两种结构形式。图1-22（b）显示簧片式单向阀的机构。当进气道里的空气压力大于燃烧室压力时，空气流冲开簧片进入燃烧室提供燃烧用空气；当燃烧防热使得燃烧室内燃气压力大于进气道里空气压力时，簧片张开把阀门通道关闭，燃烧产物只能通过尾管排出。簧片阀的主要问题在于因簧片阀工作在高频振动条件下，极易疲劳破坏，寿命短。近年来，材料科学的发展提供了抗疲劳强度很高的新型金属材料及氟塑料等非金属材料，有助于提高簧片的寿命，簧片式单向阀仍不失为一种结构简单，工作可靠的单向阀。 旋

31、转阀旋转阀的功能和膜片簧片式单向阀相同，即当燃烧室内压力大于进气压力时，将进气通道密封，阻止燃烧室内高压气体回流。一种旋转阀的设计包括两块平板：一块电机带动的碟形旋转板和一块钻有相距180°两个长孔的静止板。燃烧所需的空气以垂直于旋转方向通过该旋转阀，进入燃烧室。空气进气道的面积取决于静止板上长孔的高度和宽度。另一种旋转阀的设计如图1-23所示，在燃烧室头部的圆柱壁面上，开有沿圆周均布的数个径向通孔，形成阀座，在它的外面套有一个同轴的与其配合的阀门转筒，转筒壁上开有与阀座相对应的孔。电机带动阀筒旋转，当两孔相对时，空气通过孔进入燃烧室；当两孔错开时，空气通道被堵住，燃烧室内的高压气体

32、不能倒流。图1-23 旋转阀脉动燃烧器结构 旋转阀具有经久耐用、适应性强、抗油和污物积聚的特点，它的设计、制造与燃烧器的设计无关，可以适应一个较大范围的燃烧器运行频率和燃烧速率。但是，阀门的转速决定着脉动燃烧器的工作频率，因此需要有一个“反馈”装置使其转速与燃烧器的共振频率同步。当阀门的转速和燃烧器共振频率不同步时，这个燃烧器被称为频率可调的“脉动”燃烧器。“脉动”燃烧器是一种周期性但非共振燃烧并具有自吸功能的装置，其旋转阀用于控制空气和燃气的顺序流人，工作频率通常低于燃烧器共振频率。 气动阀 气动式阀门是利用流体流入特殊设计的入口所表现的流动特性，对燃烧产物的回流实现阻碍作用（即为无阀式的）

33、。这种结构的主要优点是：没有活动部件，从而避免了机械故障或机械损坏，可用于重型燃烧器等入口部件操作环境恶劣的场合。设计气动式阀门应最大限度地防止回流，同时尽可能地减少对流体流人的阻碍。一种方法是人口处安装一个叫做“流体二极管”的装置，但此种装置在操作上不及机械式止回阀，它不能完全防止回流。限制回流量大小的另一种方法是将入口设计为异型截面。逐步向燃烧室扩散的喇叭形入口，首先对进入的空气流加速，然后在进入燃烧室前将气流扩散。在回流时，这种结构有效地充当喷嘴的作用，因此最大限度地减少回流量。图1-24是逆流、增压、无阀式脉动燃烧器的示意图。有关脉动燃烧器设计的详细资料参见文献5，9，10，12。3.

34、4.4脉动燃烧的驱动机理 前面提到的各种类型的脉动燃烧器，它们的燃烧放热过程与气体的压力脉动之间都存在着某种反馈关系，只是在一定的条件下才能自发地激励起脉动。燃烧器内能否激励起脉动取决于燃烧器过程的特性与燃烧发生的区域的气流振动特性。如果把燃烧过程描述为对气流的加热过程，那么这个过程与气流的振动过程之间应满足一种什么关系，加热过程才能驱动起压力振动，而这个压力振动反过来又影响燃烧的脉动，建立起脉动燃烧过程，并自动维持下去呢?瑞利（Lord Rayleigh）在1945年出版的“声学理论”一书中提出了一个准则，被称为“瑞利准则”。尽管他在当时没有提出任何数学上的证明，这条准则却成为一条非常概括、

