蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的熱動態特性實驗研究

  摘　要:對高溫空氣燃燒技術中的關鍵設備———蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的熱動態特性進行了實驗測試。結果表明:蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的壓力損失隨著空氣流速以及蓄熱體長度的不同而變化,但總體上壓力損失并不大;四通換向閥的換向周期、蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的體積等是影響其溫度效率、熱回收率等熱性能的重要因素。
    關鍵詞:高溫空氣燃燒;蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器;熱動態特性
　　高溫空氣燃燒技術以其*的節能與環保兩大技術優勢,正日益受到國內外政府、學術界和企業界的廣泛關注[1～4]。高溫空氣燃燒技術主要包括兩項基本技術手段:一是燃燒所用的空氣極限地回收煙氣的顯熱,從而獲得高溫預熱空氣;二是對燃燒所用的預熱空氣中的含氧量進行稀釋,使燃料在貧氧的條件下進行燃燒。高溫空氣燃燒的基本技術手段之一是利用具有熱性能的蜂窩狀陶瓷蓄熱體換熱器來對燃燒煙氣的顯熱進行回收,并對預熱空氣進行加熱進而產生高溫空氣。因此,對蜂窩型陶瓷蓄熱體換熱器的熱動態特性進行研究與分析就顯得重要和迫切,國內外的學者和技術人員對此問題也有研究[5～7],但均不夠細致和深入。鑒于此,本文在大型高溫空氣燃燒實驗臺上對不同長度的蜂窩型陶瓷蓄熱體換熱器的熱動態特性進行了實驗測試。
    1　實驗臺的設計
    本次實驗是在中國船舶工業總公司上海711研究所熱能工程部所建的一座工業性大型實驗臺上進行的,其結構簡圖如圖1所示。
    實驗臺為長3.5ｍ、寬3ｍ、高2ｍ的長方體,整個實驗臺由爐體、預熱系統、冷卻系統、平焰燃燒器、四通閥、蓄熱式換熱器、煙氣外循環管道和燃氣管道系統以及若干控制閥等組成。在實驗臺上安裝了ＣＣＤ火焰檢測系統、高溫熱流計、數字煙氣分析儀以及測溫熱電偶等測量儀器。高溫低氧燃燒系統,實質上是采用蓄熱體換熱器的燃燒裝置,但是它與傳統的蓄熱室式熱風爐又有一定的區別。對于一個標準的高溫低氧燃燒系統單元而言,它的燃燒器總是成對地交替工作,而燃燒器的空氣進口與排煙出口為同一通道。當左側燃燒器工作時,右側燃燒器處于排煙、蓄熱狀態。同理,當右側的燃燒器工作時,左側的燃燒器就處于排煙、蓄熱狀態?？刂葡到y進行切換操作,完成一個循環周期。這種新型燃燒器除了具備傳統的燃燒功能外,還具有換熱、排煙、進風的功能。
 
