格子砖蓄热能力分析

热风炉格子砖应该走个性化设计之路

高炉热风炉是一组用格子砖堆积起来的庞大的蓄热式鼓风加热设施。格子砖作为高温热量的载体在燃烧期内吸收并貯存燃烧产物的热量，然后在送风期内放出热量加热鼓风。保证热风炉格子砖具有足够的热交换和蓄热能力，对于高效率地完成热风炉的热交换过程是十分重要的，二者任何一方出现不足，传热过程都将受到阻碍。

近年来，为了改变热风炉的温度效率低下的状况，我国热风炉采用了提高燃烧末期废气温度和缩小格孔直径的措施，在一定程度上提高了热风炉的温度效率。与此同时，我们也应该看到，随着热风炉温度效率的提高，缩小了拱顶温度与送风温度之间的差值，以及随着格子砖孔径的减小，它的当量厚度也相应减小了，这些变化对于格子砖的蓄热能力的影响都是不利的。这样便提出了这样的问题：当今，我国热风炉的格子砖的蓄热能力状态到底怎样？能否适应操作条件的变化，实现换热速度与蓄热能力的统一？

1. 格子砖的蓄热能力

蓄热式热风炉的格子砖在一个工作周期内每1m 2加热面积所能传递的热量可以用下列方程式来表示：

()cp B cp q K t t Γ⋅⋅=-传递 kcal/m 2

·周期 ---（1）

如果以1m 3/min 风量来表示，上式可以写成：

160()B R R L L c t c t q m

τ⨯⨯⋅-⋅=

传递 kcal/m 2

·周期 ---（2）

蓄热式热风炉的格子砖在一个工作周期内每1m 2加热面积所能储存的热量：

2/2

c s q t kcal m γη

⋅⋅⋅=

⋅∆⋅储存砖面，周期 ---（3） 式中：cp cp ,B t t Γ⋅⋅——相应为全炉平均的烟气和鼓风温度，℃

K ——周期换热系数，kcal/m 2·℃·周期

m ——每1m 3/min 风量要求的格子砖加热面积，m 2/(m 3/min)

,R L c c ——相应为热风和冷风的比热容，kcal/m 3

·℃

,R L t t ——相应为热风和冷风的温度，℃ B τ——周期送风时间，min

式中：c ——格子砖的比热容，kcal/k g ·℃

γ——格子砖的比重，kg/m 3

2

s

——格子砖的半当量厚度，m

η——砖的利用效率，%

t ∆砖面——一个周期内砖表面的变化值，℃

现对以上表达式作如下说明：

1）如果不考虑热损失，热风炉在一个工作周期内每1m 2加热面积格子砖从烟气中获得的热量与热风带走的热量是相等的。

q q =储存传递，（kcal/m 2

·周期）或写作：

2160()/2

B R R L L c t c t c s t kcal m m τγη

⨯⨯⋅-⋅⋅⋅⋅=⋅∆⋅砖面，周期 ---（4）

2） 式中

2

c s η

⋅⋅⋅γ，kcal/m 2.℃为格子砖的水当量。它表征着格子砖的蓄热能力，且仅与砖的特性（砖的比热容C,半当量厚度

2

S

，比重γ和砖效率η）有关。 2

S

为双侧加热的格子砖的半当量厚度。 它等于单位蓄热体容积(k 1V f =-)与单位加热面积(4f H d =

э)的比值，即(1)24f d S f

-=Э

（f 为格子砖的活面积，d э为格子砖的孔径）。实际上它反映了1m 3容积格子砖的蓄热体容积和热交换面积之间的比例关系。

3）砖的利用效率η，η 取决于砖的平均温度的变化值与它的表面温度变化值之比，或者说，砖的利用效率η是整个周期内砖实际传入或传出的热量与在导热系数无限大的砖条件下传入或传出的热量之比。当砖很薄，且导热很好时，η=1。当砖很厚且导热不好时，它接近于0。

η可以以

EP

2

4S

a τ∏⋅⋅的函数形式来表示。见图***。 其中：a ——温度传导系数，等于

c λγ

⋅；

λ——传热系数，kcal/m·

h·℃ EP τ∏——周期总时间，等于+ττΓ⋅∏B⋅∏

2EP

1

=

c s 1+

4ηγλτ∏⋅⋅⋅⋅ ---（8）

4）一个周期内砖表面的变化值t ∆砖面为热风炉燃烧末期（ττΓ=）格子砖表面的最高温度max t 砖面与送风末期（B ττ=）格子砖表面的最低温度min t 砖面之差，即：

t ∆砖面=max t 砖面－min t 砖面

由于燃烧期内烟气传给砖面的热量：(q t t ατΓΓΓΓΓ=⋅⋅-砖面max ）kcal/m 2

·周期，

则：

q t t ατΓ

ΓΓΓΓ

=-

⋅砖面max ，℃ --- （9）

送风期内砖面传给鼓风的热量：(B B B B q t t ατ=⋅⋅-B 砖面min ） kcal/m 2

·周期，则：

B

B B B

q t t ατ=+

⋅B 砖面min ，℃ ---（10）

11()B B B t t t q ατατΓΓΓ⎛⎫+∆=-- ⎪⋅⋅⎝⎭

砖面传递 ---（7） 2. 问题讨论

1) 在蓄热式换热器中，一个周期内格子砖所传递的热量应该等于它相应储存的热量：

2()/2

cp B cp c s K t t t kcal m γη

Γ⋅⋅⋅⋅⋅-=

⋅∆⋅砖面，周期 或：

2160()/2

B R R L L c t c t c s t kcal m m τγη

⨯⨯⋅-⋅⋅⋅⋅=⋅∆⋅砖面，周期

如果()cp B cp K t t Γ⋅⋅-＞

2

c s t γη

⋅⋅⋅⋅∆砖面，由于其热量的传递能力和蓄热能力不相适应，其周期内的传热量将取决于格子砖的蓄热能力，尽管具较大的热量传递能力也是徒劳的。相反，如果()cp B cp K t t Γ⋅⋅-＜

2

c s t γη

⋅⋅⋅⋅∆砖面，例如，厚度过厚的格子砖，周期内的传热量将取决于格子砖的热量传递能力。