35、直到现在还广泛被用来判断脉动燃烧控制机理的重要准则。他在书中写到：“如果热量被周期性地加入振动的空气质量中，或从其中抽出，它所产生的作用将取决于这个热传递的发生与空气振动之间的相位关系。如果热量是在空气振动过程中的最大压缩状态的那个时刻加到空气之中，或者在最大膨胀状态的那个时刻从空气中把热量取走，那么这个振动将被激励和加强。当这个热量的传递发生在最大压缩或最大膨胀时刻，其振动的频率将不受影响”。“如果热量传递发生在振动的空气处于正常密度的时刻，振动既不能被加强也不会被衰减，但是它的频率会被改变。如果热量在最大压缩时刻之前的14周期时加入，振动的频率将会被提高；如果热量是在最大压缩时刻后14周期

36、时加人，则振动频率将会被降低”。瑞利的表述说明，当控制边界内空气的加热与空气的振动过程频率相同，加热过程对气体振动的振幅和频率的影响及作用取决于加热过程与气体振动过程之间的相位关系。在气体处于最大压缩状态时加入热量，或者在气体处于最大膨胀状态时抽走热量，意味着这两个过程是同相位的，气体的振动将被加热过程所激励和加强，其振动频率不受影响。热量的传递发生在处于正常密度的时刻，是指两者的相位差为2，气体的振动强度不会被改变，但其振动的频率会发生变化。 对脉动燃烧的驱动机理的理解和认识是实用脉动燃烧器研究与开发的关键。虽然从20世纪60年代以来人们付出了巨大的努力，使得多种多样的实用脉动燃烧装置不断出

37、现在市场上，但至今对控制着脉动燃烧器工作的基本机理的认识仍旧十分肤浅，以至于在新脉动燃烧器的开发研究中仍不得不沿用着耗资耗时的“试验失败再试验”的模式。这种基本上依赖于试验的局面限制了脉动燃烧器的应用开发和其优越性的发挥。所以，脉动燃烧器机理的研究成为近十年来的研究焦点。在脉动燃烧驱动机理的研究中，以及在相关领域中的燃烧不稳定性研究中，已经发现了不少常见的脉动燃烧驱动机理，简介如下：（1 ）燃料和空气供应系统的流量脉动 在一定条件下，燃烧室内周期性的压力变化会导致进入燃烧室的空气和燃料流量的周期性变化，因而造成燃烧室内空气/燃料混合比的周期性变化，最终形成周期性的燃烧放热过程。如果这个燃烧放热

38、过程满足瑞利准则所规定的与压力脉动之间的关系，它将为气流脉动提供机械能量，激励和维持这一脉动。这样，就形成一个封闭的反馈环。这一机理能否形成，取决于空气和燃料供应管路系统对燃烧室压力脉动的响应特性。（2）由于速度脉动造成对燃烧室周期性加热 液体和固体燃料的燃烧，要求燃料在于空气混合、反应之前进行加热和蒸发。在一定条件下，燃料暴露在脉动的速度场之中，可能导致对燃烧的周期性加热和蒸发，因而造成周期性的热释放率。（3）周期性的火焰面积变化 当预混型火焰建立在一个脉动的流场中时，会产生火焰前锋面的变化。火焰锋面的面积大小标志着反应区尺寸的大小和放热率的大小。如果火焰面积周期性的变化与压力脉动之间建立起

39、适当的相位关系，就可能支持气流的压力脉动。以上介绍的仅仅是可能产生周期性燃烧过程和脉动的热释放机理的一些例子。被发现可以导致热释放脉动的还有不少过程，例如液体燃料的破粹雾化过程；流场中涡脱落过程；局部的空气/燃料组分变化；压力脉动对化学动力学的影响等。在脉动燃烧驱动机理的研究中，人们发现，不同类型和结构的脉动燃烧器存在着驱动机理。就是对某一具体的脉动燃烧器而言，往往同时存在着多个反馈环，多个驱动机理，其中一个起着主导作用，并控制或影响着其他的起辅助作用的反馈环。3.4.5 脉动燃烧的优点与缺点脉动燃烧的优点 脉动燃烧技术与基于稳态燃烧的常温燃烧技术相比，有它独特的，不可比拟的优越性。这种优越性

