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热风炉用换热器传热性能研究点击：1949 日期：[ 2014-04-26 21:35:43 ] |
| 热风炉用换热器传热性能研究 李爱琴1,2 (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) 摘要：换热器是干燥热风炉的主要设备，用LMTD法计算了筒式辐射换热器在空气升高不同温度时的换热面积。绘制了空气升高温度差Δt=t2-t1与平均换热面积（F/(t2-t1)）的关系曲线，在此基础上提出了经济温度区域的概念。应用此概念可以指导高温大容量热风炉二级换热器的设计和选择。 关键词：热风炉；筒式辐射换热器；经济温度区域 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。热风炉换热系统有着自己的热工特性[1]，换热器是热风炉热交换系统的核心。 1·换热器研究现状 目前换热器的研究多从换热器的热计算基本公式（1）出发，考虑到换热器寿命的原因，换热器入口烟气温度不能过高，所以对于热风炉用换热器来说，换热量Q和对数平均温压Δtm基本已经确定，目前人们对换热器的研究多停留在开发新型高传热系数换热器或者改造旧式换热器，使它传热系数增大，其根本目的是减少换热面积，从而减少换热器的制造成本。对于使用单级换热器的热风炉来说，减少换热面积的主要途径是增大传热系数，因为传热系数愈大，在换热器吸收相同热量时，所需的换热面积（体积）愈小，投资愈低；但提高传热系数的措施，往往会导致阻力损失的增加。例如强化空气侧和烟气侧的对流换热，通常是靠提高流经换热器内的气体流速及紊流度来实现的，这就势必导致空气和烟气流路阻力损失的增加。从而要求炉子具有较大的鼓风及排烟能力，使设备投资及动力消耗增加。对于高温大容量热风炉用换热器，如使用单级换热器体积往往过大或者根本不能满足生产要求。所以高温大容量热风炉一般多采用复合换热器，实行二级换热。在追求单个换热器高传热系数的同时，能否通过合理分配两个换热器的换热量在满足工作要求的情况下，节省换热面积呢？或者在什么情况下，热风炉选择使用二级换热，至今未见有关报道。 K：换热器的传热系数，单位W／(m2·℃)；Q：换热量，单位KJ；F：换热器换热面积，单位m2；Δtm：对数平均温差 2·筒式辐射换热器传热性能研究 下面以筒式辐射换热器为例讨论高温大容量热风炉用换热器的传热特性，从而找采用二级换热的热风炉合理分配换热器换热量的有效方法。 在入换热器的空气量VK＝26000 m3/h、烟气量Vy＝10 000 m3/h和烟气温度为1 100℃的条件下对筒式辐射换热器进行分析。筒式辐射换热器的示意图[2]如图1所示。给定的筒式辐射换热器结构参数如下：内筒为Ф2 500 mm×6 mm，内筒外壁焊有100个高40 mm，宽8 mm的肋片，缝宽为60 mm，在空气和烟气顺流流过筒式辐射换热器时，将LMTD法[3]的计算过程程序化，从空气平均升高1℃所需换热面积曲线着手，分析换热器的传热特性。图2中的曲线表示初始温度t1=0℃的空气进入换热器，升高到时t2时，温度差Δt=t2-t1与平均换热面积F/(t2-t1)的关系曲线。 从图2可以看出，在温差Δt≥280℃后，所需的平均换热面积开始急剧增长，很快到达无穷大。可以说空气入口温度在0℃时，换热器的经济温度区域Δt为280℃。换热器在此经济温度区域内工作时，空气每升高1℃所需的换热面积较少。所需的总换热面积也较少。超出此经济温度区域工作时，所需的换热面积很快增加，造成了换热器使用材料的不必要浪费，在设计和选用换热器时，应尽量使其工作在经济温度范围之内。如果大容量高温热风炉采用一级换热，换热器已经工作在经济区域以外应考虑采用二级换热。 图3中的三条曲线分别表示初始温度t1=0℃，t1=100℃，t1=200℃的空气进入筒式辐射换热器，升高到t2时，温度差Δt=t2-t1与空气平均每升高1℃所需的换热面积（平均换热面积）即F/(t2-t1)的关系线。从图3中可以看出：在t1=0℃，当空气Δt≥280℃后，其平均换热面积急剧增长，也就是说t1=0℃时，此筒式辐射换热器的经济温度区域为280℃，对t1=100℃空气来说，在温差Δt≥260℃后，平均换热面积开始急剧增长，与t1=0℃的曲线增长趋势基本相同。当入口空气温度t1=200℃时，在Δt≥240℃，平均换热面积开始急剧增长。比另外两条曲线更快到达无穷大。经分析，空气初始温度越高，升高相同温度所需的换热面积越多，而且经济温度区域越小。空气起始温度不同，在空气加热温度差值相同条件下，平均换热面积不同，随空气起始温度的升高，平均换热面积随之增大。即使在空气起始温度相同的情况下，升高到不同的温度，平均换热面积也不同，随空气温度升高差值的增大，平均换热面积逐渐增大，到某一临界值后，平均换热面积急剧增大，很快达到无穷大。 3·结论 讨论了筒式辐射换热器特性曲线，在此基础上，提出了经济温度区域的概念。在大容量高温热风炉的设计过程中，对使用单级换热的热风炉，应保证换热器工作在经济温度区域内，如果其工作区域已经超过了经济温度区域，应考虑采用二级换热。使用二级换热时，在两个换热器均工作在经济温度区域的前提下，如果合理分配两个换热器的换热量，能够节省的换热面积，从而降低换热器的制造成本。 参考文献 [1]李爱琴,赵海.热风炉换热系统的热工特性[J].中国农学通报,2009(7):276-278. [2]王秉铨.工业炉设计手册(2版)[M].北京.机械工业出版社,2000:261-262. [3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京.化学工业出版社,2002:58-81. |
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