热工 第三章 蓄热室原理及设计

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根据使用温度不同,用各种耐热铸铁或合金钢 材料制成,其结构型式以及连接方式较多。 辐射式金属换热器(图3-2a) 流式金属换热器(图3-2b)
同心空气管式换热器(图3-2C)
(二)几种换热器的特点及适用范围
顺逆流换热器:
逆流式的空气预热温度最高,而顺流式的器
壁温度最低。因此,从传热观点看,换热器
以逆流形式为好,但对于要求器壁温度不能 过高的某些金属换热器来说,则有时采用顺 流式,或者也可采用顺流逆流联合形式。
• 金属换热器:
优点:
传热系数大;气密性好;能获得较高的空气出口压
强;结构紧凑、机械强度高等。
缺点:
材料耐高温耐侵蚀性能较差,因而限制了它的使用
温度和寿命(目前使用的一般空气预热温度700℃
顺流式、逆流式、错流式等。 根据换热器构造材料: 陶质与金属换热器两类。图3-1。
常用的陶质换热器:
由粘土质(少数用锆刚玉质或碳化硅质)耐火 材料砌成。 为筒形砖立式换热器,图3-1a 为筒形砖卧式换热器,图3-1b
用标形砖砌的风火道形式的换热器等,例如坩
埚方炉的换热器。
常用的金属换热器:图3-2
表3-1
• 两者比较,立式的优点:
(1)烟气竖直流动过程中阻力较小。不易堵。
(2)因有重力作用,管件间的气密性较好。
(3)单位体积中换热面积较大。空气水平曲折 流动,热交换情况较好。 立式砌筑的缺点:砌体较高,砌筑难度大;空
气道阻力较大,往往需用低压鼓风。
目前较少采用立式。
• 标形砖换热器大多为卧式。 在标形砖砌风火道式换热器内,风(空气)、 火(烟气)流程:风火各翻几番,每番有几层。 确定风火流程的原则是:风要包火,换热效果要好
2、为延长金属换热器的使用寿命,在设计中设 法提高空气流速以降低器壁温度。在操作中严 格控制烟气进入换热器的温度。当烟气温度过 高时,可用水冷却或通入冷空气的办法。 3、为解决陶质换热器漏风问题,在设计时采 用带子母扣(也叫掉头)的预制器件以减少接 缝漏风。在砌筑时高温段采用磷酸盐泥浆以提 高强度,减少漏风。在操作中尽可能减小空气 道与烟气道之间的压强差。
传热方面:李赫特式优于西门子式
操作方面:李赫特式易堵塞,又难于清扫,热修换
格子跨时砌筑较复杂,用于热负荷较的中、小型蓄
热式窑上以及大型窑的空气蓄热室。
而煤气蓄热、热修次数较多的大型横焰窑,目前多
采用简单的西门子式。
(3)格子砖
格子砖的材质,如密度、比热、导热系数及耐高
温抗腐蚀性能都影响到换热效果和使用寿命。
(Байду номын сангаас)采用耐高温的合金钢材料,提高烟气进换热器的
温度,从而提高换热器的传热能力。
(3)减小陶质换热器器壁厚度,减小内热阻,提高传
热能力,并能减小换热器体积。 (4)及时清除器壁积灰,以减少因烟气中的油烟、炭 黑等,造成传热能力的减弱。 (5)增加空气流速,提高器壁对空气的对流换热。
(6)在空气中掺入少量烟气或蒸汽,以增加器壁对空
以下。
• 陶质换热器:
优点:
可用于较高温度(空气预热温度900~1100℃),
缺点:
气密性差(漏风量甚至达烟气量的20%~30%)
如综合传热系数、强度和结构紧凑等方面也都不如
前者。
表3-l列出换热器综合传热系数的一般数据。
• 玻璃熔窑上使用换热器(陶质):
优点:
空气预热温度稳定;不需换向设备,结构紧凑,
筒形砖,图3-25 由英国研制,采用锆刚玉质(电熔或烧结)、粘 土质制成。壁厚40mm,格孔140mmX140mm、 或160mmX160mm。 优点: 具有和十字形格子砖相同的优点。它还优于十字 形格子砖,砖形单一,搭砌方便,稳固性更好, 并且可搭成闭式(封闭垂直通道或者和标型砖组 合搭成开式(各通道间可相通),较灵活,便于 检修。所以我国逐步推广使用筒形砖。
蓄热室内的传热方式包括:
烟气对格子砖的辐射和对流换热。 格子砖内部的传导传热 格子砖向空气或煤气的对流及辐射换热。
3、换向时间对预热温度的影响
当加热期开始后—格子砖温度急剧上升—格
子体上部逐渐为热量所“饱和”—吸热能力
