热交换器原理与设计---第5章-蓄热式热交换器

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(t′1–t″1)☆气体2所吸收的热量：Q2=M2cp2(t″1–t′2)☆忽略热损失，间壁式气体1、2间热平衡：M1cp1(t′1–t″1)=M2cp2(t″2–t′2)(5.1)☆对蓄热式，气体1所放出的热量：Q1=M1cp1(t′1,m–t″1,m)气体2所吸收的热量：Q2=M2cp2(t″2,m–t′2,m)☆忽略对外热损失，热平衡：M1cp1(t′1,m–t″1,m)=M2cp2(t″2,m–t′2,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τ0(加热时间τ1，冷却时间τ2)，可得蓄热传热量：Q=KF(t1,m–t2,m)τ0J(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=α1F(t1–tw1)dτ=α1F(t1,m–tw1,m)τ1J(5.4)☆或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表示：Q=α2F(tw2–t2)dτ=α2F(tw2,m–t2,m)τ2J(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τ1=τ2，则：W/(m2·℃)(5.7)m2,m1,mw2,mw1,0220111111ttttττατταKm2,m1,mw2,mw1,211221ttttααK1τ02τ0☆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τ0内该间壁式热交换器的传热量：Q=KF(t1,m–t2,m)τ0，J(5.8)☆而热气体的放热量为：Q=α1F/2(t1,m–tw1,m)τ0,J(5.9)☆冷气体的吸热量为：Q=α2F/2(tw2,m–t2,m)τ0,J(5.10)☆如忽略壁面热阻，即tw1,m=tw2,m，得：21221ααK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τ0→0时，曲线tw1与tw2将变成同一直线，因而tw1,m=tw2,m，此时Cn为1。m2,m1,mw2,mw1,1tttt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20~50目金属网板作蓄热体时，每m3容积可容纳的传热面积为2296~6560m2。而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器一般只有2000m2/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2×30°)及蓄热板表面积灰等因素，传热系数为：W/(m2·℃)(5.12)ε—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，ε=0.8~0.9。2211n111αxαxCεK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。ffFFττxffFFττx2202211011☆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；γ—容重；δ—厚度；η—利用率；ξ—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1211γδηξCταταK2211nnKKKbt15.3.2对流换热系数☆对回转型：Nu=ARemPr0.4CtC1(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/de≥50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/(m2·s)；φ—与温度有关的校正系数。φdWBα0.33e0.5maxc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：α1,t=α1,tc+α1,tr(5.17a)α1,b=α1,bc+α1,br(5.17b)对于空气与格子砖间换热则仅考虑对流换热：α2,t=α2,tc(5.18a)α2,b=α2,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。5.3.3传热面积☆对回转型，传热面积F的计算常与所消耗的燃料量联系起来：m2(5.19)式中：Bj—燃料消耗量，kg/h；Q—1kg燃料所产生的烟气量(包括漏风量)在空气预热器中放出的热量，J/kg。☆对阀门切换型，传热面积：m2(5.20)式中：Q—每周期内预热气体从格子体获得的热量，J/周期；ηp—预热气体从格子体获得的热量与烟气在蓄热室中所释放的热量之比。c1m,jΔtKQBFppc1m,21ηηΔtKQF