蜂窩狀陶瓷蓄熱式熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、 40“節(jié)能”與“環(huán)保 ”不僅是舉世矚目的熱點(diǎn)問題,也 是我國工業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中的重點(diǎn)。近幾十年來,我 國鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展。在鋼鐵企業(yè),一方面對優(yōu)質(zhì)燃料 的需求與日俱增,而另一方面高爐的副產(chǎn)品高爐煤 氣因熱值低,沒有合適的用戶而被大量放散。這不僅造 成了燃料的大量浪費(fèi), 而且嚴(yán)重污染了環(huán)境。 90年代初, 新型蓄熱式熱交換器技術(shù)的發(fā)展,為高爐煤氣的合理利 用開辟了新的途徑。新型蓄熱式熱交換器的作用是利用蓄熱再生原理, 將 熱工設(shè)備高溫?zé)煔獾挠酂峄厥蘸?再返還給助燃空氣或 煤氣,達(dá)到:(1高效回收廢氣余熱,熱回收率達(dá) 85%以上; (2高溫預(yù)熱助燃空氣或煤氣(預(yù)熱溫度達(dá) 8001000 。因此

2、,高爐煤氣被直接應(yīng)用于工業(yè)加熱。由于國內(nèi) 生產(chǎn)條件和設(shè)備裝備水平等限制,蓄熱式熱交換技術(shù)在 應(yīng)用上還存在著下列問題:(1 對蜂窩狀蓄熱體的熱交換機(jī)理缺乏深入研究, 蓄 熱器的設(shè)計(jì)缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù),蓄熱器設(shè)計(jì)過分龐大, 不僅給蓄熱器的安裝、維護(hù)以及加熱爐設(shè)計(jì)和操作帶來 困難,而且造成蓄熱體材料的巨大浪費(fèi);(2 設(shè)計(jì)參數(shù)不準(zhǔn)確,造成燃燒不穩(wěn)定導(dǎo)致燃料的 不完全燃燒;(3 蓄熱體材料的研究不足,造成蓄熱體材料使用壽命極短,給生產(chǎn)和操作帶來極大的不便。蓄熱換熱的熱交換原理起源于 20世紀(jì)的二三十年 代。最完善的研究成果是 20世紀(jì)豪森的蓄熱式熱交換 理論。 應(yīng)用于高爐熱風(fēng)爐及玻璃窯等蓄熱器。由于其基

3、 于大型格子磚的傳熱機(jī)理, 研究成果僅適用于大型格子 磚蓄熱器及熱風(fēng)爐, 蓄熱器的體積龐大。而目前的新型 蓄熱器通常采用壁厚只有 12mm 甚至更薄的蜂窩狀 陶瓷作為蓄熱體, 體積只有幾個(gè)立方米最大也不過十幾 立方米。 僅傳熱機(jī)理的變化, 過去研究結(jié)果和計(jì)算方法 已經(jīng)不再適用。 在國內(nèi)方面, 只有為數(shù)不多的關(guān)于蓄熱 式熱交換器的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬外, 致于理論研究更 少。本文作者,近幾年來一直從事陶瓷球蓄熱體的熱交 換機(jī)理和工程應(yīng)用研究, 用混合擴(kuò)散中心對稱模型 (Dis-persion-Concentric Model (D-C 模型描述了球型填充 床蓄熱器熱交換過程, 利用拉普拉斯變換求解

4、以及 Hermit 多項(xiàng)式變換,導(dǎo)出了熱交換器內(nèi)部的溫度分布特征,及 特征表達(dá)式, 同時(shí)導(dǎo)出了該類熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 本研究的目的是根據(jù)新型(球體填充床蓄熱式熱交換 器已取得的研究成果,對蜂窩狀蓄熱式熱交換器的傳熱 過程和熱交換特性進(jìn)行進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究,為蓄 熱式熱交換器(蜂窩狀蓄熱體的設(shè)計(jì)及工程實(shí)際應(yīng)用 提供準(zhǔn)確可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)和工程應(yīng)用參數(shù),為蓄熱式熱 交換器的進(jìn)一步研究提供理論和參考依據(jù)。1蜂窩陶瓷蓄熱器與陶瓷球蓄熱器的傳熱類比分析本研究針對蜂窩陶瓷蓄熱式熱交換器內(nèi)的溫度分布蜂窩狀陶瓷蓄熱式熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算李朝祥,周靈敏,吳承勇,郭威(安徽工業(yè)大學(xué),安徽 馬鞍山 243002

