熱工_第三章_蓄熱室原理及設(shè)計

1、第三章 余熱回收原理及設(shè)計第一節(jié) 換熱器原理第二節(jié) 蓄熱室原理及設(shè)計第一節(jié) 換熱器一、換熱器的類型 及使用范圍二、陶質(zhì)換熱器三、改善換熱器工作的途徑一、換熱器的類型及使用范圍 凡能將熱能有效地從高溫載熱流體通過器壁傳向低溫受熱流體的設(shè)備，都稱之為換熱器。 （一）類型 根據(jù)煙氣與空氣的流動方向： 順流式、逆流式、錯流式等。 根據(jù)換熱器構(gòu)造材料： 陶質(zhì)與金屬換熱器兩類。圖3-1。常用的陶質(zhì)換熱器：由粘土質(zhì)（少數(shù)用鋯剛玉質(zhì)或碳化硅質(zhì)）耐火材料砌成。為筒形磚立式換熱器，圖3-1a為筒形磚臥式換熱器，圖3-1b用標(biāo)形磚砌的風(fēng)火道形式的換熱器等，例如坩堝方爐的換熱器。常用的金屬換熱器：圖3-2根據(jù)使用溫度

2、不同，用各種耐熱鑄鐵或合金鋼材料制成，其結(jié)構(gòu)型式以及連接方式較多。輻射式金屬換熱器（圖3-2a）流式金屬換熱器（圖3-2b）同心空氣管式換熱器（圖3-2C）（二）幾種換熱器的特點及適用范圍順逆流換熱器：逆流式的空氣預(yù)熱溫度最高，而順流式的器壁溫度最低。因此，從傳熱觀點看，換熱器以逆流形式為好，但對于要求器壁溫度不能過高的某些金屬換熱器來說，則有時采用順流式，或者也可采用順流逆流聯(lián)合形式。 金屬換熱器：優(yōu)點：傳熱系數(shù)大；氣密性好；能獲得較高的空氣出口壓強(qiáng)；結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械強(qiáng)度高等。缺點：材料耐高溫耐侵蝕性能較差，因而限制了它的使用溫度和壽命（目前使用的一般空氣預(yù)熱溫度700以下。 陶質(zhì)換熱器：優(yōu)點

3、：可用于較高溫度（空氣預(yù)熱溫度9001100），缺點：氣密性差（漏風(fēng)量甚至達(dá)煙氣量的2030）如綜合傳熱系數(shù)、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)緊湊等方面也都不如前者。表3-l列出換熱器綜合傳熱系數(shù)的一般數(shù)據(jù)。 玻璃熔窯上使用換熱器（陶質(zhì)）：優(yōu)點：空氣預(yù)熱溫度穩(wěn)定；不需換向設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。辉靸r較低；操作簡單。缺點：空氣預(yù)熱溫度較低；由于氣密性問題，一般不用于預(yù)熱煤氣。目前在大中型玻璃窯上很少采用換熱器。而小型熔窯上則能顯示出它的優(yōu)越二、陶質(zhì)換熱器（一）陶質(zhì)換熱器的結(jié)構(gòu)型式（二）陶質(zhì)換熱器的設(shè)計計算 （一）陶質(zhì)換熱器的結(jié)構(gòu)型式兩類：筒形磚 標(biāo)形磚 兩者比較（1） 壁厚：筒形磚器壁厚度一般為20mm，管壁較薄

4、熱阻較小，故綜合傳熱系數(shù)較大，表3-1。標(biāo)形磚器壁厚度最小為65mm。（2）單位體積換熱面積：筒形磚6122/3，換熱面積較大；標(biāo)形磚352/3 。（3）氣密性：筒形磚好些；標(biāo)形磚差。（4）空氣預(yù)熱溫度：筒形磚8001100；標(biāo)形磚600800。（5）造價：筒形磚價貴，阻力較大，易堵，且清灰不慎易漏氣。筒形磚形狀：圓形、六角形、方形（俗稱金子磚）等圓形、六角形、方形（俗稱金子磚）等管件之間有用接板連接，或?qū)⒐芗旧碜龀山涌诘模▓D35）。六角形單位體積的換熱面積最大，砌筑穩(wěn)定性最好，應(yīng)用最普遍。圓形的熱穩(wěn)定性較好，需豎放。筒形磚換熱器又有立式、臥式之分。筒形磚換熱器又有立式、臥式之分。立式是指筒

