第5章_蓄热式热交换器

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。
5.3.1 传热系数
对回转型蓄热式热交换器，基于式(5.7)同时还应考 虑烟气、空气冲刷转子的份额不同 (一般烟气冲刷 占180°，空气冲刷占120°，过渡区为2×30°)及 蓄热板表面积灰等因素，传热系数为：
K ε Cn 1 1 1 x1α1 x2α2
5.3.2 对流换热系数
☆对回转型： Nu=ARem Pr0.4Ct C1
(5.15)
式中：A—系数，因蓄热板结构不同而异；Ct—与蓄热 板壁温及气流温度有关的系数。烟气被冷却Ct =1，空
气被加热Ct=(T/Tb)0.5，式中T为流过气体的温度，Tb为
蓄热板壁温；C1—考虑蓄热板通道长度与其当量直径 比值的修正系数，当l /de≥50时，C1=1.0。
5.1.1 回转型蓄热式热交换器
回转型蓄热式热交换 器主要由圆筒形蓄热 体 (常称转子)及风罩 两部分组成。它又分 为转子回转型和外壳 回转型。转子就是一 个蓄热体。
图5.1 转子回转型空气预热器 1转子；2转子的中心轴；3环形长齿条；4主动齿轮；5烟气入口； 6烟气出口；7空气入口；8空气出口；9径向隔板；10过渡区；11密封装置
5 蓄热式热交换器
★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 构成传热面物体的热容作用 (吸热或放热)， 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 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。 与直接接触式相比，差别更为明显，因为 蓄热式中不是通过冷、热流体的直接混合来 换热的。 ★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 中的余热利用和废热回收等方面。
☆忽略热损失，间壁式气体1、2间热平衡： M1cp1(t′1 – t″1)=M2cp2 (t″2 – t′2) (5.1)
☆对蓄热式，气体1所放出的热量： Q1=M1cp1(t′1,m– t″1,m) 气体2所吸收的热量： Q2=M2cp2(t″2,m– t′2,m) ☆忽略对外热损失，热平衡： M1cp1(t′1,m– t″1,m)=M2cp2(t″2,m– t′2,m)
1空气出口；2空气入口；3烟气出口；4回转风罩；5隔板；6烟气入口
蓄热室中蓄热体大多由耐火砖砌成的格 子砖构成。为连续运行，都具有两个蓄 热室。这种阀门切换型常用于玻璃窑炉 ，冶金工业中高炉的热风炉。
图5.4 阀门切换型蓄热式热交换器工作原理图
图5.5 蓄热室结构简图
图5.6 阀门切换型热交换器用于玻璃窑炉示意图
☆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。
图5.8 蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化
图5.9 逆流下的间壁式和蓄热式热交换器
☆气体1所放出的热量： Q1=M1cp1(t′1 – t″1) ☆气体2所吸收的热量： Q2=M2cp2(t″1 – t′2)
式中：F、F1、F2—分别为总的、通过烟气 和空气处的传热面积； f、f1、f2—分别为总的、烟气和空 气的流通截面积。
☆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 每周期传热系数表示为： 1 1 1 2 K ℃周期) (5.13) J/(m2· α1 τ 1 α 2 τ 2 C γδηξ
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， 即采用复合换热系数： α1, t = α1, tc +α1, tr α1, b = α1, bc +α1, br
(5.17a) (5.17b)
对于空气与格子砖间换热则仅考虑对流换热：
α2, t = α2, tc
α2, b = α2, bc
K
(t1 – tw1)dτ =α1F(t1,m– tw1,m)τ1
0
τ1
J
(5.4)
☆或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表示：

τ2
0
(tw2 – t2)dτ=α2F(tw2,m – t2,m)τ2
1
J
(5.5)
☆综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数：
1 1 τ1 τ2 α1 α2 τ0 τ0 tw1, m tw2, m 1 W/(m2· ℃) (5.6) t t 1,m 2,m
＊用式(5.15)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。
☆对阀门切换型：
αc B W
0.5 max
de
0.33
φ
W/(m2· ℃)
(5.16)
式中：B—系数，因格子体结构不同而异； de—格孔的当量直径，m； Wmax—折算到标准状况下气体在最小 截面处流速，Nm/(m2· s)； φ—与温度有关的校正系数。
(5.18a)
(5.18b)
