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1、5 蓄热式热交换器蓄热式热交换器中，冷、热流体交替地流蓄热式热交换器中，冷、热流体交替地流过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠过同一固体传热面及其所形成的通道，依靠构成传热面物体的热容作用构成传热面物体的热容作用 (吸热或放热吸热或放热)，实现冷、热流体之间的热交换。实现冷、热流体之间的热交换。与间壁式热交换器相比，虽都有固体传热与间壁式热交换器相比，虽都有固体传热面，但间壁式中，热量是在同一时刻通过固面，但间壁式中，热量是在同一时刻通过固体壁由一侧热流体传递给另一侧的冷流体。体壁由一侧热流体传递给另一侧的冷流体。 与直接接触式相比，差别更为明显，因为与直接接触式相比，差别更为明显，因为蓄热
2、式中不是通过冷、热流体的直接混合来蓄热式中不是通过冷、热流体的直接混合来换热的。换热的。蓄热式热交换器常用于流量大的气气热交蓄热式热交换器常用于流量大的气气热交换场合，如动力、硅酸盐、石油化工等工业换场合，如动力、硅酸盐、石油化工等工业中的余热利用和废热回收等方面中的余热利用和废热回收等方面。5.1.1 回转型蓄热式热交换器图图5.1 转子回转型空气预热器转子回转型空气预热器1转子；转子；2转子的中心轴；转子的中心轴；3环形长齿条；环形长齿条；4主动齿轮；主动齿轮；5烟气入口；烟气入口；6烟气出口；烟气出口；7空气入口；空气入口；8空气出口；空气出口；9径向隔板；径向隔板；10过渡区；过渡区；
3、11密封装置密封装置回转型蓄热式热交换回转型蓄热式热交换器主要由圆筒形蓄热器主要由圆筒形蓄热体体 (常称转子常称转子)及风罩及风罩两部分组成。它又分两部分组成。它又分为转子回转型和外壳为转子回转型和外壳回转型。转子就是一回转型。转子就是一个蓄热体。个蓄热体。图图5.2蓄热板结构图蓄热板结构图图图5.3为外壳回转型蓄热式热为外壳回转型蓄热式热交换器，它由上下回转风罩、交换器，它由上下回转风罩、传动装置、蓄热体、密封装传动装置、蓄热体、密封装置、烟道和风道构成置、烟道和风道构成；一端一端为为8字形字形，另一端为圆柱形的另一端为圆柱形的两个风罩盖在定子的上下两两个风罩盖在定子的上下两个端面上，其安装
4、方位相同，个端面上，其安装方位相同，并且同步绕轴旋转。并且同步绕轴旋转。图图5.3 风罩旋转的回转型空气预热器风罩旋转的回转型空气预热器1空气出口；空气出口；2空气入口；空气入口；3烟气出口；烟气出口；4回转风罩；回转风罩；5隔板；隔板；6烟气入口烟气入口5.1.2 阀门切换型蓄热式热交换器阀门切换型蓄热式热交换器图图5.4 阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图 图图5.5 蓄热室结构简图蓄热室结构简图蓄热室中蓄热体大多由耐火砖砌成的蓄热室中蓄热体大多由耐火砖砌成的格格子砖子砖构成。为连续运行，都具有两个蓄构成。为连续运行，都具有两个蓄热室。这种阀门切换型常用于
5、玻璃窑炉热室。这种阀门切换型常用于玻璃窑炉，冶金工业中高炉的热风炉。，冶金工业中高炉的热风炉。图图5.6 阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图5.2 蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较 蓄热式中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、蓄热式中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、热流体通道周期性地交替，使得蓄热式热交换器中热流体通道周期性地交替，使得蓄热式热交换器中传热面及流体温度的变化具有一定的特点。传热面及流体温度的变化具有一定的特点。特点一：蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不特点一：蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不