5、形磚豎直排放，煙氣自上而下流過筒形磚內(nèi)壁，空氣則在壁外作水平曲折流動，其總的方向是自下而上。表3-1 兩者比較，立式的優(yōu)點：（1）煙氣豎直流動過程中阻力較小。不易堵。（2）因有重力作用，管件間的氣密性較好。（3）單位體積中換熱面積較大?？諝馑角哿鲃?，熱交換情況較好。立式砌筑的缺點：砌體較高，砌筑難度大；空氣道阻力較大，往往需用低壓鼓風(fēng)。目前較少采用立式。 標(biāo)形磚換熱器大多為臥式。標(biāo)形磚換熱器大多為臥式。在標(biāo)形磚砌風(fēng)火道式換熱器內(nèi)，風(fēng)（空氣）、火（煙氣）流程：風(fēng)火各翻幾番，每番有幾層。確定風(fēng)火流程的原則是：風(fēng)要包火，換熱效果要好（例如盡量用逆流、換熱面積盡量大，氣流阻力要小，易砌筑，易清掃。

6、（二）陶質(zhì)換熱器的設(shè)計計算換熱器計算的目的在于：（1）確定所需的換熱面積，從而決定換熱器主要尺寸； （2）確定壁面溫度，以便選擇材料；（3）確定空氣側(cè)及煙氣側(cè)阻力，以便選擇風(fēng)機(jī)或計算煙囪高度。確定換熱比表面積：確定換熱比表面積：每平方米池窯熔化部面積或坩堝窯窯底面積占有的換熱表面積，即換熱表面積熔化部液面面積，單位是m2m2） ，見表32。確定所需的總換熱表面積確定所需的總換熱表面積確定所需管件數(shù)目（由換熱面積和選擇的風(fēng)火流程、結(jié)構(gòu)和管件形式），確定換熱器尺寸：確定換熱器尺寸：（換熱器寬度、換熱器高度、換熱器長度）。 三、改善換熱器工作的途徑1、提高煙氣對空氣的傳熱，（1）選擇導(dǎo)熱系數(shù)較大的材

7、質(zhì)，以減小內(nèi)熱阻。例如采用碳化硅質(zhì)管件代替粘土質(zhì)管件（1000 時，碳化硅為9.311.6W/m，而粘土土磚為1.163.49 W/m），不僅大大提高傳熱能力，而且其強(qiáng)度和耐高溫性能也都得到改善，但造價高。（2）采用耐高溫的合金鋼材料，提高煙氣進(jìn)換熱器的溫度，從而提高換熱器的傳熱能力。（3）減小陶質(zhì)換熱器器壁厚度，減小內(nèi)熱阻，提高傳熱能力，并能減小換熱器體積。（4）及時清除器壁積灰，以減少因煙氣中的油煙、炭黑等，造成傳熱能力的減弱。（5）增加空氣流速，提高器壁對空氣的對流換熱。（6）在空氣中摻入少量煙氣或蒸汽，以增加器壁對空氣的輻射換熱能力。（7）在換熱器設(shè)計中，采用間接加熱面的結(jié)構(gòu)，提高對空

8、氣的換熱能力。圖3-3 （8）器壁上加肋片等，在不增加換熱器體積的情況下可增加換熱面積。（9）在煙氣通過中心加芯子或增設(shè)旋渦裝置等，使氣流產(chǎn)生旋渦增加傳熱，使煙氣靠向器壁流過而有利于傳熱。（10）減少換熱器外壁熱損失，加強(qiáng)保溫。（11）改善換熱器內(nèi)氣流分布，提高氣流分布均勻程度，以充分利用換熱面積。 2、為延長金屬換熱器的使用壽命，在設(shè)計中設(shè)法提高空氣流速以降低器壁溫度提高空氣流速以降低器壁溫度。在操作中嚴(yán)格控制煙氣進(jìn)入換熱器的溫度。當(dāng)煙氣溫度過高時，可用水冷卻或通入冷空氣的辦法。 3、為解決陶質(zhì)換熱器漏風(fēng)問題，在設(shè)計時采用帶子母扣（也叫掉頭）的預(yù)制器件帶子母扣（也叫掉頭）的預(yù)制器件以減少接縫

9、漏風(fēng)。在砌筑時高溫段采用磷酸鹽泥漿以提高強(qiáng)度，減少漏風(fēng)。在操作中盡可能減小空氣道與煙氣道之間的壓強(qiáng)差。第二節(jié) 蓄熱室一、工作原理二、蓄熱室的結(jié)構(gòu)設(shè)計三、蓄熱室的計算 四、提高蓄熱室效率的途徑 一、工作原理 1、換熱過程 圖3-11與換熱器的區(qū)別：換熱室內(nèi)氣流方向方向不變蓄熱室中氣體流動的方向周期性的改變氣體流動的方向周期性的改變，蓄熱室是周期性工作的換熱設(shè)備。2、換熱原理由于每個周期中煙氣、格子磚、空氣或煤氣的溫度都隨時間而變，故屬于不穩(wěn)定溫度場，蓄熱室內(nèi)的傳熱過程屬于不穩(wěn)定傳熱屬于不穩(wěn)定傳熱。圖313、圖314，圖315。三者平均溫度在整個周期內(nèi)都不隨時間而變化，且符合逆流換熱器的溫度分布規(guī)

