蜂窩陶瓷蓄熱體的傳熱性能研究概述

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 李 鵬 秦朝葵

蜂窩陶瓷蓄熱體的傳熱性能研究概述

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 李 鵬 秦朝葵

簡要介紹了高溫空氣燃燒技術(shù)，重點說明了該技術(shù)中的關(guān)鍵部件蜂窩陶瓷蓄熱體的傳熱過程。詳細(xì)綜述了蜂窩陶瓷蓄熱體的物性參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)對其性能的影響，以及目前的研究狀況，對將來的研究提出了建議。

高溫空氣燃燒技術(shù) 蓄熱式燒嘴 蜂窩陶瓷蓄熱體 傳熱性能

隨著經(jīng)濟發(fā)展、能耗激增，燃料燃燒引發(fā)的污染問題日趨嚴(yán)重，節(jié)約能源、減輕污染、保護環(huán)境的呼聲極為迫切，開發(fā)新型燃燒技術(shù)具有非?，F(xiàn)實的意義。高溫空氣燃燒技術(shù)(high-temperature air combustion，HTAC)作為一項全新的燃燒技術(shù)，自20世紀(jì)90年代以來在冶金、機械和化工等領(lǐng)域得到大力推廣與應(yīng)用。它具有高效節(jié)能、污染物排放低等優(yōu)點。HTAC技術(shù)可充分利用排煙余熱將助燃空氣加熱到800 ℃甚至更高，排煙溫度降到200 ℃以下，從而最大限度回收煙氣余熱，提高了燃料利用率。因助燃空氣被預(yù)熱到很高的溫度，著火、燃燒的穩(wěn)定性極好，這一技術(shù)在我國工業(yè)爐窯行業(yè)得到了很大的發(fā)展。該技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一是用于回收余熱的蓄熱式熱交換器，它是實現(xiàn)煙氣與空氣(或燃?xì)?之間熱交換的蓄熱載體，直接影響蓄熱室的大小、熱效率和經(jīng)濟效益的高低。

1 發(fā)展過程

1858年，Willian Siemens發(fā)明了蓄熱室，許多大型工業(yè)爐改用了這種技術(shù)，如高爐熱風(fēng)爐、玻璃爐窯、均熱爐等。當(dāng)時的蓄熱室采用格子磚作為蓄熱體，蓄熱室體積龐大、造價高、換向時間很長，預(yù)熱氣體的溫度波動也較大。

1982年，英國 Hotwork Development公司和British Gas公司合作開發(fā)出一種在工業(yè)爐和鍋爐上節(jié)能潛力巨大的蓄熱式陶瓷燃燒器(Regenerative Ceramic Burner，RCB)，蓄熱體采用陶瓷小球，在材料、尺寸、形狀、體積、換熱面積等方面皆有質(zhì)的飛躍，標(biāo)志著小型高效蓄熱式燃燒系統(tǒng)的真正來臨。此時的換向時間大大縮短，由分鐘計縮短到由秒計，極大地提高了余熱回收能力和空氣預(yù)熱水平，節(jié)能效果明顯。但是RCB系統(tǒng)的NOx排放量仍然很大，同時因切換時間縮短導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性也存在一些問題，并且預(yù)熱空氣溫度比爐溫低200 ℃，不能實現(xiàn)所謂的“極限余熱回收”，故RCB也被稱為第一代蓄熱式燃燒器。

20世紀(jì)90年代初，日本NKK和日本工業(yè)爐公司開發(fā)出集極限余熱回收與低NOx燃燒于一體的蓄熱式燃燒器，蓄熱體采用蜂窩陶瓷體，并提出了與傳統(tǒng)燃燒機理完全不同的高溫低氧燃燒技術(shù)。由于將節(jié)能與環(huán)保結(jié)合了起來，使用這種蓄熱式燃燒器的燃燒技術(shù)被稱為第二代蓄熱式燃燒技術(shù)，也稱高溫空氣燃燒(HTAC)技術(shù)。