逐渐减小—离开蓄热室的烟气温度开始上
升,烟气留在蓄热室内的热量逐渐减少—
格子砖愈来愈少地参加热交换,其热效率
3、蓄热室的形式 1)根据气流方向的不同,有立式与卧式之分, 如图3-26所示。 两者比较: 立式蓄热室内气流阻力小,可用于自然通风的 熔窑,气流分市也较均匀,且格子砖热修方便, 所以采用的比较普遍。 卧式蓄热室气体分层现象较严重,阻力也较大, 需要机械通风。
2)连通式与分隔式 表3-10 3)烟道分隔式又称半分隔式,图3-27 结构特征: 蓄热室相通,支烟道和总烟分隔;支烟道上闸板调 节各蓄热室的排烟量和空气供给量废气和空气分别 换向。 性能特点: 增大了换热面积;气流分布均匀;空气预热温度提 高;热回收率提高。 使用特点:烟道分隔式蓄热室的应用正在逐步推 广。也称超级烟道。
越高,烟气离蓄热室温度越低。
措施: (1)气流方向应符合气体垂直分流法则。 (2)气流入口情况 入口通道的方向、位置——垂直差、侧面好, 图3-16 垂直通道断面大小——通道小差,大好 入口到格子体顶面的距离——近差,远好,
(3)上方通道形式 有通道:上方通道形式——斜后墙好,直后 墙差 图3-18a 无上升通道:取消了垂直通道——箱式蓄热 室(图3-18b,广泛使用于马蹄焰和横焰窑上) 箱式蓄热室优点: 气流分布均匀;不必增加外外形尺寸就可增 加了格子体体积;减少沿途温降和散热; 周期内气体温度变化小;气流阻力小;空气 预热温度提高,热效率高。
格子作的通道截面积:每平方米格子体横截面上气
体通道的截面积。此值愈大,说明气体在格子体内
的流速较低,流动阻力较小。 通道截面积大时、单位体积受热面积减小,填充 系 数也减小;如果格孔尺寸和通道截面积愈小,则受 热面积和填充系数愈大,但气流阻力也增大。因此 要综合考虑几项指标来确定格孔尺寸。
表3-8为几种排列方式的性能特点比较。
相应降低。
• 结论:
加热期和冷却期的时间都不宜过长。但时间
太短,造成换向过于频繁,热量损失增加,
也不合理。
一般来说,蓄热室的相对热效率与换向间隔
时间之间有一个最有利的时间,其相对热效
率最高,对于玻璃熔容来说,目前多采用
20~30min
4、气流均匀分布的意义及措施
格子体内气体通道横断面上的气流分布均匀 程度,对于改善传热和提高换热效率具有重 要意义。气流分布均匀程度越高,则格子体 越能充分地参加热交换,因而气体预热温度
1、蓄热室的结构
常用的立式蓄热室的结构 图3-20 空气、煤气烟道(扒灰坑)—炉条碹—格子
体—上部空间——(垂直通道)空气、煤
气入口(碹顶)
2、格子体和格子砖 (1)格子体的排列方式 西门子式 李赫特式 连续通道式 编篮式等 图3-21
(2)格子体的特性指标 表3-7 图3-22 格子体受热表面: 每立方米格子体中所具有的受热表面积的大小。 此值愈大,说明在满足同样的热负荷的情况下, 格子体体积可以缩小。 填充系数: 每立方米格子体内砖材的体积。 此值愈大,说明格子体的蓄热能力愈大,因而被 预热气体在二个周期内的温度波动较小。
气的辐射换热能力。
(7)在换热器设计中,采用间接加热面的结构, 提高对空气的换热能力。图3-3 (8)器壁上加肋片等,在不增加换热器体积的 情况下可增加换热面积。
(9)在烟气通过中心加芯子或增设旋涡装置等, 使气流产生旋涡增加传热,使烟气靠向器壁流 过而有利于传热。 (10)减少换热器外壁热损失,加强保温。 (11)改善换热器内气流分布,提高气流分布 均匀程度,以充分利用换热面积。
(4)蓄热室横断面的大小 断面尺寸大不均匀,即:瘦高形均匀(但通 道阻力大) (5)通道的阻力和堵塞情况
炉条孔的宽度、通道内飞料和积灰以及格子
体损坏倒塌等都使阻力增大、使气流的分布
不均匀。
5、蓄热室内的压力情况: 影响空气吸入量及外壁漏风量—关系到气体 预热温度、烟囱抽力及到达小炉口的空气 量等等。 自然通风的窑:足够的蓄热室高度即能增多 格子体量,又能产生足够的几何压头,使空
气达到足够流速和流量。
二、蓄热室的结构设计
设计要求:
1)工艺要求:满足熔化工艺所需温度的要求,预热温 度高且度稳定;