10、律，用逆流式換熱器對蓄熱室、進(jìn)行傳熱分析。用逆流式換熱器對蓄熱室、進(jìn)行傳熱分析。蓄熱室內(nèi)的傳熱方式包括蓄熱室內(nèi)的傳熱方式包括：煙氣對格子磚的輻射和對流換熱。格子磚內(nèi)部的傳導(dǎo)傳熱格子磚向空氣或煤氣的對流及輻射換熱。3、換向時間對預(yù)熱溫度的影響當(dāng)加熱期開始后格子磚溫度急劇上升格子體上部逐漸為熱量所為熱量所“飽和飽和”吸熱能力逐漸減小離開蓄熱室的煙氣溫度開始上煙氣溫度開始上升升，煙氣留在蓄熱室內(nèi)的熱量逐漸減少格子磚愈來愈少地參加熱交換，其熱效率相應(yīng)降低。 結(jié)論：加熱期和冷卻期的時間都不宜過長。但時間加熱期和冷卻期的時間都不宜過長。但時間太短，造成換向過于頻繁，熱量損失增加，太短，造成換向過于頻繁，熱

11、量損失增加，也不合理也不合理。一般來說，蓄熱室的相對熱效率與換向間隔時間之間有一個最有利的時間，其相對熱效率最高，對于玻璃熔容來說，目前多采用2030min4、氣流均勻分布的意義及措施格子體內(nèi)氣體通道橫斷面上的氣流分布均勻程度，對于改善傳熱和提高換熱效率具有重要意義。氣流分布均勻程度越高，則格子體氣流分布均勻程度越高，則格子體越能充分地參加熱交換，因而氣體預(yù)熱溫度越能充分地參加熱交換，因而氣體預(yù)熱溫度越高，煙氣離蓄熱室溫度越低越高，煙氣離蓄熱室溫度越低。措施：（1）氣流方向應(yīng)符合氣體垂直分流法則垂直分流法則。（2）氣流入口情況入口通道的方向、位置垂直差、側(cè)面好，圖3-16垂直通道斷面大小通道小

12、差，大好入口到格子體頂面的距離近差，遠(yuǎn)好，（3）上方通道形式有通道：上方通道形式斜后墻好，直后墻差 圖3-18a無上升通道：取消了垂直通道取消了垂直通道箱式蓄熱室（圖3-18b，廣泛使用于馬蹄焰和橫焰窯上）箱式蓄熱室優(yōu)點：箱式蓄熱室優(yōu)點：氣流分布均勻；不必增加外外形尺寸就可增加了格子體體積；減少沿途溫降和散熱；周期內(nèi)氣體溫度變化?。粴饬髯枇π。豢諝忸A(yù)熱溫度提高，熱效率高。（4）蓄熱室橫斷面的大小斷面尺寸大不均勻，即：瘦高形均勻（但通道阻力大）（5）通道的阻力和堵塞情況爐條孔的寬度、通道內(nèi)飛料和積灰以及格子體損壞倒塌等都使阻力增大、使氣流的分布不均勻。5、蓄熱室內(nèi)的壓力情況：影響空氣吸入量及外壁

13、漏風(fēng)量關(guān)系到氣體預(yù)熱溫度、煙囪抽力及到達(dá)小爐口的空氣量等等。自然通風(fēng)的窯：足夠的蓄熱室高度即能增多格子體量，又能產(chǎn)生足夠的幾何壓頭，使空氣達(dá)到足夠流速和流量。 二、蓄熱室的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計要求：1）工藝要求：滿足熔化工藝所需溫度的要求，預(yù)熱溫度高且度穩(wěn)定；2）經(jīng)濟(jì)要求：蓄熱室應(yīng)有較高的換熱效率，充分回收煙氣余熱，減少氣體流動阻力和占地面積，3）結(jié)構(gòu)要求：有足夠的強(qiáng)度，特別是高溫下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；4）操作要求：便于調(diào)節(jié)流量、清掃和熱修。1、蓄熱室的結(jié)構(gòu)常用的立式蓄熱室的結(jié)構(gòu)立式蓄熱室的結(jié)構(gòu) 圖320空氣、煤氣煙道（扒灰坑）爐條碹格子體上部空間（垂直通道）空氣、煤氣入口（碹頂）2、格子體和格子磚（1）格子

