蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工特性分析_李朝祥

Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．１安徽工业大学学报第２４卷第１期Ｊａｎｕａｒｙ２００７Ｊ．ｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２００７年１月
文章编号：１６７１－７８７２（２００７）０１－００３３－０３
蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工特性分析
李朝祥，周灵敏，郭威，吴承勇
（安徽工业大学冶金与资源学院，安徽马鞍山２４３００２）
摘要：利用陶瓷球蓄热式热交换器内固体温度分布特征值的数学表达式，类推导出蜂窝陶瓷蓄热式热交换器的特性关系式，为蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工行为的进一步研究、优化设计方法的建立，及蜂窝蓄热式热交换器热工行为的评价提供了理论依据。

关键词：蓄热式热交换器；蜂窝陶瓷；热工特性
中图分类号：ＴＫ１２２文献标识码：Ａ
ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＴｈｅｒｍａｌＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＨｏｎｅｙｃｏｍｂＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＨｅａｔＥｘｃｈａｎｇｏｒ
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（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｙａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｔｈｅｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｏｆｓｐｈｅｒｉｃｉｔｙｐａｃｋｅｄｂｅｄ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｈｏｎｅｙｃｏｍｂｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｉｓｅｄｕｃｅｄｂｙａｎａｌｏｇｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｕｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｉｓｇｉｖｅｎｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｏｎｅｙｃｏｍｂｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｈｍｕｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ；ｔｈｅｒｍａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
引言
高效蓄热式热交换器的高温预热和高效余热回收技术，是目前工业热设备节能技术的重要研究方向。

高温预热和高效余热回收，是工业热工设备提高热效率、降低消耗、提高产量和改善质量的有效措施，是解决能源与环境问题的重要而有效的手段。

采用蓄热式热交换器进行高温预热和高效余热回收的直接效益是：（１）降低废气热损失，最大限度地提高燃料的利用率，降低单位燃耗；
（２）提高理论燃烧温度，改善燃烧条件，满足热工设备的高温要求；扩大低热值燃料，尤其是高炉煤气的应用范围，提高低热值燃料的利用率，减少低热值煤气的放散；
（３）改善炉膛热交换条件，提高设备的产量和改善产品质量，减少设备投资；
（４）降低热工设备单位产品的废气排放量及有害气体排放量，减少大气污染，改善环境。

因此，高温预热和高余热回收的蓄热式热交换技术，在改善燃烧条件，提高燃料利用率，降低燃料消耗，
减少污染、改善环境方面具有重要的推广和应用价值。

蓄热换热的热交换原理起源于上世纪的二、三十年代。

最完善的研究成果是上世纪豪森的蓄热式热交换理论。

应用于高炉热风炉及玻璃窑等蓄热器。

由于其基于大型格子砖的传热机理，研究成果仅适用于大型格子砖蓄热器及热风炉，蓄热器的体积庞大。

目前的新型蓄热器通常采用壁厚只有１～２ｍｍ甚至更薄的蜂窝状陶瓷作为蓄热体，体积只有几个立方米，最大也不过十几立方米。

仅就传热机理的变化，过去结论和计算方法已经不再适用。

虽然新型蓄热式热交换器的高温预热及高效余热回收技术，在国内外普遍得到认可和开发应用，但有关新型蓄热式热交换器的内部热交换过程以及工程应用问题，缺乏详细的研究，尤其是蜂窝状蓄热收稿日期：２００６－０５－０９
基金项目：安徽省教育厅自然科学基金资助项目（２００４ｋｊ０７５）
作者简介：李朝祥（１９６３－），男，安徽全椒人，安徽工业大学冶金与资源学院教授。

２００７安徽工业大学学报年陶瓷的热交换机理研究很少，多半是利用数值模拟［１－３］，对热交换器的热交换过程进行模拟分析，无法给出热交换器热工特性与热交换器的结构和操作参数之间的对应关系。

基于陶瓷球蓄热器的传热分析［４］，用类比法获得蜂窝陶瓷蓄热式热交换器的内部热交换过程的热工特性关系及影响因素，为提出蜂窝陶瓷蓄热式热交换器的设计计算方法和步骤，及蓄热式热交换器的进一步理论研究和工程应用提供必要的理论及参考依据。

１蜂窝状蓄热陶瓷热交换过程的模拟
为了利用陶瓷球蓄热器的传热分析结论，必须解决陶瓷球蓄热器与蜂窝陶瓷蓄热器在传热机理上的相似性，为此对蜂窝陶瓷蓄热器预热介质和被预热介质的温度分布进行了数值模拟，其模拟计算结果如图１所示。

可见，蜂窝状陶瓷蓄热器内的温度分布和球形蓄热体蓄热器内具有类似的分布特征，陶瓷球蓄热器内热交换介质的温度分布趋势如图２所示。

在球形蓄热式热交换器内固体、冷热气体的温度分布均具有“Ｓ”型的特征。

其“Ｓ”的形状，完全由特征值“σ”决定。

σ２ｈ＝２ＬＵａ（ｃＳρＳ）２Ｒ３εｃｇρｇ（Ｒ２１５ｋｓ＋Ｒ３ｈｐ）＋２ＬαａｘＵ３（１＋ａｃＳρＳＲ３εｃｇρｇ）２（１）
式中包含了热交换器的所有结构和操作参数，便于对热交换的热工行为进行分析和研究。