2)经济要求:蓄热室应有较高的换热效率, 充分回收烟气余热,减少气体流动阻力和占地面积, 3)结构要求:有足够的强度,特别是高温下的结构强 度; 4)操作要求:便于调节流量、清扫和热修。
第二节
蓄热室
一、工作原理 二、蓄热室的结构设计 三、蓄热室的计算 四、提高蓄热室效率的途径
一、工作原理
1、换热过程 图3-11 与换热器的区别: 换热室内气流方向方向不变 蓄热室中气体流动的方向周期性的改变, 蓄热室是周期性工作的换热设备。
2、换热原理 由于每个周期中烟气、格子砖、空气或煤气 的温度都随时间而变,故属于不稳定温度场, 蓄热室内的传热过程属于不稳定传热。 图3-13、图3-14,图3-15。 三者平均温度在整个周期内都不随时间而变化, 且符合逆流换热器的温度分布规律, 用逆流式换热器对蓄热室、进行传热分析。
筒形砖形状: 圆形、六角形、方形(俗称金子砖)等 管件之间有用接板连接,或将管件本身做成 接口的(图3-5)。六角形单位体积的换热面 积最大,砌筑稳定性最好,应用最普遍。圆形 的热稳定性较好,需竖放。 筒形砖换热器又有立式、卧式之分。 立式是指筒形砖竖直排放,烟气自上而下流 过筒形砖内壁,空气则在壁外作水平曲折流 动,其总的方向是自下而上。
标型砖, (230×114×65)标型大砖搭砌。图3-21 格子砖的厚度应保证足够的强度和蓄热能力。过 厚时,砖中心部分不参加换热,经试验40mm的 砖厚最适宜,我国常用的是65mm。 异形格子砖
波形砖 见附加图 十字形砖,图3-24,由法国最先研制,用电熔 锆刚玉材质制成。壁厚40mm,格孔有 140mmX140mm、170mmX170mm。 优点:单位体积砖格的受热表面大,流通比 大,单位体积的格子砖重量轻、稳固性好, 因而可提高热回收率,不易堵,气流阻力小, 基本上不需维修。其技术性能见表3-9。
占地面积小;造价较低;操作简单。
缺点:
空气预热温度较低;由于气密性问题,一般不用
于预热煤气。
目前在大中型玻璃窑上很少采用换热器。而小型
熔窑上则能显示出它的优越
二、陶质换热器
(一)陶质换热器的结构型式 (二)陶质换热器的设计计算
• (一)陶质换热器的结构型式 两类:筒形砖 标形砖 两者比较 (1) 壁厚:筒形砖器壁厚度一般为20mm,管壁较薄 热阻较小,故综合传热系数较大,表3-1。 标形砖器壁厚度最小为65mm。 (2)单位体积换热面积:筒形砖6~12m2/m3,换 热面积较大;标形砖3~5m2/m3 。 (3)气密性:筒形砖好些;标形砖差。 (4)空气预热温度:筒形砖800~1100℃;标形砖 600~800℃。 (5)造价:筒形砖价贵,阻力较大,易堵,且清灰不 慎易漏气。
(例如尽量用逆流、换热面积尽量大,气流阻力要
小,易砌筑,易清扫。
(二)陶质换热器的设计计算 换热器计算的目的在于: (1)确定所需的换热面积,从而决定换热器 主要尺寸; (2)确定壁面温度,以便选择材料; (3)确定空气侧及烟气侧阻力,以便选择风 机或计算烟囱高度。
确定换热比表面积: 每平方米池窑熔化部面积或坩埚窑窑底面积占 有的换热表面积,即换热表面积/熔化部液面 面积,单位是m2/m2) ,见表3-2。 确定所需的总换热表面积 确定所需管件数目(由换热面积和选择的风火 流程、结构和管件形式), 确定换热器尺寸:(换热器宽度、换热器高 度、换热器长度)。
三、改善换热器工作的途径
1、提高烟气对空气的传热,
(1)选择导热系数较大的材质,以减小内热
阻。例如采用碳化硅质管件代替粘土质管件
(1000 ℃时,碳化硅为9.3~11.6W/m· ℃, 而粘土土砖为1.16~3.49 W/m· ℃),不仅 大大提高传热能力,而且其强度和耐高温性能 也都得到改善,但造价高。
第三章 余热回收原理及设计
第一节 第二节 换热器原理 蓄热室原理及设计
第一节 换热器
一、换热器的类型 及使用范围 二、陶质换热器 三、改善换热器工作的途径
一、换热器的类型及使用范围
凡能将热能有效地从高温载热流体通过器壁传 向低温受热流体的设备,都称之为换热器。 (一)类型
根据烟气与空气的流动方向:
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