蜂窩陶瓷作為蓄熱體，使傳統(tǒng)的蓄熱室發(fā)生了巨大的變化。從原來的格子磚發(fā)展成為陶瓷小球，又發(fā)展為蜂窩陶瓷體，蓄熱室的比表面積急劇增大，體積明顯減小，換向時間大大縮短，換熱性能得到極大提高，污染物排放量也遠(yuǎn)低于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。與之相結(jié)合的HTAC技術(shù)也被譽為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 傳熱過程

HTAC技術(shù)使用蓄熱式燒嘴，將傳統(tǒng)燒嘴和蓄熱室結(jié)合為一個整體，一方面排出高溫的燃燒產(chǎn)物并進行蓄熱，大量回收余熱；一方面將助燃空氣預(yù)熱至高溫后組織燃燒。燒嘴一般成對布置，當(dāng)其中一個燒嘴進行燃燒時，另一個燒嘴進行排煙，如圖1所示。

圖1 高溫空氣燃燒原理

當(dāng)燒嘴B處于燃燒階段時，燒嘴A處于排煙階段，爐內(nèi)的高溫?zé)煔馔ㄟ^燒嘴A排到爐外，此時高溫?zé)煔馀c蓄熱式燒嘴內(nèi)的蓄熱體進行充分的傳熱，將熱量傳遞給蓄熱體，當(dāng)煙氣被冷卻到接近露點溫度時排到外界。一段時間后換向閥換向，兩個燒嘴同時改變工作狀態(tài)，燒嘴A變成燃燒狀態(tài)，燒嘴B變成排煙狀態(tài)。此時，常溫空氣通過燒嘴A的蓄熱室時，將剛才排煙階段回收的余熱傳遞給常溫空氣，可把常溫空氣預(yù)熱到接近爐膛的溫度，然后通過燒嘴噴入爐膛進行高溫燃燒，此時的燃燒產(chǎn)物經(jīng)過燒嘴B的余熱回收，排到外界。一段時間后再換向，如此反復(fù)循環(huán)。

3 蓄熱體研究現(xiàn)狀

蜂窩陶瓷蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關(guān)鍵部件之一，根據(jù)須藤淳等《蜂窩型蓄熱式燃燒系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用》通常用溫度效率E和余熱回收率η來評價其傳熱性能，主要影響因素有蓄熱體設(shè)計參數(shù)和操作參數(shù)，前者包括蓄熱體的物性參數(shù)和蓄熱體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如蓄熱體的比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、孔道形狀、孔道尺寸、孔道壁厚和蓄熱體長度等；后者包括換向閥的切換時間和蓄熱體內(nèi)流體速度等。

溫度效率如下定義：

余熱回收率:

式中：ta1、ta0——分別為空氣的進口及出口溫度，℃；

tf0——煙氣的進口溫度，℃；

Ga、Gf——分別為空氣及煙氣的質(zhì)量流量，kg/s；

cp,a、cp,f——分別為空氣和煙氣的比熱，kJ/(kg·℃)。

3.1 蓄熱體設(shè)計參數(shù)對性能指標(biāo)的影響

3.1.1 蓄熱體的物性參數(shù)

蓄熱體的熱物性是影響傳熱過程的重要參數(shù)，根據(jù)李愛菊等《新型陶瓷換熱器用蓄熱體材料的選擇》和沈君權(quán)等《蓄熱燃燒與陶瓷球蓄熱式換熱器》表1列出了常用蓄熱體材料的一些熱物性。

表1 常用蓄熱體材料的熱物理性能

李偉等《蜂巢蓄熱體傳熱性的數(shù)值研究》給出了相同煙氣流速下，不同的材料比熱對煙氣出口溫度的影響。在相同的換向時間下，值越大，蓄熱階段的煙氣排煙溫度越低，即蓄熱體的蓄熱能力越強，放熱階段空氣的預(yù)熱溫度也越高，可得到較高的余熱回收率。陳超等《蜂窩陶瓷蓄熱室傳熱性能影響因素分析》在保持其他參數(shù)不變的情況下，分別單獨改變蓄熱體比熱容、密度，研究了蓄熱室綜合傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蓄熱體材料的比熱容和密度對蓄熱室的綜合傳熱系數(shù)影響比較大：綜合傳熱系數(shù)隨著比熱容、密度的增大而增大，且蓄熱體孔格間壁厚越大，比熱容和密度對綜合傳熱系數(shù)的影響就越大。