这样，由式(5.17a)、(5.18a)及(5.13)可求 Kt， 由式(5.17b)、(5.18b)及(5.13)可求 Kb， 最后由式(5.14)可求总传热系数 K。
5.3.3 传热面积
☆对回转型，传热面积F的计算常与所消耗的 燃料量联系起来：
F BjQ K Δt1m,c
W/(m2· ℃) (5.12)
ε—综合考虑烟气对蓄热板表面灰污以及 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 的利用系数，一般，ε =0.8~0.9。
Cn—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； x1、x2—分别为烟气、空气冲刷转子的份额：
x1 τ 1 F1 f 1 τ0 F f τ 2 F2 f2 x2 τ0 F f
格子砖：C—平均比热；γ—容重；δ—厚度； η—利用率；ξ—温度变动系数。
☆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(热端)和下部(冷 端)来求取，再计算平均值：
K t nK b K J/(m2· ℃周期) (5.14) 1 n 式中：Kt、Kb—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
J (5.8)
☆而热气体的放热量为：
Q=α1F/2(t1,m – tw1,m)τ0, ☆冷气体的吸热量为： Q=α2 F/2(tw2,m – t2,m)τ0,
K 1 2 2 α1 α2
J (5.10) J (5.9)
☆如忽略壁面热阻，即 tw1,m= tw2,m，得：
W/(m2· ℃) (5.11)
5.2 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、 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。
☆特点一：蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不 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 处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。
当换热周期 τ0→0时，曲线 tw1与 tw2 将变成同一
直线，因而 tw1,m= tw2,m，此时Cn为1。
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： ☆紧凑性很高。采用20~50目金属网板作蓄热体时， 每m3容积可容纳的传热面积为2296~6560 m2。 而间壁式，即使紧凑性最高的板翅式热交换器 一般只有2000 m2/m3左右。
m2 (5.19)
式中：Bj —燃料消耗量，kg/h；Q—1kg燃料所产生的 烟气量(包括漏风量)在空气预热器中放出的热量，J/kg。
☆对阀门切换型，传热面积：
F 1 ηp Q K Δt1m,c 2ηp
m2
(5.20)
式中：Q—每周期内预热气体从格子体获得的热量，J/周期； ηp—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。
如τ1=τ2，则：
tw1, m tw2, m K 1 2 2 t t 1,m 2,m α1 α2 1
W/(m2· ℃) (5.7)
☆设有一间壁式热交换器，传热面积为F，但冷 气体及热气体各占一半，热气体的平均温度 为t1,m，冷气体的平均温度为 t2,m 则在时间 τ0 内该间壁式热交换器的传热量： Q=KF(t1,m – t2,m)τ0，
☆比较式(5.3)与(5.8)及(5.7)与(5.11)可见，由于 加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得 其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅 为间壁式热交换器的 tw1, m tw2, m 倍。 1 t1,m t2,m ☆称它为考虑非稳定换热影响的系数—Cn。 由于传热表面温度不稳定而产生的。由图5.8(b)，
(5.2)
设传热面积为 F，循环 周期为 τ0 (加热时间 τ1，
冷却时间 τ2 )，
可得蓄热传热量： Q=KF(t1,m – t2,m)τ0 J t1,m、t2,m—热、冷流体 平均温度，℃
(5.3)
(a) 假想间壁式换热
(b) 蓄热式换热
图5.10 蓄热式及假想间壁式热交换器中的传热过程
☆传热量Q可由热气体1与蓄热体间对流换热量表示： Q=α1F Q=α2F
图5.2 蓄热板结构图
5.1.2 阀门切换型蓄热式热交换器
图5.3为外壳回转型蓄热式热 交换器，它由上下回转风罩、 传动装置、蓄热体、密封装 置、烟道和风道构成；一端 为8字形，另一端为圆柱形的 两个风罩盖在定子的上下两 个端面上，其安装方位相同， 并且同步绕轴旋转。
图5.3 风罩旋转的回转型空气预热器
☆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(如陶瓷)作传热面。 ☆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动去除。