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5 蓄熱式熱交換器,★蓄熱式熱交換器中，冷、熱流體交替地流過(guò)同一固體傳熱面及其所形成的通道，依靠構(gòu)成傳熱面物體的熱容作用 (吸熱或放熱)，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體之間的熱交換。 ★與間壁式熱交換器相比，雖都有固體傳熱面，但間壁式中，熱量是在同一時(shí)刻通過(guò)固體壁由一側(cè)熱流體傳遞給另一側(cè)的冷流體。 與直接接觸式相比，差別更為明顯，因?yàn)樾顭崾街胁皇峭ㄟ^(guò)冷、熱流體的直接混合來(lái)?yè)Q熱的。 ★蓄熱式熱交換器常用于流量大的氣氣熱交換場(chǎng)合，如動(dòng)力、硅酸鹽、石油化工等工業(yè)中的余熱利用和廢熱回收等方面。,5.1.1 回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器,圖5.1 轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)型空氣預(yù)熱器 1轉(zhuǎn)子；2轉(zhuǎn)子的中心軸；3環(huán)形長(zhǎng)齒條；4主動(dòng)齒輪；5煙氣入口； 6煙氣出口；7空氣入口；8空氣出口；9徑向隔板；10過(guò)渡區(qū)；11密封裝置,回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器主要由圓筒形蓄熱體 (常稱轉(zhuǎn)子)及風(fēng)罩兩部分組成。它又分為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)型和外殼回轉(zhuǎn)型。轉(zhuǎn)子就是一個(gè)蓄熱體。,圖5.2 蓄熱板結(jié)構(gòu)圖,圖5.3為外殼回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器，它由上下回轉(zhuǎn)風(fēng)罩、傳動(dòng)裝置、蓄熱體、密封裝置、煙道和風(fēng)道構(gòu)成；一端為8字形，另一端為圓柱形的兩個(gè)風(fēng)罩蓋在定子的上下兩個(gè)端面上，其安裝方位相同，并且同步繞軸旋轉(zhuǎn)。,圖5.3 風(fēng)罩旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)型空氣預(yù)熱器 1空氣出口；2空氣入口；3煙氣出口；4回轉(zhuǎn)風(fēng)罩；5隔板；6煙氣入口,5.1.2 閥門切換型蓄熱式熱交換器,圖5.4 閥門切換型蓄熱式熱交換器工作原理圖 圖5.5 蓄熱室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,蓄熱室中蓄熱體大多由耐火磚砌成的格子磚構(gòu)成。為連續(xù)運(yùn)行，都具有兩個(gè)蓄熱室。這種閥門切換型常用于玻璃窯爐，冶金工業(yè)中高爐的熱風(fēng)爐。,圖5.6 閥門切換型熱交換器用于玻璃窯爐示意圖,5.2 蓄熱式熱交換器與間壁式熱交換器的比較蓄熱式中的熱交換是依靠蓄熱物質(zhì)的熱容量及冷、 熱流體通道周期性地交替，使得蓄熱式熱交換器中 傳熱面及流體溫度的變化具有一定的特點(diǎn)。 特點(diǎn)一：蓄熱材料的壁面溫度在整個(gè)工作周期中不斷變化，而且加熱期的變化與冷卻期的變化情況也不相同。同時(shí)，除了在熱交換器的冷、熱氣體進(jìn)口處之外，冷、熱氣體的溫度還隨時(shí)間而變化。 特點(diǎn)二：蓄熱材料和流體溫度變化具有周期性，即每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期這些溫度變化又重復(fù)一次。