热工蓄热室原理及设计

第三章余热回收原理及设计第一节换热器原理第二节蓄热室原理及设计第一节换热器一、换热器的类型及使用范围二、陶质换热器三、改善换热器工作的途径一、换热器的类型及使用范围凡能将热能有效地从高温载热流体通过器壁传向低温受热流体的设备，都称之为换热器。（一）类型根据烟气与空气的流动方向：顺流式、逆流式、错流式等。根据换热器构造材料：陶质与金属换热器两类。图3-1。常用的陶质换热器：由粘土质（少数用锆刚玉质或碳化硅质）耐火材料砌成。为筒形砖立式换热器，图3-1a为筒形砖卧式换热器，图3-1b用标形砖砌的风火道形式的换热器等，例如坩埚方炉的换热器。常用的金属换热器：图3-2根据使用温度不同，用各种耐热铸铁或合金钢材料制成，其结构型式以及连接方式较多。辐射式金属换热器（图3-2a）流式金属换热器（图3-2b）同心空气管式换热器（图3-2C）（二）几种换热器的特点及适用范围顺逆流换热器：逆流式的空气预热温度最高，而顺流式的器壁温度最低。因此，从传热观点看，换热器以逆流形式为好，但对于要求器壁温度不能过高的某些金属换热器来说，则有时采用顺流式，或者也可采用顺流逆流联合形式。•金属换热器：优点：传热系数大；气密性好；能获得较高的空气出口压强；结构紧凑、机械强度高等。缺点：材料耐高温耐侵蚀性能较差，因而限制了它的使用温度和寿命（目前使用的一般空气预热温度700℃以下。•陶质换热器：优点：可用于较高温度（空气预热温度900～1100℃），缺点：气密性差（漏风量甚至达烟气量的20％～30％）如综合传热系数、强度和结构紧凑等方面也都不如前者。表3-l列出换热器综合传热系数的一般数据。•玻璃熔窑上使用换热器（陶质）：优点：空气预热温度稳定；不需换向设备，结构紧凑，占地面积小；造价较低；操作简单。缺点：空气预热温度较低；由于气密性问题，一般不用于预热煤气。目前在大中型玻璃窑上很少采用换热器。而小型熔窑上则能显示出它的优越二、陶质换热器（一）陶质换热器的结构型式（二）陶质换热器的设计计算•（一）陶质换热器的结构型式两类：筒形砖标形砖两者比较（1）壁厚：筒形砖器壁厚度一般为20mm，管壁较薄热阻较小，故综合传热系数较大，表3-1。标形砖器壁厚度最小为65mm。（2）单位体积换热面积：筒形砖6～12ｍ2/ｍ3，换热面积较大；标形砖3～5ｍ2/ｍ3。（3）气密性：筒形砖好些；标形砖差。（4）空气预热温度：筒形砖800～1100℃；标形砖600～800℃。（5）造价：筒形砖价贵，阻力较大，易堵，且清灰不慎易漏气。筒形砖形状：圆形、六角形、方形（俗称金子砖）等管件之间有用接板连接，或将管件本身做成接口的（图3－5）。六角形单位体积的换热面积最大，砌筑稳定性最好，应用最普遍。圆形的热稳定性较好，需竖放。筒形砖换热器又有立式、卧式之分。立式是指筒形砖竖直排放，烟气自上而下流过筒形砖内壁，空气则在壁外作水平曲折流动，其总的方向是自下而上。表3-1•两者比较，立式的优点：（1）烟气竖直流动过程中阻力较小。不易堵。（2）因有重力作用，管件间的气密性较好。（3）单位体积中换热面积较大。空气水平曲折流动，热交换情况较好。立式砌筑的缺点：砌体较高，砌筑难度大；空气道阻力较大，往往需用低压鼓风。目前较少采用立式。•标形砖换热器大多为卧式。在标形砖砌风火道式换热器内，风（空气）、火（烟气）流程：风火各翻几番，每番有几层。确定风火流程的原则是：风要包火，换热效果要好（例如尽量用逆流、换热面积尽量大，气流阻力要小，易砌筑，易清扫。（二）陶质换热器的设计计算换热器计算的目的在于：（1）确定所需的换热面积，从而决定换热器主要尺寸；（2）确定壁面温度，以便选择材料；（3）确定空气侧及烟气侧阻力，以便选择风机或计算烟囱高度。确定换热比表面积：每平方米池窑熔化部面积或坩埚窑窑底面积占有的换热表面积，即换热表面积／熔化部液面面积，单位是m2／m2），见表3－2。确定所需的总换热表面积确定所需管件数目（由换热面积和选择的风火流程、结构和管件形式），确定换热器尺寸：（换热器宽度、换热器高度、换热器长度）。