AI Yuan-fang運用數(shù)值分析的方法研究了蓄熱體物性參數(shù)λ和ρcp對溫度效率的影響，當(dāng)溫度效率達(dá)到最大值 ηmax時對應(yīng)一個最佳換向時間 Topt；當(dāng)λ增加時，ηmax和 Topt有輕微的減小。由于蓄熱體的物性參數(shù)對蓄熱體的溫度效率和最佳換向時間的影響比較小，故一般不用改變蓄熱體物性參數(shù)的方法作為調(diào)整蓄熱體溫度效率和最佳換向時間的方法，實際工程中蓄熱體的材料一旦確定，其物性參數(shù)便隨之確定。

3.1.2 蓄熱體的結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)參數(shù)對蓄熱體傳熱性能的影響一直以來都是研究熱點，因為蓄熱體的孔道尺寸、形狀、壁厚以及長度對其傳熱性能的影響都很大，也影響著工作狀態(tài)下的操作參數(shù)。

張小成采用數(shù)值模擬的方法給出了同孔徑不同壁厚蜂窩體的溫度效率圖。模擬結(jié)果表明：當(dāng)蜂窩體壁厚從0.8 mm減小到0.4 mm時，加熱期和冷卻期的溫度效率都有明顯的提高；但當(dāng)蜂窩體壁厚從0.4 mm減小到0.2 mm時，溫度效率則急劇下降，甚至比0.8 mm壁厚時的溫度效率還低。這是由于大壁厚蜂窩體有較大的熱惰性。在這一工況下，溫度效率在蜂窩體壁厚0.4 mm時有一個最大值，也就是最佳值。該模擬工況采用的換向時間是30 s，當(dāng)換向時間增大時，壁厚對溫度效率的影響也會發(fā)生變化。

高陽等對蜂窩陶瓷蓄熱體進行了熱態(tài)試驗，對4種不同比表面積蓄熱體的溫度效率和熱效率進行了實驗測試。發(fā)現(xiàn)：4種比表面積的蓄熱體都具有較高的溫度效率和熱效率，且每種蓄熱體的溫度效率都高于熱效率；蓄熱體的溫度效率和熱效率均隨著比表面積的增加而增加，且其增大趨勢逐漸減小。這主要是因為，對于結(jié)構(gòu)和長度一定的蓄熱體，在滿足蓄熱體熱容量的前提下，提高蓄熱體比表面積，即增加換熱面積，蓄熱體的效率會隨之提高，但隨著比表面積的不斷增加，當(dāng)不能滿足蓄熱體熱容量時，其增加趨勢會逐漸減小，甚至?xí)霈F(xiàn)下降趨勢。

鄭智偉等對蜂窩陶瓷蓄熱體也進行過實驗研究(見圖2)，在相同入口溫度下，比表面積大的蓄熱體的溫度效率和熱效率均大于比表面積小的蓄熱體的溫度效率和熱效率。其主要原因是對于一定結(jié)構(gòu)的蓄熱體，在滿足蓄熱體熱容量的前提下，提高蓄熱體比表面積，即增加換熱面積，蓄熱體的效率會隨之提高。

圖2 蓄熱體1的比表面積大于蓄熱體2的比表面積

牟寶杰實驗研究了孔隙率對蓄熱體傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)蓄熱體孔隙率對蓄熱體蓄熱前期、放熱期的影響并不十分明顯。但隨著孔隙率的增大,蓄熱體蓄熱后期時間縮短。主要是因為隨著孔隙率增大，在蓄熱體相同體積下，蓄熱體質(zhì)量減少導(dǎo)致蓄熱體蓄熱能力減弱。但同時隨著孔隙率的增大，氣體在蓄熱體孔道內(nèi)的流通性增強，所以導(dǎo)致蓄熱體在蓄熱期時蓄熱速率隨著孔隙的增加而增大，但是相比孔隙率增加引起的蓄熱體質(zhì)量減小對蓄熱體蓄熱能力的影響來說,這一影響并不十分明顯。