,圖5.8 蓄熱式熱交換器中氣流及蓄熱材料的溫度變化,圖5.9 逆流下的間壁式和蓄熱式熱交換器,氣體1所放出的熱量：Q1=M1cp1(t′1 – t″1) 氣體2所吸收的熱量：Q2=M2cp2(t″1 – t′2) 忽略熱損失，間壁式氣體1、2間熱平衡：M1cp1(t′1 – t″1)=M2cp2 (t″2 – t′2) (5.1) 對(duì)蓄熱式，氣體1所放出的熱量：Q1=M1cp1(t′1,m– t″1,m)氣體2所吸收的熱量：Q2=M2cp2(t″2,m– t′2,m) 忽略對(duì)外熱損失，熱平衡：M1cp1(t′1,m– t″1,m)=M2cp2(t″2,m– t′2,m) (5.2),(a) 假想間壁式換熱 (b) 蓄熱式換熱 圖5.10 蓄熱式及假想間壁式熱交換器中的傳熱過(guò)程,設(shè)傳熱面積為 F，循環(huán) 周期為 τ0 (加熱時(shí)間 τ1， 冷卻時(shí)間 τ2 )， 可得蓄熱傳熱量：Q=KF(t1,m – t2,m)τ0 J (5.3) t1,m、t2,m—熱、冷流體平均溫度，℃,傳熱量Q可由熱氣體1與蓄熱體間對(duì)流換熱量表示：Q=α1F (t1 – tw1)dτ =α1F(t1,m– tw1,m)τ1 J (5.4) 或可由冷氣體2與蓄熱體間對(duì)流換熱量來(lái)表示：Q=α2F (tw2 – t2)dτ=α2F(tw2,m – t2,m)τ2 J (5.5) 綜合以上三式可得蓄熱式熱交換器的傳熱系數(shù)：W/(m2·℃) (5.6)如τ1=τ2，則：W/(m2·℃) (5.7),,,設(shè)有一間壁式熱交換器，傳熱面積為F，但冷氣體及熱氣體各占一半，熱氣體的平均溫度為t1,m，冷氣體的平均溫度為 t2,m 則在時(shí)間 τ0內(nèi)該間壁式熱交換器的傳熱量：Q=KF(t1,m – t2,m)τ0， J (5.8) 而熱氣體的放熱量為：Q=α1F/2(t1,m – tw1,m)τ0, J (5.9) 冷氣體的吸熱量為：Q=α2 F/2(tw2,m – t2,m)τ0, J (5.10) 如忽略壁面熱阻，即 tw1,m= tw2,m，得：,,W/(m2·℃) (5.11),比較式(5.3)與(5.8)及(5.7)與(5.11)可見(jiàn)，由于 加熱與冷卻過(guò)程的平均傳熱壁溫不相等，使得 其他條件相同時(shí)，蓄熱式熱交換器的傳熱量?jī)H 為間壁式熱交換器的 倍。稱它為考慮非穩(wěn)定換熱影響的系數(shù)—Cn。 由于傳熱表面溫度不穩(wěn)定而產(chǎn)生的。由圖5.8(b)， 當(dāng)換熱周期 τ0→0時(shí)，曲線 tw1與 tw2 將變成同一 直線，因而 tw1,m= tw2,m，此時(shí)Cn為1。,,與間壁式熱交換器相比，蓄熱式熱交換器在結(jié)構(gòu)方面有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 緊湊性很高。采用20~50目金屬網(wǎng)板作蓄熱體時(shí)，每m3容積可容納的傳熱面積為2296~6560 m2。而間壁式，即使緊湊性最高的板翅式熱交換器一般只有2000 m2/m3左右。 單位傳熱面積的價(jià)格要比間壁式便宜得多，而且易于采用耐腐蝕、耐高溫的材料(如陶瓷)作傳熱面。 有一定的自潔作用。因?yàn)橹芷谛缘厥艿綒怏w方向相反流動(dòng)，并且傳熱面上積灰較易自動(dòng)去除。,與間壁式相比，蓄熱式主要缺點(diǎn)：同一蓄熱體交替地作為冷、熱氣體的通道和受熱面，勢(shì)必導(dǎo)致一通道中的氣體帶入另一通道。兩氣體通道間的密封不嚴(yán)，將會(huì)造成冷、熱氣體之間某種程度的混合。在閥門切換型中，也會(huì)由于閥門的切換而使冷、熱氣體之間有不同程度的混合。 對(duì)于回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器來(lái)說(shuō)，密封問(wèn)題比較困難，因而會(huì)造成較大的漏風(fēng)，特別是在高溫和低溫氣體之間壓差很大時(shí)。例如，在回轉(zhuǎn)型空氣預(yù)熱器中，空氣向煙氣中的泄漏量約占流過(guò)的空氣量的5%~10%。,5.3 蓄熱式熱交換器傳熱設(shè)計(jì)計(jì)算特點(diǎn) 由于蓄熱式熱交換器始終處于不穩(wěn)定傳熱工況下工作，換熱流體或傳熱面的溫度都隨時(shí)間和位置而變化，所以傳熱系數(shù)和傳熱量也隨時(shí)間而變。 為解決這一困難，在計(jì)算中常把加熱期和冷卻期合在一起作為一個(gè)循環(huán)周期來(lái)考慮，即傳熱系數(shù)為一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的平均值。這樣，就可以像普通間壁式熱交換器那樣進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。