三、改善换热器工作的途径1、提高烟气对空气的传热，（1）选择导热系数较大的材质，以减小内热阻。例如采用碳化硅质管件代替粘土质管件（1000℃时，碳化硅为9.3～11.6W/m·℃，而粘土土砖为1.16～3.49W/m·℃），不仅大大提高传热能力，而且其强度和耐高温性能也都得到改善，但造价高。（2）采用耐高温的合金钢材料，提高烟气进换热器的温度，从而提高换热器的传热能力。（3）减小陶质换热器器壁厚度，减小内热阻，提高传热能力，并能减小换热器体积。（4）及时清除器壁积灰，以减少因烟气中的油烟、炭黑等，造成传热能力的减弱。（5）增加空气流速，提高器壁对空气的对流换热。（6）在空气中掺入少量烟气或蒸汽，以增加器壁对空气的辐射换热能力。（7）在换热器设计中，采用间接加热面的结构，提高对空气的换热能力。图3-3（8）器壁上加肋片等，在不增加换热器体积的情况下可增加换热面积。（9）在烟气通过中心加芯子或增设旋涡装置等，使气流产生旋涡增加传热，使烟气靠向器壁流过而有利于传热。（10）减少换热器外壁热损失，加强保温。（11）改善换热器内气流分布，提高气流分布均匀程度，以充分利用换热面积。2、为延长金属换热器的使用寿命，在设计中设法提高空气流速以降低器壁温度。在操作中严格控制烟气进入换热器的温度。当烟气温度过高时，可用水冷却或通入冷空气的办法。3、为解决陶质换热器漏风问题，在设计时采用带子母扣（也叫掉头）的预制器件以减少接缝漏风。在砌筑时高温段采用磷酸盐泥浆以提高强度，减少漏风。在操作中尽可能减小空气道与烟气道之间的压强差。第二节蓄热室一、工作原理二、蓄热室的结构设计三、蓄热室的计算四、提高蓄热室效率的途径一、工作原理1、换热过程图3-11与换热器的区别：换热室内气流方向方向不变蓄热室中气体流动的方向周期性的改变，蓄热室是周期性工作的换热设备。2、换热原理由于每个周期中烟气、格子砖、空气或煤气的温度都随时间而变，故属于不稳定温度场，蓄热室内的传热过程属于不稳定传热。图3－13、图3－14，图3－15。三者平均温度在整个周期内都不随时间而变化，且符合逆流换热器的温度分布规律，用逆流式换热器对蓄热室、进行传热分析。蓄热室内的传热方式包括：烟气对格子砖的辐射和对流换热。格子砖内部的传导传热格子砖向空气或煤气的对流及辐射换热。3、换向时间对预热温度的影响当加热期开始后—格子砖温度急剧上升—格子体上部逐渐为热量所“饱和”—吸热能力逐渐减小—离开蓄热室的烟气温度开始上升，烟气留在蓄热室内的热量逐渐减少—格子砖愈来愈少地参加热交换，其热效率相应降低。•结论：加热期和冷却期的时间都不宜过长。但时间太短，造成换向过于频繁，热量损失增加，也不合理。一般来说，蓄热室的相对热效率与换向间隔时间之间有一个最有利的时间，其相对热效率最高，对于玻璃熔容来说，目前多采用20～30min4、气流均匀分布的意义及措施格子体内气体通道横断面上的气流分布均匀程度，对于改善传热和提高换热效率具有重要意义。气流分布均匀程度越高，则格子体越能充分地参加热交换，因而气体预热温度越高，烟气离蓄热室温度越低。措施：（1）气流方向应符合气体垂直分流法则。（2）气流入口情况入口通道的方向、位置——垂直差、侧面好，图3-16垂直通道断面大小——通道小差，大好入口到格子体顶面的距离——近差，远好，（3）上方通道形式有通道：上方通道形式——斜后墙好，直后墙差图3-18a无上升通道：取消了垂直通道——箱式蓄热室（图3-18b，广泛使用于马蹄焰和横焰窑上）箱式蓄热室优点：气流分布均匀；不必增加外外形尺寸就可增加了格子体体积；减少沿途温降和散热；周期内气体温度变化小；气流阻力小；空气预热温度提高，热效率高。（4）蓄热室横断面的大小断面尺寸大不均匀，即：瘦高形均匀（但通道阻力大）（5）通道的阻力和堵塞情况炉条孔的宽度、通道内飞料和积灰以及格子体损坏倒塌等都使阻力增大、使气流的分布不均匀。