40、不仅表现在脉动燃烧器本身，而且当脉动燃烧器应用于工农业生产领域时，它又带来使用常规燃烧器不可能得到的更大优点。表1-8显示了稳态燃烧和脉动燃烧的比较。从表1-8可以看出，相对于常规稳态燃烧，脉动燃烧器具有以下优点。表1-8 稳态燃烧和脉动燃烧的比较 过程参数稳态燃烧脉脉动燃烧过程参数稳态燃烧脉脉动燃烧燃烧强度/（）10010001000050000烟气中NOx浓度/（mg/m3）10070002070燃烧效率80969099噪声/dB85100110130化学原因导致的未安全燃烧/%0301对流热传递系数/W/（m2k）50100100500机械原因导致的未安全燃烧/%01505反应时间/s1

41、100.010.5燃烧室温度/K2000250015002000过量空气系数1.011.21.001.01烟气中CO浓度/%0201燃烧强度高达10倍。脉动燃烧器中特有的强烈气流脉动极大地改善了燃料和空气之间、冷的反应物和热的燃烧产物之间的混合、传热和传质过程，从而大幅度地提高了燃烧的强度。实验研究的文献资料和脉动燃烧器产品的性能资料的报道的数据表明，脉动燃烧器的燃烧强度可以达到，而在稳态燃烧的常规燃烧器中，燃烧强度最大只能达到。这一优点为在体积较小的燃烧装置中产生较大的燃烧能量提供了可能性和现实性。燃烧效率高（额外空气量消耗少）。再燃用气体燃料的各种脉动燃烧器中，只要过量空气系数（余气系数）

42、稍大于1.0，便可以达到近似于100%的燃烧效率，在其燃烧产物中CO的含量只有2050ppm（ppm是没百万份中所占的分数。）在以重油为燃料时，在过量空气系数为1.05的条件下，其燃烧效率就可以达到90%以上。只需极低的过量空气系数这一优点对于功率很大，燃用重油及煤的燃烧装置尤为重要，既可以节省大量的鼓风耗能又减少设备投资。提高热质传递速率23倍。在脉动燃烧器中，从燃烧产物到室壁的传热率很高。由于脉动燃烧器中的压力脉动和速度脉动，自动的提供了强烈的强制对流换热，在常规稳态燃烧器内通常存在的自然对流换热相比，达到很高的换热强度和换热效率。在常规稳态燃烧器中，单位面积的换热强度最高可达到50100

43、 KW/m2，而在脉动燃烧器中，单位面积的换热强度可超过350KW/m2。由此，脉动燃烧器中高强度燃烧所放出的能量得以通过壁面迅速传出。这样，便可以把燃烧装置的体积减小，节约大量的材料，也为用户节省了大量的空间。图1-24 脉动燃烧器污染物排放水平和燃烧器功率及尾气温度之间的关系减少污染物 （尤其NOx、CO和灰分）约23.脉动燃烧器内的强烈气流脉动改善了燃烧器内的混合过程，达到了很高的燃烧效率，也就减少了燃烧产物的中未燃完的碳氢化合物的含量、烟尘和CO的生成量，由于脉动燃烧器中燃烧放热是周期性的，加之从燃烧器壁面向外的传热性能极好，所以造成较低的燃烧室温度，使NOx的生成量大幅度减少，如以天