6、 断变化，而且加热期的变化与冷却期的变化情况也断变化，而且加热期的变化与冷却期的变化情况也 不相同。同时，除了在热交换器的冷、热气体进口不相同。同时，除了在热交换器的冷、热气体进口 处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。特点二：蓄热材料和流体温度变化具有周期性，特点二：蓄热材料和流体温度变化具有周期性， 即每经过一个周期这些温度变化又重复一次。即每经过一个周期这些温度变化又重复一次。图图5.8 蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化图图5.9 逆流下的间壁式和蓄热式热交换器逆流下的间壁式和蓄热式热交换器气体气体
7、1所放出的热量：所放出的热量： Q1=M1cp1(t1 t1)气体气体2所吸收的热量：所吸收的热量： Q2=M2cp2(t1 t2)忽略热损失，间壁式气体忽略热损失，间壁式气体1、2间热平衡：间热平衡： M1cp1(t1 t1)=M2cp2 (t2 t2) (5.1)对蓄热式，气体对蓄热式，气体1所放出的热量：所放出的热量： Q1=M1cp1(t1,m t1,m) 气体气体2所吸收的热量：所吸收的热量： Q2=M2cp2(t2,m t2,m)忽略对外热损失，热平衡：忽略对外热损失，热平衡： M1cp1(t1,m t1,m)=M2cp2(t2,m t2,m) (5.2) (a) 假想间壁式换热假
8、想间壁式换热 (b) 蓄热式换热蓄热式换热图图5.10 蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程设传热面积为设传热面积为 F，循环，循环周期为周期为 0 (加热时间加热时间 1，冷却时间冷却时间 2 )，可得蓄热传热量：可得蓄热传热量： Q=KF(t1,m t2,m)0 J (5.3)t1,m、t2,m热、冷流体热、冷流体 平均温度，平均温度，传热量传热量Q可由热气体可由热气体1与蓄热体间对流换热量表示：与蓄热体间对流换热量表示： Q=1F (t1 tw1)d =1F(t1,m tw1,m)1 J (5.4)或可由冷气体或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表
9、示：与蓄热体间对流换热量来表示： Q=2F (tw2 t2)d=2F(tw2,m t2,m)2 J (5.5)综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数：综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数： W/(m2) (5.6) 如如1=2，则：，则： W/(m2) (5.7)m2,m1,mw2,mw1,0220111111ttttKm2,m1,mw2,mw1,211221ttttK1020设有一间壁式热交换器，传热面积为设有一间壁式热交换器，传热面积为F，但冷，但冷 气体及热气体各占一半，热气体的平均温度气体及热气体各占一半，热气体的平均温度 为为t1,m，冷气体的平均温度为，冷气体的平均温度为 t
10、2,m 则在时间则在时间 0 内该间壁式热交换器的传热量：内该间壁式热交换器的传热量： Q=KF(t1,m t2,m)0， J (5.8)而热气体的放热量为：而热气体的放热量为： Q=1F/2(t1,m tw1,m)0, J (5.9)冷气体的吸热量为：冷气体的吸热量为： Q=2 F/2(tw2,m t2,m)0, J (5.10)如忽略壁面热阻，即如忽略壁面热阻，即 tw1,m= tw2,m，得：，得： 21221KW/(m2) (5.11)比较式比较式(5.3)与与(5.8)及及(5.7)与与(5.11)可见，由于可见，由于加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得加热与冷却过程的平均传热壁