5、摘要:依據(jù)填充球蓄熱體傳熱的數(shù)學(xué)解析方法,經(jīng)傳熱分析和類比,導(dǎo)出蜂窩狀陶瓷蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,類推得到的蜂窩狀陶瓷蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法具有較高的精度, 可以很好地滿足工程應(yīng)用的需要, 為蜂窩狀陶瓷蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算提 供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:蜂窩陶瓷;蓄熱式熱交換器;設(shè)計(jì)計(jì)算方法 中圖分類號:TF066.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-1639(2006 06-0040-02The Design Calculation of the Regenerative Heat Exchanger with the Ceramics HoneycombLI Chao-xiang ,

6、 ZHOU Ling-min , WU Cheng-yong , GUO Wei(Anhui University of Technology, Ma anshan 243002, China Abstract:Thedesign calculation method of the regenerative heat exchanger with the ceramics honeycomb was derived by heat transfer analysingand analoging according to the mathematic analytic transformatio

7、n of heat transfer in spheric packed bed regenerative heat exchanger. The re-sults of experiment show that the calculation method of the design of the regenerative heat exchanger with the ceramics honeycomb is accurate and satisfying the need of practice.Key words:the ceramics honeycomb ; regenerati

8、ve heat exchanger ; design calculation method收稿日期:2006-07-26;修回日期:2006-09-07作者簡介:李朝祥 (1963- ,男,安徽全椒人,博士,安徽工業(yè)大學(xué)教授 . 41進(jìn)行了的數(shù)值模擬,結(jié)果表明蜂窩狀陶瓷蓄熱器內(nèi)蓄熱 體、冷熱介質(zhì)在熱交換器內(nèi)沿長度方向隨時(shí)間的分布關(guān) 系與陶瓷球蓄熱體熱交換器具有類似的分布特征 。 通過 兩者在熱交換機(jī)理上分析可以得出同樣的結(jié)論。在熱交換器的工作過程中,如果高溫介質(zhì)一定時(shí)間 帶入熱交換器的熱量與進(jìn)入熱交換器的介質(zhì)和蓄熱體完 成熱交換的熱量相當(dāng),那么此時(shí)的熱交換器具有較高的 換熱效率,如圖 1所示。

9、圖 1 熱交換器內(nèi)傳熱分析示意圖由圖 1 可以看出,不論是蜂窩陶瓷還是蓄熱球,在 同一個(gè)工作周期中,只有當(dāng)高溫介質(zhì)帶入熱交換器的熱 量與蓄熱體傳給被預(yù)熱介質(zhì)的熱量相當(dāng)時(shí),熱交換器才 有較高的效率。高溫介質(zhì)與蓄熱體之間完成的熱交換量, 主要取決于高溫介質(zhì)與蓄熱體的溫差以及兩者之間的換熱能力即對流換熱系數(shù)與換熱面積的乘積 。而當(dāng)蓄 熱體的比表面積相當(dāng)大時(shí),高溫介質(zhì)帶入熱交換器的熱 量又一定, 則對流換熱系數(shù)來說, 換熱面積是決定熱交換量的主要因素; 從另外一個(gè)角度看, 蓄 熱體的貯熱量必須與熱交換量相當(dāng),在同樣的溫差水平 條件下,材質(zhì)不變時(shí)主要是需要有一定的體積。由此看來,如果兩者具有相同的結(jié)構(gòu)參

10、數(shù)即相同的 比表面積,那么在相同堆積體積的條件下,就會具有相 同的換熱效果。本文的指導(dǎo)思想就是基于相同的比表面 積,利用已經(jīng)得出的蓄熱球的熱交換傳熱分析關(guān)系式 , 類推到蜂窩狀陶瓷蓄熱器,從球狀蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方 法類推出蜂窩陶瓷蓄熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。定義:蓄熱體的比表面積蓄熱體的堆積體積為此, 將一定結(jié)構(gòu)形狀的蜂窩陶瓷折合成等空隙率、 等比表面積的當(dāng)量球體。然后沿用已經(jīng)得到的球形蓄熱 體表達(dá)式進(jìn)行類推,以獲得關(guān)于蜂窩狀蓄熱體的相應(yīng)參 數(shù)關(guān)系式。令一定結(jié)構(gòu)型式的蜂窩狀陶瓷蓄熱體的比表面積為 填充球的蓄熱器比表面積為填充球的體積=6(1p令兩者的比表面積相等,即令p =6( 1為蓄熱體的孔隙率。