,5.3.1 傳熱系數(shù) 對(duì)回轉(zhuǎn)型蓄熱式熱交換器，基于式(5.7)同時(shí)還應(yīng)考慮煙氣、空氣沖刷轉(zhuǎn)子的份額不同 (一般煙氣沖刷占180°，空氣沖刷占120°，過(guò)渡區(qū)為2×30°)及蓄熱板表面積灰等因素，傳熱系數(shù)為：W/(m2·℃) (5.12)ε—綜合考慮煙氣對(duì)蓄熱板表面灰污以及 煙氣和空氣 對(duì)傳熱面未能沖刷完全及漏風(fēng)等因素對(duì)傳熱系數(shù)影響 的利用系數(shù)，一般，ε =0.8~0.9。,,Cn—考慮低轉(zhuǎn)速時(shí)不穩(wěn)定導(dǎo)熱影響的系數(shù)，其值主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)； x1、x2—分別為煙氣、空氣沖刷轉(zhuǎn)子的份額：式中：F、F1、F2—分別為總的、通過(guò)煙氣和空氣處的傳熱面積；f、f1、f2—分別為總的、煙氣和空氣的流通截面積。,,對(duì)閥門切換型，由于蓄熱體是格子磚，其蓄熱能力及磚表面與內(nèi)部溫度之差等對(duì)傳熱的影響較大，所以每周期傳熱系數(shù)表示為：J/(m2·℃周期) (5.13) 格子磚：C—平均比熱；γ—容重；δ—厚度； η—利用率；ξ—溫度變動(dòng)系數(shù)。 蓄熱室格子體上、下部溫差較大，在計(jì)算傳熱系數(shù)及對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)分別按格子體上部(熱端)和下部(冷端)來(lái)求取，再計(jì)算平均值：J/(m2·℃周期) (5.14) 式中：Kt、Kb—分別為上、下部的傳熱系數(shù)值； n—考慮上、下部傳熱系數(shù)差別的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù),,5.3.2 對(duì)流換熱系數(shù) 對(duì)回轉(zhuǎn)型：Nu=ARem Pr0.4Ct C1 (5.15) 式中：A—系數(shù)，因蓄熱板結(jié)構(gòu)不同而異；Ct—與蓄熱板壁溫及氣流溫度有關(guān)的系數(shù)。煙氣被冷卻Ct =1，空氣被加熱Ct=(T/Tb)0.5，式中T為流過(guò)氣體的溫度，Tb為蓄熱板壁溫；C1—考慮蓄熱板通道長(zhǎng)度與其當(dāng)量直徑比值的修正系數(shù)，當(dāng)l /de≥50時(shí)，C1=1.0。 ＊用式(5.15)計(jì)算時(shí)，定型尺寸為蓄熱板通道的當(dāng)量直徑，定性溫度為流過(guò)氣體的平均溫度。,對(duì)閥門切換型：式中：B—系數(shù)，因格子體結(jié)構(gòu)不同而異；de—格孔的當(dāng)量直徑，m；Wmax—折算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體在最小截面處流速，Nm/(m2·s)；φ—與溫度有關(guān)的校正系數(shù)。,,W/(m2·℃) (5.16),由于煙氣溫度高，對(duì)于煙氣與格子磚間換熱 除了包含對(duì)流換熱外同時(shí)應(yīng)考慮輻射換熱， 即采用復(fù)合換熱系數(shù)：α1, t = α1, tc +α1, tr (5.17a)α1, b = α1, bc +α1, br (5.17b) 對(duì)于空氣與格子磚間換熱則僅考慮對(duì)流換熱：α2, t = α2, tc (5.18a)α2, b = α2, bc (5.18b) 這樣，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)可求總傳熱系數(shù) K。,5.3.3 傳熱面積 對(duì)回轉(zhuǎn)型，傳熱面積F的計(jì)算常與所消耗的 燃料量聯(lián)系起來(lái)：m2 (5.19) 式中：Bj —燃料消耗量，kg/h；Q—1kg燃料所產(chǎn)生的 煙氣量(包括漏風(fēng)量)在空氣預(yù)熱器中放出的熱量，J/kg。 對(duì)閥門切換型，傳熱面積：m2 (5.20) 式中：Q—每周期內(nèi)預(yù)熱氣體從格子體獲得的熱量，J/周期；ηp—預(yù)熱氣體從格子體獲得的熱量與煙氣在蓄熱室中所釋放的熱量之比。,,,,