44、然气为燃料的脉动燃烧器，在不采用任何降低NOx的生成量的措施的情况下，NOx的排放量只有2070ppm；在采用某些降低NOx的生成量措施之后，NOx的排放量可以降低到只有57ppm。图1-24显示了脉动燃烧器污染物排放水平和燃烧器功率及尾气温度之间的关系。提高热效率40%之多。对基于稳态燃烧的常规燃烧器，它不能自行排出燃烧产物，必须用烟囱利用浮力才能把燃烧后的废气排走，或者用排风机把它们抽走。据美国能源部（DOE）的统计资料，平均有30%40%左右的热能随排放的烟气从烟囱带走，排放到大气中浪费掉。一定的排烟温度是烟囱的工作原理所必须的。而且过量空气越多，损失的能量的比例越大。排风机的使用允许降

45、低排烟温度，但增加设备的投资和运行电源消耗。脉动燃烧器的工作原理决定了它具有自行排气的功能，可以自动排除燃烧产物，而不必像常规稳态燃烧器那样，用烟囱排烟。由于脉动燃烧器的良好的热传递性能和较低的过量空气特性，在燃烧器出口处的排气温度可以降低接近环境温度，从而使其总的热效率提高到95%的水平，可以大幅度的节约燃料，降低操作成本。脉动燃烧器派出的高速脉动尾气流还可以清理尾管内壁的烟尘，具有自净作用。另一方面，脉动燃烧器大部分具有自吸功能，也就是不需要鼓风机，能自行吸入燃料及供燃烧用的空气。这一优点可使脉动燃烧器在运行中节省大量的鼓风机送风所需要的能量及鼓风机设备投资。结构简单，体积小。 脉动燃烧器

46、除单向阀之外，几乎没有运动部件，因此生产投资及制造成本是很低廉的。l 脉动燃烧应用中可能遇到的问题 在脉动燃烧应用中，可能会碰到两方面的问题，一个是噪声问题，一个是振动问题。（1）噪声问题 虽然从脉动燃烧器原理上看，在尾管出口平面的压力脉动振幅应为零，但在实际燃烧器中会有一定的声能量从这里辐射出来，通过空气和燃料各自的入口单向阀也会向外辐射声能，对周围造成噪声污染。脉动燃烧器产生的噪声可超过120dB。图1-25显示了脉动燃烧器附近的噪声大小分布。通过下列措施，可以有效的降低脉动燃烧器产生的噪声。图1-25 脉动燃烧器附近的噪声大小分布 耦合两个或多个脉动燃烧器，使它们工作在反相状态，从而使噪

47、声波各自抵消，降低噪声； 在尾管出口和空气燃料进口使用去耦器或消声装置； 在尾管出口和空气燃料进口与环境隔离，从而降低整体噪声。（2） 振动问题 由于脉动燃烧器内的压力脉动会诱发装置系统组件的振动，对系统构件的强度、工作可靠性可能造成一定的影响。另一方面，当脉动燃烧器尾管连接应用装置（如干燥塔、焚化炉）时，干燥塔内进料状态、无料状态过程将对脉动燃烧器操作产生影响，使其偏离最优工作状态，有时可能造成停机。 3.5 强化传热技术在工业生产中占有重要地位的换热器作为能量传递的基础设备，其传热性能的好坏对节能有着极其重要意义。强化传热是提高换热器综合效率、降低其寿命周期费用的有效措施。20世纪70年代

48、初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热强化技术的迅猛发展。要节能降耗，提高工业生产的经济效益，必须研究各种传热过程的强化问题，开发适用不同过程工业要求的强化传热结构及高效换热设备，这不仅是现代工业发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的迫切任务。换热器的强化传热就是通过改变影响传热过程的各种因素力求使换热器在单位时间内，单位传热面积上传递最多的热量。强化传热研究的主要目的是提高热量传递过程的速率，力图达到以最经济的设备(重量小、体积小、成本低)来完成规定传递的热量或在设备规模相同的情况下能更快更多地传递热量，用最高的热效率来实现能源的合理利用。强化传热技术分为被动式强化技

