蜂窝陶瓷蓄热体换热器的热动态特性实验研究

  摘　要:对高温空气燃烧技术中的关键设备———蜂窝陶瓷蓄热体换热器的热动态特性进行了实验测试。结果表明:蜂窝陶瓷蓄热体换热器的压力损失随着空气流速以及蓄热体长度的不同而变化,但总体上压力损失并不大;四通换向阀的换向周期、蜂窝陶瓷蓄热体换热器的体积等是影响其温度效率、热回收率等热性能的重要因素。
    关键词:高温空气燃烧;蜂窝陶瓷蓄热体换热器;热动态特性
　　高温空气燃烧技术以其*的节能与环保两大技术优势,正日益受到国内外政府、学术界和企业界的广泛关注[1～4]。高温空气燃烧技术主要包括两项基本技术手段:一是燃烧所用的空气极限地回收烟气的显热,从而获得高温预热空气;二是对燃烧所用的预热空气中的含氧量进行稀释,使燃料在贫氧的条件下进行燃烧。高温空气燃烧的基本技术手段之一是利用具有热性能的蜂窝状陶瓷蓄热体换热器来对燃烧烟气的显热进行回收,并对预热空气进行加热进而产生高温空气。因此,对蜂窝型陶瓷蓄热体换热器的热动态特性进行研究与分析就显得重要和迫切,国内外的学者和技术人员对此问题也有研究[5～7],但均不够细致和深入。鉴于此,本文在大型高温空气燃烧实验台上对不同长度的蜂窝型陶瓷蓄热体换热器的热动态特性进行了实验测试。
    1　实验台的设计
    本次实验是在中国船舶工业总公司上海711研究所热能工程部所建的一座工业性大型实验台上进行的,其结构简图如图1所示。
    实验台为长3.5ｍ、宽3ｍ、高2ｍ的长方体,整个实验台由炉体、预热系统、冷却系统、平焰燃烧器、四通阀、蓄热式换热器、烟气外循环管道和燃气管道系统以及若干控制阀等组成。在实验台上安装了ＣＣＤ火焰检测系统、高温热流计、数字烟气分析仪以及测温热电偶等测量仪器。高温低氧燃烧系统,实质上是采用蓄热体换热器的燃烧装置,但是它与传统的蓄热室式热风炉又有一定的区别。对于一个标准的高温低氧燃烧系统单元而言,它的燃烧器总是成对地交替工作,而燃烧器的空气进口与排烟出口为同一通道。当左侧燃烧器工作时,右侧燃烧器处于排烟、蓄热状态。同理,当右侧的燃烧器工作时,左侧的燃烧器就处于排烟、蓄热状态。控制系统进行切换操作,完成一个循环周期。这种新型燃烧器除了具备传统的燃烧功能外,还具有换热、排烟、进风的功能。
 