14、體的排列方式 西門子式 李赫特式 連續(xù)通道式 編籃式等 圖321（2）格子體的特性指標(biāo) 表3-7 圖3-22格子體受熱表面：格子體受熱表面：每立方米格子體中所具有的受熱表面積的大小。此值愈大，說明在滿足同樣的熱負(fù)荷的情況下，格子體體積可以縮小。填充系數(shù)：填充系數(shù)：每立方米格子體內(nèi)磚材的體積。此值愈大，說明格子體的蓄熱能力愈大，因而被預(yù)熱氣體在二個周期內(nèi)的溫度波動較小。格子作的通道截面積：格子作的通道截面積：每平方米格子體橫截面上氣體通道的截面積。此值愈大，說明氣體在格子體內(nèi)的流速較低，流動阻力較小。通道截面積大時、單位體積受熱面積減小，填充通道截面積大時、單位體積受熱面積減小，填充系系數(shù)也減小

15、；數(shù)也減小；如果格孔尺寸和通道截面積愈小，則受熱面積和填充系數(shù)愈大，但氣流阻力也增大。因此要綜合考慮幾項指標(biāo)來確定格孔尺寸。表38為幾種排列方式的性能特點比較。傳熱方面：李赫特式優(yōu)于西門子式操作方面：李赫特式易堵塞，又難于清掃，熱修換格子跨時砌筑較復(fù)雜，用于熱負(fù)荷較的中、小型蓄熱式窯上以及大型窯的空氣蓄熱室。而煤氣蓄熱、熱修次數(shù)較多的大型橫焰窯，目前多采用簡單的西門子式。（3）格子磚格子磚的材質(zhì)，如密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)及耐高溫抗腐蝕性能都影響到換熱效果和使用壽命。標(biāo)型磚，標(biāo)型磚， （23011465）標(biāo)型大磚搭砌。圖3-21格子磚的厚度應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度和蓄熱能力。過厚時，磚中心部分不參加換熱，

16、經(jīng)試驗40mm的磚厚最適宜，我國常用的是65mm。異形格子磚異形格子磚波形磚波形磚 見附加圖十字形磚十字形磚，圖3-24，由法國最先研制，用電熔鋯剛玉材質(zhì)制成。壁厚40mm，格孔有140mmX140mm、170mmX170mm。優(yōu)點：單位體積磚格的受熱表面大，流通比大，單位體積的格子磚重量輕、穩(wěn)固性好，因而可提高熱回收率，不易堵，氣流阻力小，基本上不需維修。其技術(shù)性能見表39。筒形磚筒形磚，圖3-25由英國研制，采用鋯剛玉質(zhì)（電熔或燒結(jié)）、粘土質(zhì)制成。壁厚40mm，格孔140mmX140mm、或160mmX160mm。優(yōu)點：具有和十字形格子磚相同的優(yōu)點。它還優(yōu)于十字形格子磚，磚形單一，搭砌方便

17、，穩(wěn)固性更好，并且可搭成閉式（封閉垂直通道或者和標(biāo)型磚組合搭成開式（各通道間可相通），較靈活，便于檢修。所以我國逐步推廣使用筒形磚。3、蓄熱室的形式1）根據(jù)氣流方向的不同，有立式與臥式立式與臥式之分，如圖326所示。兩者比較：立式蓄熱室內(nèi)氣流阻力小，可用于自然通風(fēng)的熔窯，氣流分市也較均勻，且格子磚熱修方便，所以采用的比較普遍。臥式蓄熱室氣體分層現(xiàn)象較嚴(yán)重，阻力也較大，需要機(jī)械通風(fēng)。2）連通式與分隔式 表3-103）煙道分隔式又稱半分隔式煙道分隔式又稱半分隔式，圖327結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征：蓄熱室相通，支煙道和總煙分隔；支煙道上閘板調(diào)節(jié)各蓄熱室的排煙量和空氣供給量廢氣和空氣分別換向。性能特點性能特點

18、：增大了換熱面積；氣流分布均勻；空氣預(yù)熱溫度提高；熱回收率提高。使用特點：煙道分隔式蓄熱室的應(yīng)用正在逐步推廣。也稱超級煙道超級煙道。4）單通道與多通道，見圖 328多通道即將原單一通道分割成數(shù)段。一般用雙通道與三通道。常以雙通道居多?？稍诓辉黾訌S房高度下擴(kuò)大換熱面積。蓄熱室的利用率和熱回收率有所提高，還改善了熱修條件，蓄熱室的整體壽命也稍有延長。但相應(yīng)的氣流阻力會增大、煙囪要加高。較合適的是雙通道蓄熱室。4、蓄熱室與小爐部位的連接方式，垂直通道式、直后墻、斜后墻、流線型后墻、箱式蓄熱室 圖3-18、19三、蓄熱室的計算（一）理論計算 蓄熱室的計算國的與換熱器相同，主要是確定所需的傳熱面積，從而確定蓄熱室