11、温不相等，使得其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅为间壁式热交换器的为间壁式热交换器的 倍。倍。称它为考虑非稳定换热影响的系数称它为考虑非稳定换热影响的系数Cn。由于由于传热表面温度不稳定传热表面温度不稳定而而产生的。由图产生的。由图5.8(b)，当换热周期当换热周期 00时，曲线时，曲线 tw1与与 tw2 将变成同一将变成同一直线，因而直线，因而 tw1,m= tw2,m，此时此时Cn为为1。m2,m1,mw2,mw1,1tttt 与间壁式热交换器相比，蓄热式热交换器在结构与间壁式热交换器相比，蓄热式热交换器在结构 方面有以下三个优点：方面有以下
12、三个优点：紧凑性很高。采用紧凑性很高。采用2050目金属网板作蓄热体时，目金属网板作蓄热体时， 每每m3容积可容纳的传热面积为容积可容纳的传热面积为22966560 m2。 而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器 一般只有一般只有2000 m2/m3左右。左右。单位传热面积的价格要比间壁式便宜得多，而且单位传热面积的价格要比间壁式便宜得多，而且 易于采用耐腐蚀、耐高温的材料易于采用耐腐蚀、耐高温的材料(如陶瓷如陶瓷)作传热面。作传热面。有一定的自洁作用。因为周期性地受到气体方向有一定的自洁作用。因为周期性地受到气体方向 相反流动，并且传热面上积灰较易自
13、动去除相反流动，并且传热面上积灰较易自动去除。 与间壁式相比与间壁式相比，蓄热式主要缺点：蓄热式主要缺点： 同一蓄热体交替地作为冷、热气体的通道和受同一蓄热体交替地作为冷、热气体的通道和受热面，势必导致一通道中的气体带入另一通道。两热面，势必导致一通道中的气体带入另一通道。两气体通道间的密封不严，将会造成冷、热气体之间气体通道间的密封不严，将会造成冷、热气体之间某种程度的混合。在阀门切换型中，也某种程度的混合。在阀门切换型中，也会会由于阀门由于阀门的切换而使冷、热气体之间有不同程度的混合。的切换而使冷、热气体之间有不同程度的混合。对于回转型蓄热式热交换器来说，密封问题比较对于回转型蓄热式热交换
14、器来说，密封问题比较困难，因而会造成较大的漏风，特别是在高温和低困难，因而会造成较大的漏风，特别是在高温和低温气体之间压差很大时。例如，在回转型空气预热温气体之间压差很大时。例如，在回转型空气预热器中，空气向烟气中的泄漏量约占流过的空气量的器中，空气向烟气中的泄漏量约占流过的空气量的5%10%。 5.3 蓄热式热交换器传热设计计算特点蓄热式热交换器传热设计计算特点由于蓄热式热交换器始终处于不稳定传热工况下由于蓄热式热交换器始终处于不稳定传热工况下工作，换热流体或传热面的温度都随时间和位置工作，换热流体或传热面的温度都随时间和位置而变化，所以传热系数和传热量也随时间而变。而变化，所以传热系数和传
15、热量也随时间而变。为解决这一困难，在计算中常把加热期和冷却期为解决这一困难，在计算中常把加热期和冷却期合在一起作为一个循环周期来考虑，即传热系数合在一起作为一个循环周期来考虑，即传热系数为一个循环周期内的平均值。这样，就可以像普为一个循环周期内的平均值。这样，就可以像普通间壁式热交换器那样进行设计计算。通间壁式热交换器那样进行设计计算。5.3.1 传热系数传热系数 对回转型蓄热式热交换器，基于式对回转型蓄热式热交换器，基于式(5.7)同时还应考同时还应考虑烟气、空气冲刷转子的份额不同虑烟气、空气冲刷转子的份额不同 (一般烟气冲刷一般烟气冲刷占占180，空气冲刷占，空气冲刷占120，过渡区为，过
16、渡区为230)及及蓄热板表面积灰等因素，传热系数为：蓄热板表面积灰等因素，传热系数为： W/(m2) (5.12)综合考虑烟气对蓄热板表面灰污以及综合考虑烟气对蓄热板表面灰污以及 烟气和空气烟气和空气对传热面未能冲刷完全及漏风等因素对传热系数影响对传热面未能冲刷完全及漏风等因素对传热系数影响的利用系数，一般，的利用系数，一般， =0.80.9。2211n111xxCKCn考虑低转速时不稳定导热影响的系数，考虑低转速时不稳定导热影响的系数， 其值主要与转速有关；其值主要与转速有关；x1、x2分别为烟气、空气冲刷转子的份额：分别为烟气、空气冲刷转子的份额：式中：式中：F、F1、F2分别为总的、通过