    在蓄热式烧嘴中填充了堇青石材料制成的蜂窝状空气换热器,作为对空气进行预热的装置,其形状如图2所示。其比表面积为1667ｍ2/ｍ3,蜂窝孔的面积为2.25ｍｍ2,可以根据需要来填充不同的长度和体积。本文主要讨论该装置在动态运行时的热物理性质。
    2　蜂窝陶瓷蓄热体换热器的压力损失
    压力损失是陶瓷蓄热体换热器的一个重要热力参数,它的大小将影响到燃烧室进风的速度、流量和风机功率的选择。本文通过对不同长度的蜂窝陶瓷蓄热体换热器在不同的进风速度的条件下压力损失的测试,得到了如图3的测试图线。由图3可以看出:蓄热体的压力损失与蓄热体的长度及进风的风速有关。随着空气流速和蓄热体长度的增加,其阻力均呈现出一定幅度的升高趋势。在总体上看,空气在蜂窝蓄热体中流动所受到的阻力损失是比较小的。因此,在选用蜂窝型陶瓷蓄热体换热器时,可以根据燃烧炉的热负荷等其它方面的因素来确定其长度和进风速度,而对其压力损失方面则无需做太多的考虑。
    3　蜂窝陶瓷蓄热体换热器的热回收率
    在利用高温空气燃烧技术时,需要把预热空气加热到比较高的温度（如800～1000℃左右）,因此必须充分利用燃烧烟气的显热,这就要求蜂窝陶瓷蓄热体换热器有较高的热回收率。本文通过对不同长度的蜂窝陶瓷蓄热体在不同烟气温度下运行时的热回收率进行了实验测试,得到了不同长度蜂窝陶瓷蓄热体的热回收率与烟气温度之间的变化关系,
    蓄热体越长（蓄热体的体积越大）,蓄热能力越大,对烟气的热回收率越高;当蓄热体的长度一定时,烟气的温度越高,越接近蓄热体材料的饱和温度（堇青石材料的饱和温度为1000℃左右）,蓄热体的蓄热能力能得到充分的利用,预热空气的出口温度也越容易接近烟气温度,从而实现高的热回收率。
    4　蜂窝陶瓷蓄热体换热器的温度效率
    在高温空气燃烧过程中,采用蜂窝陶瓷蓄热体换热器的目的是为了得到温度尽可能高的预热空气,也就是充分利用燃烧烟气中的显热,使预热空气的出口温度尽可能地接近烟气温度。本文把预热空气的出口温度与烟气进口温度之比定义为蓄热体换热器的温度效率,并对不同预热空气的切换时间、不同的蓄热体长度（蓄热体的横截面积的大小只影响到所加热的空气量）的温度效率进行了实验测试,其结果如图5所示。从图5可以看出,当炉内的燃烧烟气温度一定时,蓄热体的长度越长,其温度效率也越高,这是因为较长蓄热体的蓄热能力较强,可以吸收更多烟气中显热的缘故。同时,不论何种长度的蓄热体,都存在一个*的预热空气切换时间,使得蓄热体换热器的温度效率达到一个zui大值。图5也显示,随着蓄热体长度的减小,蓄热体达到饱和温度的时间缩短,*切换时间也缩短。这是因为,一定长度蓄热体的蓄热能力是一定的,当蓄热体处于放热状态对预热空气进行加热时,若切换时间过长,则随着加热时间的延长,其加热能力将逐渐下降,从而导致了温度效率的降低;若切换时间过短,则蓄热体的蓄热能力不能得到充分的利用,也使其温度效率降低。因此,对于一台给定热负荷的燃烧炉而言,为了能在运行过程中获得的节能效果,关键在于能否通过热态测试手段来确定蓄热体的长度与预热空气切换时间之间的关系。
 
    5　四通换向阀*换向时间的确定
    在高温空气燃烧的过程中,要持续得到高温预热空气,需要一套四通换向阀与蜂窝陶瓷换热器进行匹配。四通换向阀是高温空气燃烧系统中实现送风、空气预热和排烟功能转换的关键设备。从图5中可以得知,四通换向阀换向时间的设置将影响到蜂窝陶瓷蓄热体换热器的温度效率。通过实验测试,本文得到了长度为250ｍｍ的蜂窝陶瓷蓄热体换热器分别在蓄热和放热过程时烟气和预热空气的出口温度随时间变化的关系,如图6所示。

    由图6可见,蓄热体在蓄热过程中,烟气进入蓄热体后,热量被蓄热体大量地吸收,因此其出口温度较低,为600℃左右。经过一定的时间以后,蓄热体的蓄热能力即达到饱和状态（不同的蓄热体材料、蓄热体的体积和烟气温度,有不同的蓄热饱和时间）,无法对烟气的显热进行吸收,此后烟气的出口温度一直都维持在较高的水平上。而在蓄热体的放热过程中,预热空气进入蓄热体后,大量吸收蓄热体所储存的热量,其出口温度比较高。随着加热过程的持续,蓄热体的加热能力减弱,所加热烟气的温度也随之降低。因此,综合蓄热体的蓄热和放热整个周期热力性质的变化情况,在确定四通换向阀的换向时间时,要考虑到蓄热体的蓄热能力并尽可能得到较高的温度效率和热回收率,即较高的蓄热温度和较低的排烟温度。从图6中可以看出,蓄热过程曲线与放热曲线的交叉点是四通换向阀的*切换时间,对于长度为250ｍｍ的堇青石材料来说,是40ｓ左右。图5也显示了,当切换时间为40ｓ左右时,250ｍｍ长度堇青石材料的温度效率zui高。同时实验也表明,当烟气温度较低时,此时蓄热体的蓄热能力利用不足,热交换时间较短,因而切换时间也要短于在高烟温的情况。
    6　结论
    通过对蜂窝陶瓷蓄热体的热动态特性进行实验测试和结果分析,得到如下结论:
    （1）蜂窝陶瓷蓄热体换热器的压力损失较小,并且蓄热体的长度越长,烟气的温度越高,其热回收率也越高。这种热物理性质使蜂窝陶瓷蓄热体换热器十分适合在高温空气燃烧技术中使用。
    （2）预热空气四通换向阀切换时间的设定是能否得到较为理想的预热空气温度的关键。不同的蓄热体长度、烟气温度有着不同的*切换时间,必须通过实验测试结果来设定。