11、這樣就把蜂窩狀陶瓷蓄熱體折算成等空隙率、等比 表面積且當(dāng)量直徑為3L L 6.25×f 3(1f p s(2 v m64f式中:f 為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);f 為介質(zhì)的比熱容;。 在得到熱交換器的特征流速后, 根據(jù)熱交換介質(zhì)的流量,便可計(jì)算出熱交換器的截面。這樣蜂 窩狀陶瓷蓄熱器的結(jié)構(gòu)尺寸便確定下來,最后完成熱交 換器的溫度效率、 熱效率以及冷熱介質(zhì)的出口溫度計(jì)算。計(jì)算方法見文獻(xiàn) 2。2蜂窩陶瓷蓄熱體設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)證為檢驗(yàn)推導(dǎo)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,對特定結(jié)構(gòu)參數(shù)的蜂窩陶瓷進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)驗(yàn) 所選擇的蜂窩狀陶瓷蓄熱體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 1。表 1蜂窩狀陶瓷蓄熱體的結(jié)構(gòu)參數(shù)蜂窩

12、體外形尺寸 /mm100×100×100單塊蜂窩體橫截面積孔數(shù) /個(gè)25×25蜂窩通孔尺寸(通孔邊長1折合孔隙率s =2020.0kg/m3;蓄熱體的比熱容W/(m 。實(shí)驗(yàn)及部分計(jì)算結(jié)果見表 2。 42電爐變壓器是電爐系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備,要求它在 運(yùn)行中有較高的可靠性。因此,每一臺電爐主回路上均 應(yīng)裝有過電流保護(hù),以限制故障和不正常工作狀態(tài)所引 起的后果,當(dāng)故障來臨時(shí)及時(shí)斷開電源電壓。電爐變壓器的運(yùn)行短路保護(hù)繼電器裝設(shè)在變壓器的 低壓側(cè),采用反時(shí)限式過電流繼電器。該種繼電器是兩 個(gè)繼電器的組合體:延時(shí)動(dòng)作的感應(yīng)式繼電器和瞬時(shí)動(dòng) 作的電磁式繼電器。前者作為運(yùn)行短路保

13、護(hù)用,它根據(jù) 煉鋼電弧爐變壓器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 當(dāng)運(yùn)行短路電流整定在 3倍 額定電流、 持續(xù)時(shí)間達(dá)到 6s 時(shí), 應(yīng)將變壓器從線路上切 斷。后者作為故障短路用。故障短路保護(hù)繼電器均裝設(shè)在電爐變壓器的高壓 側(cè),采用定時(shí)限過電流繼電器。當(dāng)發(fā)生故障短路時(shí),應(yīng)在最短時(shí)間將變壓器從線路上切斷, 可避免更為嚴(yán)重的 后果產(chǎn)生。故障短路切斷時(shí)間決定于保護(hù)繼電器的觸 點(diǎn)接通和高壓斷路器跳閘所需要的時(shí)間,此時(shí)間約在 0.10.9s 范圍內(nèi) 。另一方面,當(dāng)電爐在工作過程中,特別是在爐料熔 化期,電弧放電間隙經(jīng)常變化,這將必然導(dǎo)致輸入功率 的變化,從而破壞了工藝規(guī)范。調(diào)節(jié)電弧爐功率的最普 通方法是采取移動(dòng)電極位置來改變電弧

14、長度的方法。因 此,電弧爐每相必須配備電極升降自動(dòng)調(diào)節(jié)器,它的任 務(wù)是使電弧功率保持一定數(shù)值。通過以上分析可知, 電爐主回路需要以下 3種電流 信號:電爐變壓器高壓側(cè)電流故障短路保護(hù)繼電器信 號, 低壓側(cè)電流運(yùn)行短路保護(hù)繼電器信號和電極自動(dòng)調(diào) 節(jié)器信號。 由于爐變高低壓電流都很大,所以用電流互 感器將其變換到一個(gè)固定的較低值(如為 5A 或 1A , 以便標(biāo)準(zhǔn)化的配置繼電器和儀表, 并對操作人員提供安 全保證。電弧爐電極電流的一種測量方法張懋魯(長春三鼎變壓器有限公司,吉林長春 130052摘要:介紹了直調(diào)式電爐變壓器二次線電流的測量方法,電流互感器在電爐變壓器上的聯(lián)結(jié)和安裝方式。闡述了采用電

15、流變換器的必要性,并詳細(xì)地推導(dǎo)了電流變換器變流比的計(jì)算方法。 關(guān)鍵詞:電弧爐;電極;測量 中圖分類號:TM924.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1002-1639(2006 06-0042-05A Measuring Method of Electrode Current for Electric-arc Furnace ZHANG Mao-lu(Changchun SanDing Transformer Co. Ltd., Changchun 130052, China Abstract:Measuring method of secondary line current of directly adjusted arc furnace transformer is introduced connection and installation mode of current transformer on arc furnace transformer is also discussed. This article represented the ne