5、蓄热室内的压力情况：影响空气吸入量及外壁漏风量—关系到气体预热温度、烟囱抽力及到达小炉口的空气量等等。自然通风的窑：足够的蓄热室高度即能增多格子体量，又能产生足够的几何压头，使空气达到足够流速和流量。二、蓄热室的结构设计设计要求：1）工艺要求：满足熔化工艺所需温度的要求，预热温度高且度稳定；2）经济要求：蓄热室应有较高的换热效率，充分回收烟气余热，减少气体流动阻力和占地面积，3）结构要求：有足够的强度，特别是高温下的结构强度；4）操作要求：便于调节流量、清扫和热修。1、蓄热室的结构常用的立式蓄热室的结构图3－20空气、煤气烟道（扒灰坑）—炉条碹—格子体—上部空间——（垂直通道）空气、煤气入口（碹顶）2、格子体和格子砖（1）格子体的排列方式西门子式李赫特式连续通道式编篮式等图3－21（2）格子体的特性指标表3-7图3-22格子体受热表面：每立方米格子体中所具有的受热表面积的大小。此值愈大，说明在满足同样的热负荷的情况下，格子体体积可以缩小。填充系数：每立方米格子体内砖材的体积。此值愈大，说明格子体的蓄热能力愈大，因而被预热气体在二个周期内的温度波动较小。格子作的通道截面积：每平方米格子体横截面上气体通道的截面积。此值愈大，说明气体在格子体内的流速较低，流动阻力较小。通道截面积大时、单位体积受热面积减小，填充系数也减小；如果格孔尺寸和通道截面积愈小，则受热面积和填充系数愈大，但气流阻力也增大。因此要综合考虑几项指标来确定格孔尺寸。表3－8为几种排列方式的性能特点比较。传热方面：李赫特式优于西门子式操作方面：李赫特式易堵塞，又难于清扫，热修换格子跨时砌筑较复杂，用于热负荷较的中、小型蓄热式窑上以及大型窑的空气蓄热室。而煤气蓄热、热修次数较多的大型横焰窑，目前多采用简单的西门子式。（3）格子砖格子砖的材质，如密度、比热、导热系数及耐高温抗腐蚀性能都影响到换热效果和使用寿命。标型砖，（230×114×65）标型大砖搭砌。图3-21格子砖的厚度应保证足够的强度和蓄热能力。过厚时，砖中心部分不参加换热，经试验40mm的砖厚最适宜，我国常用的是65mm。异形格子砖波形砖见附加图十字形砖，图3-24，由法国最先研制，用电熔锆刚玉材质制成。壁厚40mm，格孔有140mmX140mm、170mmX170mm。优点：单位体积砖格的受热表面大，流通比大，单位体积的格子砖重量轻、稳固性好，因而可提高热回收率，不易堵，气流阻力小，基本上不需维修。其技术性能见表3－9。筒形砖，图3-25由英国研制，采用锆刚玉质（电熔或烧结）、粘土质制成。壁厚40mm，格孔140mmX140mm、或160mmX160mm。优点：具有和十字形格子砖相同的优点。它还优于十字形格子砖，砖形单一，搭砌方便，稳固性更好，并且可搭成闭式（封闭垂直通道或者和标型砖组合搭成开式（各通道间可相通），较灵活，便于检修。所以我国逐步推广使用筒形砖。3、蓄热室的形式1）根据气流方向的不同，有立式与卧式之分，如图3－26所示。两者比较：立式蓄热室内气流阻力小，可用于自然通风的熔窑，气流分市也较均匀，且格子砖热修方便，所以采用的比较普遍。卧式蓄热室气体分层现象较严重，阻力也较大，需要机械通风。2）连通式与分隔式表3-103）烟道分隔式又称半分隔式，图3－27结构特征：蓄热室相通，支烟道和总烟分隔；支烟道上闸板调节各蓄热室的排烟量和空气供给量废气和空气分别换向。性能特点：增大了换热面积；气流分布均匀；空气预热温度提高；热回收率提高。使用特点：烟道分隔式蓄热室的应用正在逐步推广。也称超级烟道。4）单通道与多通道，见图3－28多通道即将原单一通道分割成数段。一般用双通道与三通道。常以双通道居多。可在不增加厂房高度下扩大换热面积。蓄热室的利用率和热回收率有所提高，还改善了热修条件，蓄热室的整体寿命也稍有延长。但相应的气流阻力会增大、烟囱要加高。较合适的是双通道蓄热室。4、蓄热室与小炉部位的连接方式，垂直通道式、直后墙、斜后墙、流线型后墙、箱式蓄热室图3-18、19三、蓄热室的计算