封紅燕提出了一種強化蓄熱體傳熱的方法：采用縮放通道的蓄熱體，并用數(shù)值模擬的方法對縮放通道的蓄熱進行了研究。與等截面直通道蓄熱體模擬對比分析可知：通道的縮放會對流動和傳熱產(chǎn)生影響。縮放通道會使得流體流速和壓降變化頻率增大，但其壓力損失要大于等截面直通道蓄熱體。對相同體積大小的蓄熱室，縮放通道蓄熱體在煙氣出口溫度、傳熱速率、對流傳熱系數(shù)等方面都要優(yōu)于等截面直通道蓄熱體，傳熱速率可增大 10%以上，對流傳熱系數(shù)高出20%以上。

3.2 操作參數(shù)對性能指標(biāo)的影響

蓄熱式燃燒器在投入運行之前，均需要對其進行調(diào)試，目的是為了找到其最佳工況。只有在最佳工作參數(shù)下蓄熱式燃燒器才能達(dá)到最佳工作狀態(tài)。操作參數(shù)對蓄熱體的性能指標(biāo)具有很大的影響。

高陽在熱態(tài)試驗的基礎(chǔ)上，初步研究了流量對蓄熱體傳熱系數(shù)和傳熱量的影響，無論何種規(guī)格的蓄熱體，其傳熱系數(shù)都是隨著空氣流量的增加而增加的，但隨著流量的增加，增長趨勢有所下降。蓄熱室的傳熱量隨著流量的增加呈現(xiàn)一種近線性的增加。該實驗是在特定條件內(nèi)進行的，其結(jié)論僅適用于小范圍工況。

李偉等用數(shù)值模擬的方法對蜂窩陶瓷蓄熱體的三維模型進行了周期性的動態(tài)模擬，模擬結(jié)果顯示由于蓄熱量和放熱量的不平衡，蓄熱體從冷態(tài)啟動到趨于穩(wěn)定工況需要經(jīng)過多個傳熱周期才能實現(xiàn)。相應(yīng)地，煙氣的排煙溫度、空氣預(yù)熱后的溫度和壓力損失也都逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。蓄熱體趨于穩(wěn)定的動態(tài)過程，就是蓄熱量逐漸下降、放熱量逐漸增加，直到趨于平衡的過程。蓄熱體存在一個最佳的換向時間使蓄熱體的熱效率最高，但是蓄熱體的非穩(wěn)態(tài)最佳換向時間遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)最佳換向時間；只有在穩(wěn)定狀態(tài)下，才能比較蓄熱體的傳熱特性。

孟祥龍等實驗研究了換向時間對預(yù)熱空氣溫度波動和排煙溫度波動的影響，發(fā)現(xiàn)：與空氣(或煙氣)換熱時，在換向閥剛切換時傳熱速度是最快的，之后換熱速度變慢直至下一次切換前一刻，換熱速度降到最低。換向時間過長，空氣預(yù)熱溫度和排煙溫度波動變大，說明隨著換向時間的延長，空氣預(yù)熱溫度是逐漸下降而排煙溫度是逐漸升高。對于工程應(yīng)用來講，燃料消耗會增大、排煙損失會增大。因此在條件允許情況下應(yīng)盡量縮短換向時間，但實際工程應(yīng)用并不能一味地縮短換向時間。對于蓄熱式廢氣焚燒爐，頻繁換向勢必增加換向過程中廢氣竄入排煙道，造成排放不達(dá)標(biāo)；頻繁的換向也使切換閥的壽命縮短，因此切換時間的選取需兼顧各方面的實際要求。

