热风炉在换热系统的中热工特性及其优化

点击：2027 日期：[ 2014-04-26 21:35:33 ]

热风炉在换热系统的中热工特性及其优化李爱琴1,2，赵海3 (1·北京石油化工学院机械工程学院，北京102617；2·北京理工大学宇航科学技术学院，北京100081；3·北京航天发射技术研究所，北京100076) 摘要：目前热风炉换热器的设计多借鉴工业炉用预热助燃空气的高温换热器，选型多按余热利用换热装置在设计及应用中形成的经验选型。其实热风炉用换热系统与余热利用换热系统在运行时存在较大区别。本文从热工理论出发，介绍了换热系统在热风炉中的重要地位。通过热风炉用换热系统与余热利用换热系统的对比，阐述了热风炉换热系统的热工特性，其中包括：入口烟气温度、出口空气温度、换热器的结构以及温度效率和换热效率的取值范围。在设计、生产时应注意到热风炉换热系统的这些热工特性，以使生产的热风炉能够达到热效率、温度效率及寿命的优化统一。关键词：热风炉；换热系统；热工特性中图分类号：TK175文献标识码：A 0·引言热风炉是用于气流干燥、喷雾干燥、流化干燥、塔式干燥、隧道干燥以及回转干燥等装置的主要辅助设备，也是温室及家畜饲养场加温的主要设备，广泛应用于农业生产、农产品及食品加工等行业。燃料热风炉是将燃料燃烧得到的热能通过换热器与冷空气进行换热得到热空气的一种能量交换系统。一般热风炉主要由燃料燃烧系统、换热系统和排烟除尘系统组成。如果需要对炉膛压力及燃烧状态进行监控，有的热风炉还配有自动监测和控制系统。热风炉的典型装置如图1所示： 1.风机2.引烟机3.第一热风腔4.导烟管5.烟道腔6.第二热风腔7.燃料8.燃烧腔9.进风口10.热风出口换热器是实现两种不同温度流体（冷、热流体）相互换热的装置。是热风炉换热系统的核心。由于烘干作为热加工，其工艺非常广泛，各行业所用的干燥工艺不同，干燥设备种类繁杂，干燥并没有形成独立的行业，国内目前生产干燥设备的厂家虽然很多，但大多是20世纪60年代从一些机械行业转产而来的，这些厂家在机械加工方面有丰富的经验，但对设备所涉及的热工理论研究较少。尤其对热风炉更是如此。热风炉用换热器设计多借鉴工业炉用预热助燃空气的高温换热器，选型多按余热利用换热装置在设计及应用中形成的经验选型[1]。其实热风炉用换热系统与余热利用换热系统在热工方面存在较大区别。生产厂家极少注意到此点，因而生产的热风炉很难达到热效率、温度效率及寿命的优化统一。 1·热风炉换热系统的热工特性表面看热风炉换热系统与余热利用换热系统基本相同，都是利用烟气放出的热量来满足生产需求。但实际上热风炉换热系统有着不同于其他工业炉余热利用换热系统的热工特性。下面通过热风炉用换热系统与余热利用换热系统的对比，来阐述热风炉用换热系统的热工特性。 1.1换热系统在热风炉中的地位换热系统是热风炉的核心。热风炉的最终产品是一定温度的热风，所以换热器是热风炉系统必不可少的一部分；而余热利用换热器装设的目的是为了将空气预热，以节约燃料，提高工业炉的热效率，换热器安装后必须能自行收回投资，即换热器在完全坏掉之前，能以其节约之燃料费，补偿其建造费用而有余。换热器不是工业炉设备的必要组成部分。 1.2热风炉换热系统操作参数和结构特性（1）换热器入口烟气温度由于大多数热风炉炉膛内不布置受热面，为避免炉膛温度过高而在炉膛和炉拱上结渣，一般采用较大的过量空气系数和烟气再循环[2]的方法降低入换热器烟温，尽管如此，换热器入口烟气温度仍然在800℃以上。余热利用换热器一般布置在工业炉尾部，利用工业炉排出烟气的余热来预热空气，一般烟气温度较低。（2）换热器出口空气温度热风炉换热器出口空气温度要根据干燥物料的种类和干燥方法确定。例如大豆采用塔式烘干机烘干时，热空气温度要求在80~90℃之间；油菜籽使用流化床烘干机烘干时，使用干燥介质温度为160~180℃之间[3]。在生产中应该严格控制换热器出口空气温度，否则会造成较大的损失。比如当干燥介质温度超过150℃时，玉米受热温度大于60℃时，玉米就会大量爆腰，品质下降。余热利用换热器是利用满足生产需要后的烟气的余热来预热助燃空气，预热空气温度越高越好，没有限制。（3）结构特性热风炉的寿命是衡量换热器的重要指标之一，它既关系到生产能否正常进行又关系到生产的经济效益。一般来说，热风炉的寿命主要取决于换热器的寿命，影响换热器寿命的主要因素是换热器管壁温度。在热风炉的换热器中，受热面壁温接近烟气和空气的平均温度，在烟气温度较高的地方，壁温也高，可能超过受热面金属极限耐热温度，造成金属表面氧化并逐层脱落。严重时可将受热面烧坏，造成空气向烟气侧泄漏，使热风炉出力降低，增加了热风炉排烟热损失。热风炉发展初期，因对壁温过热认识不足，出现过一些热风炉在短时间内烧坏报废的情况。为解决这一问题，一般在换热器易超温受热面处使用耐热合金钢，在温度较低的部分使用普通碳钢，形成复合结构[4]。而对于余热利用换热器，一般工业炉排出的烟气温度较低，换热器普遍使用价格较低的碳钢。 1.3热风炉换热系统的温度效率和换热效率热风炉换热器与余热利用换热器最主要区别在于空气侧和烟气侧的水当量关系不同。由此导致温度效率和换热效率的取值范围不同。水当量定义为体积流量与体积比热容的乘积，即： W=V×C………………………………………（1）式中：V－体积流量；m3/hC－体积比热容；kJ/m3·℃1.3.1逆流换热器对于余热利用换热器，当炉膛排出的全部废气只预热助燃空气时，通常是W1＞W2，即废气水当量大于空气水当量。换热器的换热效率极限为：注：上面论及的最大值都是理想换热器（指凡是热量不向外散失，热交换面为无穷大的换热器）在被加热气体初始温度接近0℃时的值。实际上设计换热器时，无论怎样增大传热面积，也不可能使η温和η热超过相应的极限[5]。 2·结语与余热利用换热系统相比，热风炉的换热系统在相对主体结构的重要性、操作参数、结构等方面都有着显著的热工特征。热风炉用换热系统最显著的热工特性是烟气侧与空气侧的水当量关系，这导致了完全不同于余热利用换热系统的温度效率和换热效率。热风炉设计者应注意到热风炉的这些热工特性，使生产的热风炉达到热效率、温度效率及寿命的优化统一。参考文献 [1]赵广播,黄怡珉,阮根健.提高热风炉使用寿命的一种有效方法.节能技术,1999,(2):83-85. [2]戴东江,宋志宇,闫平.烟气再循环在热风炉中的应用分析.节能,1999,(7):21-22. [3]潘永康.现代干燥技术.北京:化学工业出版社,1998. [4]梁杰.列管式热风炉计算研究.农机化研究,1998,(1):51-54. [5]陆钟武,等.火焰炉.沈阳:东北大学出版社,1995.

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