蓄热体讲义

蓄热体讲义-----强大的热工知识

数值模拟假设条件

高温空气或煤气燃烧的蜂窝型蓄热体采用方孔蜂窝体砌筑而成。蓄热体的操作周期由加热期和冷却期组成，如图一所示，在加热期，流过格孔的高温烟气将热量传递给蜂窝体；在冷却期，低温的空气或煤气以相反的方向流过孔格并获得热量。在高温气体燃烧过程中，蓄热体及流体的温度周期性随时间而变化。

假设条件：各孔格内传热相同，忽略蓄热室内的辐射换热和热损失；流体的热物理性参数恒定不变；蓄热体具有各向同性热特型，其比热是一个关于温度的多项式；蓄热介质的表面积及质量分布均匀；烟气与空气或煤气的入口速度及温度在横截面上的分布均匀，且不随时间变化；不考虑空气与烟气物性的差异对蓄热体特性的影响。

蓄热体条件，壁厚0.5mm，蜂窝体单元间距3mm,蓄热体室长度为600mm，每相邻四个格孔的中心线围成一个正方形区域。以该区域和延蓄热室长度方向的三维空间的蓄热体作为计算。采用非均匀网格划分计算区域。

进口采用Dirichlet条件，直接设定进口速度，在一个工作周期中加热和冷却两个阶段具有相同的质量流量，但由于冷热气体的温度差异，使得它们的进口速度差别很大。结合现场实际加热期烟气入口温度为1500K,冷却期入口温度为305K，还有相应流速和压力。

1、蜂窝体内的流体流动与换热特征

计算表明，蜂窝体横截面上的气体的温度与速度具有相似分布，工况2种加热期，温度与速度在蜂窝体中心处横截面上的等值线分布图见3，它们的最大值都位于通道中心处，而靠近壁面处等温线和等速线的分布较密，通道中心处和靠近壁面处的温度相差很大，靠近壁面的流体流速很小，说明蓄热体壁面和气体间的换热强烈，狭长的格孔通道对流动和换热有较大的影响。

流体经过阻力损失最小的地方，流速越大，但换热越不强烈，反之

2、换向时间对蓄热效果的影响

通常用蓄热体的温度效率E和余热回收率η来评价蓄热体的换热性能：

E=（ta1－ta0）／（tf0－ta0 ）

η=Ga(Cp,a•ta1－Cp,a•ta0)／{Gf•tf0•Cp,f}

式中，ta0，ta1分别为空气进口及出口温度，tf0为高温烟气的进口温度，Ga，Gf分别为空气及烟气的质量流量，Cp，a为空气的比热，Cp，f为烟气的比热。

以上定义表明，对于确定的供气条件，蓄热气体的出口温度ta1越高，则温度效率和余热回收率越大，说明蓄热体的换热性能越好。由于蓄热体的蓄热能力是一定的，随着过程的不断进行，蓄热体热量将不断发生变化，使得气体的出口温度不断。如图4所示，一个周期内加热蓄热体出口处烟气温度和冷却期空气出口温度随时间的变化情况。

随着时间的增加，在加热期，烟气排放温度逐渐上升，冷却期空气出口温度逐渐降低，蓄热体的温度效率下降，热回收率降低。因此为获得较高的热回收率，确定合适的换向时间是非常重要的，蓄热体在具体的条件下，存在一个最佳换向时间，若实际换向时间过长，烟气余热得不到充分回收，表现为排烟温度升高；若换向时间过短，蓄热体得不到充分加热，难以获得较好的余热效果，表现为气体预热温度降低。

3气体流速对换热效果的影响

对于不同流速的气体，其温度曲线有较大差别。流速越高，烟气出口温度越高。这是因为，高的流速增加了气体的质量流量，单位时间内带入体系的热量相应增加，而蓄热体的蓄热能

力是一定的，烟气的热量来不及被充分吸收即随高速气流排出体系外，使余热回收率降低。因此，在实际应用过程中，要充分考虑气体流速对换热效果的影响，组织合理的燃烧制度和换向制度，避免出现烟气温度出口温度过高和气体蓄热程度不够的现象。

4总结：

（1）蜂窝体横截面上的气体的温度与速度具有相似的分布，它们的最大值位于通道中心处，靠近壁面处等温线和等速线的分布都较密，蓄热体壁面和气体间的换热强烈，狭长的格孔通道对流动和换热有较大影响。

（2）换向时间对蓄热体的热工特性有较大影响。换向时间越长，烟气出口温度越高，蓄热室的温度效率和热回收效率越低。

（3）气体流速对蓄热体的热工特性有一定影响。气体的流速越高，烟气出口温度越高，余热回收率越低。

引风机的能力根据烟气量和烟气流路的系统阻力确定，所以正确确定烟气流经换向阀和蓄热室时的阻力也是很重要。

5、蓄热体格孔壁面应力特性

蓄热体在使用中，由于格孔孔壁双面受热或冷却，除受温度作用外，还受各种应力作用，很容易遭受破坏，造成蓄热体损坏的因素很多，如高温空气和燃烧产物的化学作用、温度急变和热膨胀等物理作用以及气流冲刷和高温荷重等机械作用等。上述各种因素往往同时存在，但是对于某一特定的工作环境，必有一个主要原因。经过对生产现场被替换的蓄热体进行研究，发现大部分蜂窝体单元出现不同程度的裂纹和剥落。显然，脆性应力破裂时造成这一问题的主要原因。

通过计算研究，无论是加热期还是冷却期，蜂窝体格孔壁面主要受到法线方向的应力作用，其切向和轴向所受应力分别不到法向应力的1/200和万分之一。加热期应力指向壁面，对蓄热体孔壁产生积压，表现为挤压应力；冷却期壁面受力方向指向流体，对壁面产生拉拽，表现为拉应力，显然，如果蓄热体的壁面所受应力大于其所能承受的最大应力，将导致应力脆裂，频繁的蓄热和释热过程变换，使得蓄热体格孔壁面交替地受到拉应力和挤压应力的作用。流体的流速越大，应力变化越大；换向时间越短，蓄热体受到拉应力和挤压应力交替作用的影响越大。

蓄热体损坏人为问题：主要是安装过程中，在蓄热体最上一层有空隙，导致大部分流体通过空隙，根据上面的原理可以知道此处通过的是流体的最大流速（因为流体将沿着流体阻力损失最小的地方流过）。

解决办法：

1、安装时，尽量将蓄热体填满且缝隙要小；

2、如果有缝隙，将契形砖塞致此处，或将高铝砖切成空隙尺寸将之塞实。

蓄热体损坏设计问题：主要是蓄热箱与管道接口处偏置造成的，即理论上的偏流现象解决办法：在接口处放置分流板。

期待需要解决的问题：

1、陶瓷蜂窝体的堵塞问题

拆开蓄热室后盲板，发现蓄热体除了损坏外，格孔经常被黑色物质或红色物质堵塞，经过分析认为：红色是高炉煤气带来的粉尘，黑色为氧化铁皮颗粒物主要是引风机抽烟气时带入的，要解决这种问题，目前国内还没有专门的解决办法，但是粉尘只能通过高炉去解决，黑色物质要考虑蓄热体的抗渣性能。

2、蓄热体的更换方便问题，主要是考虑在线更换，安全和速度问题

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