２定性分析与折算类比
在热交换器的工作过程中，如果高温介质一
定时间带入热交换器的热量与进入热交换器的介
质和蓄热体完成热交换的热量相当，那么此时的
热交换器具有较高的换热效率。

图解表示如图３。

高温介质与蓄热体所完成的热交换量主要取
决于对流换热系数和换热面积的乘积，当蓄热体的比表面积足够大时，对流换热系数的大小不重要，因为高温介质一定时间内带入热交换器的热量是有限的。

蓄热体的蓄热能力主要取决于蓄热器的体积，可见，不论是陶瓷球还是蜂窝体蓄热体，其中一个非常重要的结构参数就是比表面积。

将一定结构形状的蜂窝陶瓷折合成等空隙率、等比表面积的当量球体，然后沿用已经得到的球形蓄热体表达式进行类推，以获得关于蜂窝状蓄热体的相应参数关系式。

折算类比方法如下。

蜂窝状陶瓷蓄热体的比表面积为：图３
陶瓷球与蜂窝状陶瓷的传热分析解说图３４
第１期参考文献：［１］欧阳德刚，肖坤伟．蜂窝陶瓷辐射体非稳态传热特性研究［Ｊ］．钢铁研究，１９９７，９５（２）：４４－４９．
［２］蒋绍坚，曹小玲．蜂窝陶瓷蓄热体传热数学模型及传热系数求解［Ｊ］．工业炉，２００１，２３（３）：５０－５３．
［３］赵静野．蓄热式热交换器数学模型的比较［Ｊ］．北京建筑工程学院学报，２００３，１９（２）：１－４．
［４］李朝祥．蓄热式热交换器热工行为的研［Ｊ］．钢铁，２０００，３５（１）：５５－５９．ａ＝蜂窝体拥有的表面积蜂窝体的体积（２）
填充陶瓷球的比表面积为：
ａ＇＝填充球的表面积×（１－ε）填充球所占空间体积（３）设ｄｐ为蜂窝状陶瓷蓄热体折算成等比表面积等空隙率的填充球的当量直径。

令：ａ＝ａ＇
得到：ｄｐ＝６（１－ε）ａ
（４）
然后将折合的当量球径带入陶瓷球蓄热体的数学解析式［４］，得热交换器固体的温度分布：θｓ（τ）＝θ０［１－１σ２π!τ０"ｅｘｐ（－（τ－τ!）２２σ２）ｄτ］（５）式中：θｓ为无量纲热交换固体的温度；θ０为蜂窝陶瓷蓄热器无量纲出口温度。

固体的特征加热时间为：τ!ｈ＝ＬＵ（ａｃｓρｓＲＭｃ３εｃｇρｇ
）（６）决定热交换器内固体温度分布形状的特征值为：
σ２ｈ＝（ｄｐＬ＋Ｇｍｃｆｄｐ３（１－ε）αＬ＋Ｇｍｃｆｄｐ２３０（１－ε）ｋｓＬ）τ!ｈ２（７）式中：ｈｐ为蜂窝陶瓷与预热介质之间的对流换热系数，按下式计算。

ｈｐ＝Ｎｕ・λｆｄｅ＝３．６１λ
ｆｄｅ
（８）Ｎｕ＝ｈｐ・ｄｅλｆ＝３．６１（９）
式（７）包含了蜂窝陶瓷蓄热式热交换器的所有结构和操作参数，决定了热交换器内热交换介质的温度分布特征，结合陶瓷球蓄热式热交换器的温度前沿扩展分析便可获得关于蜂窝状陶瓷蓄热器的设计计算公式。

３结论
通过蜂窝陶瓷与蓄热球的类比分析，应用已经获得的陶瓷球蓄热体传热过程的解析式，用类推的方法获得关于蜂窝陶瓷蓄热器的温度分布特征表达式，该表达式中包含的蜂窝陶瓷的所有结构和操作参数，为蜂窝陶瓷热交换特性的进一步研究和蜂窝陶瓷蓄热式热交换器的设计和计算方法的研究，提供了可靠的理论分析和计算依据。

符号说明：
下标ｇ，ｓ—分别代表流体和填充体；
Ｍｃ—修正系数；
αａｘ—轴向热混合扩散系数；
ｋｓ—固体的导热系数；
αｓ—固体的导温系数，αｓ＝ｋｓρｓｃｓ
；ｔｂ—床层的初始温度；
ｘ—距入口处的距离；
ａ，ａ＇—固体的比表面积；
Ｕ—气体的实际流速；
ε
—床层的孔隙率；ｄｅ—蜂窝陶瓷格孔的当量直径；Ｇｍ—气体特征质量流率；τ，τｓｗ—分别为时间和换向时间；ｄｐ—蜂窝陶瓷折合成球体的当量直径；τ!—蓄热体的特性加热时间（均值）；ｍ!ｇ—气体的质量流量；ｃｇ，ρｇ，ｃｓ，ρｓ—分别为气体、固体的比热和密度；ｗｓ—填充体的质量；σ
２—温度分布的特征值（方差）。

李朝祥等：蜂窝陶瓷蓄热式热交换器热工特性分析３５。