    在蓄熱式燒嘴中填充了堇青石材料制成的蜂窩狀空氣換熱器,作為對空氣進行預熱的裝置,其形狀如圖2所示。其比表面積為1667ｍ2/ｍ3,蜂窩孔的面積為2.25ｍｍ2,可以根據需要來填充不同的長度和體積。本文主要討論該裝置在動態運行時的熱物理性質。
    2　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的壓力損失
    壓力損失是陶瓷蓄熱體換熱器的一個重要熱力參數,它的大小將影響到燃燒室進風的速度、流量和風機功率的選擇。本文通過對不同長度的蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器在不同的進風速度的條件下壓力損失的測試,得到了如圖3的測試圖線。由圖3可以看出:蓄熱體的壓力損失與蓄熱體的長度及進風的風速有關。隨著空氣流速和蓄熱體長度的增加,其阻力均呈現出一定幅度的升高趨勢。在總體上看,空氣在蜂窩蓄熱體中流動所受到的阻力損失是比較小的。因此,在選用蜂窩型陶瓷蓄熱體換熱器時,可以根據燃燒爐的熱負荷等其它方面的因素來確定其長度和進風速度,而對其壓力損失方面則無需做太多的考慮。
    3　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的熱回收率
    在利用高溫空氣燃燒技術時,需要把預熱空氣加熱到比較高的溫度（如800～1000℃左右）,因此必須充分利用燃燒煙氣的顯熱,這就要求蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器有較高的熱回收率。本文通過對不同長度的蜂窩陶瓷蓄熱體在不同煙氣溫度下運行時的熱回收率進行了實驗測試,得到了不同長度蜂窩陶瓷蓄熱體的熱回收率與煙氣溫度之間的變化關系,
    蓄熱體越長（蓄熱體的體積越大）,蓄熱能力越大,對煙氣的熱回收率越高;當蓄熱體的長度一定時,煙氣的溫度越高,越接近蓄熱體材料的飽和溫度（堇青石材料的飽和溫度為1000℃左右）,蓄熱體的蓄熱能力能得到充分的利用,預熱空氣的出口溫度也越容易接近煙氣溫度,從而實現高的熱回收率。
    4　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的溫度效率
    在高溫空氣燃燒過程中,采用蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的目的是為了得到溫度盡可能高的預熱空氣,也就是充分利用燃燒煙氣中的顯熱,使預熱空氣的出口溫度盡可能地接近煙氣溫度。本文把預熱空氣的出口溫度與煙氣進口溫度之比定義為蓄熱體換熱器的溫度效率,并對不同預熱空氣的切換時間、不同的蓄熱體長度（蓄熱體的橫截面積的大小只影響到所加熱的空氣量）的溫度效率進行了實驗測試,其結果如圖5所示。從圖5可以看出,當爐內的燃燒煙氣溫度一定時,蓄熱體的長度越長,其溫度效率也越高,這是因為較長蓄熱體的蓄熱能力較強,可以吸收更多煙氣中顯熱的緣故。同時,不論何種長度的蓄熱體,都存在一個*的預熱空氣切換時間,使得蓄熱體換熱器的溫度效率達到一個zui大值。圖5也顯示,隨著蓄熱體長度的減小,蓄熱體達到飽和溫度的時間縮短,*切換時間也縮短。這是因為,一定長度蓄熱體的蓄熱能力是一定的,當蓄熱體處于放熱狀態對預熱空氣進行加熱時,若切換時間過長,則隨著加熱時間的延長,其加熱能力將逐漸下降,從而導致了溫度效率的降低;若切換時間過短,則蓄熱體的蓄熱能力不能得到充分的利用,也使其溫度效率降低。因此,對于一臺給定熱負荷的燃燒爐而言,為了能在運行過程中獲得的節能效果,關鍵在于能否通過熱態測試手段來確定蓄熱體的長度與預熱空氣切換時間之間的關系。
 
    5　四通換向閥*換向時間的確定
    在高溫空氣燃燒的過程中,要持續得到高溫預熱空氣,需要一套四通換向閥與蜂窩陶瓷換熱器進行匹配。四通換向閥是高溫空氣燃燒系統中實現送風、空氣預熱和排煙功能轉換的關鍵設備。從圖5中可以得知,四通換向閥換向時間的設置將影響到蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的溫度效率。通過實驗測試,本文得到了長度為250ｍｍ的蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器分別在蓄熱和放熱過程時煙氣和預熱空氣的出口溫度隨時間變化的關系,如圖6所示。

    由圖6可見,蓄熱體在蓄熱過程中,煙氣進入蓄熱體后,熱量被蓄熱體大量地吸收,因此其出口溫度較低,為600℃左右。經過一定的時間以后,蓄熱體的蓄熱能力即達到飽和狀態（不同的蓄熱體材料、蓄熱體的體積和煙氣溫度,有不同的蓄熱飽和時間）,無法對煙氣的顯熱進行吸收,此后煙氣的出口溫度一直都維持在較高的水平上。而在蓄熱體的放熱過程中,預熱空氣進入蓄熱體后,大量吸收蓄熱體所儲存的熱量,其出口溫度比較高。隨著加熱過程的持續,蓄熱體的加熱能力減弱,所加熱煙氣的溫度也隨之降低。因此,綜合蓄熱體的蓄熱和放熱整個周期熱力性質的變化情況,在確定四通換向閥的換向時間時,要考慮到蓄熱體的蓄熱能力并盡可能得到較高的溫度效率和熱回收率,即較高的蓄熱溫度和較低的排煙溫度。從圖6中可以看出,蓄熱過程曲線與放熱曲線的交叉點是四通換向閥的*切換時間,對于長度為250ｍｍ的堇青石材料來說,是40ｓ左右。圖5也顯示了,當切換時間為40ｓ左右時,250ｍｍ長度堇青石材料的溫度效率zui高。同時實驗也表明,當煙氣溫度較低時,此時蓄熱體的蓄熱能力利用不足,熱交換時間較短,因而切換時間也要短于在高煙溫的情況。
    6　結論
    通過對蜂窩陶瓷蓄熱體的熱動態特性進行實驗測試和結果分析,得到如下結論:
    （1）蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的壓力損失較小,并且蓄熱體的長度越長,煙氣的溫度越高,其熱回收率也越高。這種熱物理性質使蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器十分適合在高溫空氣燃燒技術中使用。
    （2）預熱空氣四通換向閥切換時間的設定是能否得到較為理想的預熱空氣溫度的關鍵。不同的蓄熱體長度、煙氣溫度有著不同的*切換時間,必須通過實驗測試結果來設定。