17、烟气分别为总的、通过烟气 和空气处的传热面积；和空气处的传热面积； f、f1、f2分别为总的、烟气和空分别为总的、烟气和空 气的流通截面积。气的流通截面积。ffFFxffFFx2202211011对阀门切换型，由于蓄热体是格子砖，其蓄热能力对阀门切换型，由于蓄热体是格子砖，其蓄热能力及砖表面与内部温度之差等对传热的影响较大，所以及砖表面与内部温度之差等对传热的影响较大，所以每周期传热系数每周期传热系数表示为表示为： J/(m2周期周期) (5.13)格子砖：格子砖：C平均比热；平均比热；容重；容重；厚度；厚度； 利用率；利用率；温度变动系数。温度变动系数。蓄热室格子体上、下部温差较大，在计算传
18、热系数蓄热室格子体上、下部温差较大，在计算传热系数及对流换热系数时分别按格子体上部及对流换热系数时分别按格子体上部(热端热端)和下部和下部(冷冷端端)来求取，再计算平均值来求取，再计算平均值： J/(m2周期周期) (5.14)式中：式中：Kt、Kb分别为上、下部的传热系数值；分别为上、下部的传热系数值； n考虑上、下部传热系数差别的经验修正系数考虑上、下部传热系数差别的经验修正系数1211 CK2211nnKKKbt15.3.2 对流换热系数对流换热系数 对回对回转型：转型： Nu=ARem Pr0.4Ct C1 (5.15)式中：式中：A系数，因蓄热板结构不同而异；系数，因蓄热板结构不同而
19、异；Ct与蓄热与蓄热板壁温及气流温度有关的系数。烟气被冷却板壁温及气流温度有关的系数。烟气被冷却Ct =1，空空气被加热气被加热Ct=(T/Tb)0.5，式中，式中T为流过气体的温度，为流过气体的温度，Tb为为蓄热板壁温；蓄热板壁温；C1考虑蓄热板通道长度与其当量直径考虑蓄热板通道长度与其当量直径比值的修正系数，当比值的修正系数，当l /de50时，时，C1=1.0。用式用式(5.15)计算时，定型尺寸为蓄热板通道的当计算时，定型尺寸为蓄热板通道的当量直径，定性温度为流过气体的平均温度。量直径，定性温度为流过气体的平均温度。对对阀门切换型：阀门切换型：式中：式中：B系数，因格子体结构不同而异；
20、系数，因格子体结构不同而异； de格孔的当量直径，格孔的当量直径，m； Wmax折算到标准状况下气体在最小折算到标准状况下气体在最小 截面处流速，截面处流速，Nm/(m2s)； 与温度有关的校正系数与温度有关的校正系数。dWB0.33e0.5maxcW/(m2) (5.16)由于烟气温度高，对于烟气与格子砖间换热由于烟气温度高，对于烟气与格子砖间换热除了包含对流换热外同时应考虑辐射换热，除了包含对流换热外同时应考虑辐射换热，即采用复合换热系数：即采用复合换热系数： 1, t = 1, tc +1, tr (5.17a) 1, b = 1, bc +1, br (5.17b)对于空气与格子砖间换
21、热则仅考虑对流换热：对于空气与格子砖间换热则仅考虑对流换热： 2, t = 2, tc (5.18a) 2, b = 2, bc (5.18b)这样，由式这样，由式(5.17a)、(5.18a)及及(5.13)可求可求 Kt，由式由式(5.17b)、(5.18b)及及(5.13)可求可求 Kb，最后由式最后由式(5.14)可求总传热系数可求总传热系数 K。5.3.3 传热面积传热面积 对回转型，传热面积对回转型，传热面积F的计算常与所消耗的的计算常与所消耗的 燃料量联系起来：燃料量联系起来： m2 (5.19)式中：式中：Bj 燃料消耗量，燃料消耗量，kg/h；Q1kg燃料所产生的燃料所产生的烟气量烟气量(包括漏风量包括漏风量)在空气预热器中放出的热量，在空气预热器中放出的热量，J/kg。对阀门切换型，传热面积：对阀门切换型，传热面积： m2 (5.20)式中：式中：Q每周期内预热气体从格子体获得的热量，每周期内预热气体从格子体获得的热量，J/周期；周期； p预热气体从格子体获得的热量与烟气在预热气体从格子体获得的热量与烟气在 蓄热室中所释放的热量之比。蓄热室中所释放的热量之比。c1m,jtKQBFppc1m,21tKQF