49、术(亦称为无功技术或无源强化技术)和主动式强化技术(亦称为有功技术或有源强化技术) 。前者是指除了介质输送功率外不需要消耗额外动力的技术；后者是指需要加入额外动力以达到强化传热目的的技术 。3.5.1被动式强化传热技术 1处理表面包括对表面粗糙度的小尺度改变和对表面进行连续或不连续的涂层。可通过烧结、机械加工和电化学腐蚀等方法将传热表面处理成多孔表面或锯齿形表面，如开槽、模压、碾压、轧制、滚花、疏水涂层和多孔涂层等。此种处理表面的粗糙度达不到影响单相流体传热的高度，通常用于强化沸腾传热和冷凝传热。 2粗糙表面该方法已发展出很多构形，包括从随机的沙粒型粗糙表面到带有离散的凸起物(粗糙元)的粗糙表

50、面。通常，可通过机械加工、碾轧和电化学腐蚀等方法制作粗糙表面。粗糙表面主要是通过促进近壁区流体的湍流强度、阻隔边界层连续发展减小层流底层的厚度来降低热阻，而不是靠增大传热面积来达到强化传热的目的，主要用于强化单相流体的传热，对沸腾和冷凝过程有一定的强化作用。基于粗糙表面技术开发出的多种异形强化传热管在工业生产中的应用颇为广泛，包括有：螺旋槽管、旋流管、缩放管、波纹管、针翅管、横纹槽管、强化冷凝传热的锯齿形翅片管和花瓣形翅片管、强化沸腾传热的高效沸腾传热管以及螺旋扭曲管等。3扩展表面该方法已在很多换热器中得到了常规应用。如翅片管等非传统的扩展表面的发展使传热系数有了很大的提高。其强化传热的机理主

51、要是此类扩展表面重塑了原始的传热表面，不仅增加了传热面积，而且打断了其边界层的连续发展，提高了扰动程度，增加了传热系数，从而能够强化传热，对层流换热和湍流换热都有显著的效果。因此，扩展表面法得到越来越广泛的应用，不仅用于传统的管壳式换热器管子结构的改进，而且也越来越多的应用于紧凑式换热器。目前已开发出了各种不同形式的扩展表面，如管外翅片和管内翅片(包括很多种结构形状，如平直翅片、齿轮形翅片、椭圆形翅片和波纹形翅片等) 、叉列短肋、波型翅多孔型、销钉型、低翅片管、太阳棒管、百叶窗翅及开孔百叶窗翅(多在紧凑式换热器中使用)等。 4扰流装置把扰流装置放置在流道内能改变近壁区的流体流动，从而间接增强传

52、热表面处的能量传输，主要用于强制对流。管内插入物中有很多都属于这种扰流装置，如金属栅网、静态混合器及各式的环、盘或球等元件。5漩涡流装置包括很多不同的几何布置或管内插入物，如内置漩涡发生器、纽带插入物和带有螺旋形线圈的轴向芯体插入物。此类装置能增加流道长度并能产生旋转流动或(和)二次流，从而能增强流体的径向混合，促进流体速度分布和温度分布的均匀性，进而能够强化传热，主要用于增强强制对流传热，对层流换热的强化效果尤其显著。 6螺旋盘管其应用可提高换热器的紧凑度。它所产生的二次流能提高单相流体传热的传热系数，也能增强沸腾传热。 7表面张力装置包括利用相对较厚的芯吸材料或开槽表面来引导流体的流动，主

53、要用于沸腾和冷凝传热。芯吸作用常用在没有芯吸材料冷却介质就不能到达受热表面的情形，常见的如热管换热器；还对水中表面的沸腾换热强化非常有效。 8添加物包括用于液体体系的添加剂和用于气体体系的添加剂。液体中的添加剂包括用于单相流的固体粒子与气泡和用于沸腾系统的微量液体；气体中的添加剂包括液滴和固体粒子，可用于稀相(气固悬浮液)或密相(流化床) 。 9壳程强化壳程传热的强化包括两个方面：一是改变管子外形或在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热；二是改变壳程挡板或管间支撑物的形式，尽可能消除壳程流动与传热的滞留死区，尽可能减少甚至消除横流成分，增强或完全变为纵向流。传统的管壳式换热器，

