新型高温空气加热器的试验研究

新型高温空气加热器的试验研究

聂　欣1,周俊虎2,吕　明2,岑可法2

1.杭州电子科技大学,浙江杭州　310018

2.浙江大学,浙江杭州　310027

[摘 要]　高温空气加热器是高温空气点火试验台的关键设备,将中频加热设备和静态混合器相

结合,提出了一种新型的高温空气加热器,并对其运行过程中的电源波动特性、冷热态

的阻力特性、加热效率进行了试验研究。与原有的空气加热器进行比较表明,不锈钢材料在中频加热条件下,仍然呈现一定的弱磁性,其冷热态阻力与进口冷空气流速符合幂函数关系。该加热器具有结构简单,加热效率高等优点,明显优于原有的加热器。

[关　键　词]　高温空气;加热器;静态混合器;电源特性;阻力;加热效率[中图分类号]　T K17[文献标识码]　A

[文章编号]　1002-3364(2008)08-0009-04

收稿日期:　

2008-01-28作者简介:　聂欣(1974-)男,博士,杭州电子科技大学机械学院讲师,主要从事煤粉直接点火以及多相流动数值模拟等方面的教学与研究。E -m ail :xin_nie2000@

高温空气加热器是高温空气点火装置的关键设备,对安全稳定点燃煤粉,提高直接点火系统的经济效益,起着较为关键的作用。

常见的空气加热器多为使用电阻丝等电热导体制成的电加热器[1,2],其一般最高加热温度不超过700℃,且由于电阻丝多次反复升温后脆性加大[3],容易断裂,故而可靠性较差。应用于高温燃烧使用的蓄热式高温空气加热器[4,5],虽然可以将空气加热至1000℃以上,但其需要使用高温烟气对蓄热体进行反复加热,只能用于高温燃烧这样的特定场合,无法用于高温空气冷炉点火。

浙江大学热能所对多种无油点火燃烧器进行研究[3,4],通过运用中频加热原理,研发了能转用于煤粉直接点火的多回程式高温空气加热器[6](图1),但该设备也存在结构复杂,加热效率较低等不足。为此,在原有研究基础上,将中频加热设备和静态混合器相结合,开发了一种新型的混合器式高温空气加热器(图

2)。本文通过试验对其运行过程中的电源波动特性、

冷热态的阻力特性、加热效率进行研究,并与原有的空气加热器进行了比较

。

图1　老式多回程式高温空气加热器

1　混合器式高温空气加热器及其试验

系统

图2为混合器式高温空气加热器本体结构。该加热器由耐高温不锈钢(Cr25Ni20)管和SV -5型静态混合器组成。

图2　新型混合器式高温空气加热器

静态混合器是上世纪70年代发展起来的一种混

合设备,可应用于混合、乳化、萃取、强化传热、强化反应等方面。静态混合器根据其形状可分为SV 、SX 、S K 、SL 、SH 几种。根据文献[7,8],在强化传热情况

下,推荐使用SV 型,因为SV 型混合效果最佳,强化传质和强化传热倍数最大,相当于光管的8～10倍[7]。材质选用市场上常用的304不锈钢为Cr18Ni9,熔点为(1398～1454)℃之间,长时间使用温度为925

℃[9,10]。

图3为高温空气加热器试验系统,该系统主要由以下几部分组成:(1)供风系统。由高压风机向高温空气加热器供风。(2)电力系统。由中频电源和电磁感应线圈组成,通过调节电功率来控制出口热空气温度。(3)测试系统。热空气的冷态流量由转子流量计测得,

进口静压由U 型管微压计测量;温度测量由K 型热电偶与数据采集仪H P34970A 及计算机组成,测量的积分时间为0.2s ,用于测量壁面温度和加热器出口温度,加热器出口温度的测点布置采用等截面布置,热空气出口温度值采用它们的算数加权平均值(图4)。感应加热管壁面温度也采用裸露的K 型热电偶测量,等间距布置,壁面温度取其平均值。中频电源的电流、电压以及功率的数值由中频电源柜自带的电流表、电压表以及功率表直接显示

。

图3　

试验系统

图4　出口温度测点布置及其结构

2　试验结果

2.1　升温曲线

图5为冷空气流量为50m 3/h (标准状态,下同)时,电功率分别为22kW 、31kW 和35kW 时的出口热空气升温曲线。由图5可见,随着时间的变化,热空气温度上升速度逐渐趋缓,最终会达到一个平衡温度

。

图5　不同加热功率下的热空气升温曲线

2.2　升温过程中频电源的波动特性

在中频加热过程中,加热负载随着温度的升高,电

导率、磁导率和透热深度都产生很大的变化,这些变化反过来又会使中频电源的电流、电压和输出功率产生一定的波动,这是一个复杂的过程[11]。对于高温空气加热器来说,由于管内流体流量、温度的变化,感应加热管沿轴向的温度不均匀性以及其内部静态混合器的影响进一步加深了该过程的复杂性,目前很难有一个合适的理论模型对其进行计算。

对此,在加热过程中,通过对中频电源的电流、电压和输出功率的监视记录,得到了高温空气加热器升温过程中频电源随着壁面温度升高的变化特性曲线,据此可以了解高温空气加热器在加热过程电源的变化特性。

图6～图8为中频电流、电压以及输出功率随感

应加热管壁面平均温度的变化曲线。由图6～图8可以看出,在升温过程中,尽管输出功率没有进行人为调节,但由于中频电源发生小幅波动,随着壁面温度的变化,中频电流、电压、输出功率都发生了小幅上升,这主要与电导率与感应管的感应电流透入深度有关,使得加热管的阻抗发生了变化。在壁面平均温度为719℃左右,输出功率和电流、电压都有一个较大突升,这是因为感应加热管的温度到达金属的居里点温度。一般铁的居里点温度为700℃,不同铁磁性材料的居里点在升温过程中,不但存在加热器本体随着温度的变化以及电导率、磁导率等物性参数发生变化,而且随着冷空气被加热到越来越高的温度,空气带走的热量也越多。因此,电流、电压以及输出功率并不会象单纯加热管状工件一样,到达一定温度后开始下降[12],而是在系统处于稳定状态时,保持基本稳定。试验中,采用的功率值都是系统长时间稳定后的值

。

图6　

电流随壁面温度的变化

图7　

电压随壁面温度的变化

图8　输出功率随壁面温度的变化

值得指出的是,尽管感应加热管使用的是理论上

的非磁性材料,但从试验结果来看,在中频加热的过程中,感应加热管仍然具有弱磁性。当平均温度大于719℃时,感应加热管由高温到低温的不同部分温度

依次开始达到并超过居里点温度。2.3　冷、热态阻力特性

冷、热态流动阻力与流量的关系如图9所示

。

图9　冷、热态流动阻力与流量的关系

据文献[13]的试验结果,静态混合器的阻力并不完全符合范宁公式,而是与进口截面冷态平均流速成某个幂次方的关系,故静态混合器的冷、热态阻力曲线拟合都采用过原点的幂函数的拟合(式(1)和式(2))。冷、热态拟合相关系数分别为0.9995和0.9975。

冷态阻力:

h f (cold )=890.5v

1.4471

(1) 热态阻力:

h f (hot )=177v

1.6234

(2)

2.4　加热效率

不同流量下热空气温度与加热效率的关系如图10所示

。

图10　不同流量的热空气温度与加热效率

由图10可知,热空气加热器热效率随着出口热空气温度的增大而下降,且呈现加速下降的趋势;随着进

口冷空气流量的增大,热效率明显提高。同时,当空气