54、通常采用单弓形折流板，其阻力大、死角多、易诱发流体诱导振动等弊端已严重影响换热器传热效率，对工业生产和应用造成相当大的影响。据此，近年研究出了许多新的壳程支撑结构，有效弥补了单弓形折流板支撑物的不足，如双弓形折流板、三弓形折流板、螺旋形折流板、整圆形折流板(包括大管孔、小圆孔、矩形孔、梅花孔和网状整圆形折流板) 、窗口不排管、波网支撑、折流杆式、空心环式、管子自支撑(包括刺孔膜片式、螺旋扁管式和变截面管式) 、扭曲管和混合管束换热器式以及德国GR IM2MA公司制造的纵流管束换热器 2 等。3.5.2 主动式强化传热技术1机械搅动包括用机械方法搅动流体、旋转传热表面和表面刮削。带有旋转的换热器

55、管道的装置目前已用于商业应用。表面刮削广泛应用于化学过程工业中黏性流体的批量处理，如高黏度的塑料和气体的流动，其典型代表为刮面式换热器，广泛用于食品工业。 2表面振动无论是高频率还是低频率振动，都主要用于增强单相流体传热。其机理是振动增强了流体的扰动，从而使传热得以强化。虽然振动本身对强化传热有不小的贡献，但激发振动所需从外界输入的能量可能会得不偿失。为此，山东大学研究表明，可利用流体诱导振动来强化传热，依靠水流本身激发传热元件振动，会消耗很少的能量。利用流体诱导振动强化传热既能提高对流传热系数，同时又能降低污垢热阻，即实现了所谓的复合式强化传热 2 。3流体振动由于换热设备一般质量很大，表面

56、振动这种方法难以应用，然后就出现了流体振动，该方法是振动强化中最实用的一种类型。所使用的振荡发生器从扰流器到压电转换器，振动范围大约从脉动的1 Hz到超声波的106 Hz。主要用于单相流体的强化传热。 4静电场可以通过很多不同的方法将静电场作用于介电流体。总体来说，静电场可以使传热_表面附近的流体产生较大的主体混合，从而使传热强化。静电场还可以和磁场联合使用来形成强制对流或电磁泵。静止流体中加足够强度静电场所形成的电晕风能在一定条件下强化单相流体的传热。如日本Mizushina以空气为工质研究环形通道内电晕风对强制对流的影响，分别得到了存在电晕风时的努塞尔准数及阻力系数与雷诺数的关系曲线及经验

57、公式。5喷射包括通过多孔的传热表面向流动液体中喷射气体，或向上游传热部分喷注类似的流体。 6抽吸包括在核态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的受热表面移走蒸汽和在单相流中通过受热表面排出液体。有研究预测，抽吸能大大提高层流流动和湍流流动的换热系数，其中能大大增强湍流对流换热已被Aggarwal等人证实。两个或两个以上这些传热强化技术可以复合使用，从而达到比仅仅使用一种技术更好的强化传热效果，这种复合使用被称为复合式强化传热技术。如在内翅管或粗糙管中插入纽带插入物，带有声波振动的粗糙柱面，在流化床中使用翅片管，带有振动的外翅管，加有电场的气固悬浮液以及有空气脉动的流化床等。但须注意的是，并不是每两个或多个单个强化技术任意复合都能产生比单个强化技术更好的传热强化效果，比如有研究表明，带有内翅的螺旋盘管的平均努塞尔准数要低于普通的螺旋盘管。必须经过实践检验才能确认其对传热强化的有效性，获得最佳的强化传热效果。3.5.3 纳米流体强化传热技术传统的强化传热技术强化了换热面两侧的对流换热，使得传统传热工质(如水、油、醇等) 的低传热效能成为影响换热器高效紧凑性的一个主要热阻。因此，研制导热系数高、传热性能好的高效新型传热工质成为当前强化传热技术的一个主要途径。在液体中添加金属、非金属或聚合