王皆騰等對換向時間和流速對蓄熱體換熱的影響進行了實驗研究。在正常運行過程中，每當(dāng)換向時，總有某一側(cè)蓄熱體與換向閥之間管路中的空氣(總體積為 V)不能進入蓄熱體而排放到大氣中，另一側(cè)煙氣回流并將熱量帶回爐膛。為了計及這個因素，他引入供風(fēng)效率ηa的概念，即在一個周期內(nèi)，能夠進入蓄熱體的風(fēng)量占總供風(fēng)量Q的比例。綜合圖3中的熱回收率曲線，可見換向時間越短，供風(fēng)效率越低，但熱回收率越高。實際上，熱回收率高是一個假象，因為存在供風(fēng)效率的緣故。必須在考慮供風(fēng)效率的基礎(chǔ)上，對熱回收率進行修正。實際的熱回收率ηreal就應(yīng)該是上述幾方面影響的函數(shù)，如圖3所示，實際熱回收率的最高值對應(yīng)的最佳換向時間才具有參考意義。

圖3 供風(fēng)效率和換向時間的關(guān)系

Yonghua You使用UDF對蓄熱體三維模型的進出口邊界進行了周期性定義，用Fluent對其進行了動態(tài)模擬，研究了換向閥的換向時間和氣流速度對蓄熱體傳熱性能的影響。在空氣流速分別為2.6和5.2 m/s的工況下(各工況下的煙氣流速為與之對應(yīng)的LPG燃燒產(chǎn)物流速)，換向時間以15 s為間隔從15 s到90 s共6個時間點用來做數(shù)值研究，見圖4。

圖4 在不同流速下?lián)Q向時間對蓄熱體性能指標(biāo)的影響

由圖4可知：在空氣流速為2.6 m/s的工況下，當(dāng)換向時間從90 s下降到15 s時，平均空氣預(yù)熱溫度從1 242.6 K單調(diào)遞增到1 302.1 K；當(dāng)空氣流速為5.2 m/s時，平均空氣預(yù)熱溫度從1 013.9 K單調(diào)遞增到1 233.8 K。蓄熱體的有效利用率和熱回收率的變化趨勢和平均預(yù)熱空氣溫度一致。這一現(xiàn)象可由蓄熱體內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)傳熱來解釋，流體工質(zhì)和蓄熱體之間的傳熱速率隨著空氣(或煙氣)的流動而逐漸下降，在流速不變，換向時間較小時，傳熱系數(shù)較大，蓄熱體可以傳遞給空氣更多的熱量，空氣可被預(yù)熱到更高的溫度。當(dāng)流速變大時，流體和固體之間的傳熱速率增強，傳遞相同的熱量需要的時間會變少；另一方面，在蓄熱體蓄熱量不變的情況下，蓄熱體進出口處流體的溫差就會隨著流速的增大而減小。因此預(yù)熱空氣的溫度會隨著預(yù)熱空氣流速的增加而降低。在此研究中，蓄熱體的熱容量不是足夠的大，所以預(yù)熱空氣的平均溫度隨著入口流速的增加而顯著地降低。

4 結(jié)語

蜂窩陶瓷蓄熱體是蓄熱式燃燒器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)均會對蓄熱體的性能指標(biāo)有很大的影響。當(dāng)對蓄熱體進行研究時，必須考察各個參數(shù)同時變化時對其性能指標(biāo)的影響。

本文對現(xiàn)有的蓄熱體研究進行了綜述，蓄熱體的設(shè)計參數(shù)是最根本的參數(shù)，當(dāng)其已確定時，存在最佳的操作參數(shù)以使蓄熱體性能指標(biāo)取得最大值，即一定的蓄熱體設(shè)計參數(shù)對應(yīng)一定的最佳操作參數(shù)。所以蓄熱體的設(shè)計參數(shù)的選定，直接限制了蓄熱體的性能指標(biāo)可取的最高值。

需要指出的是：離開蓄熱式燃燒裝置的實際需求，單純追求蓄熱體的效率是沒有現(xiàn)實意義的。

Introduction to Research on Heat Transfer Performance of Honeycomb Ceramic Regenerator

Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering Li Peng Qin Chaokui

In this paper，high temperature air combustion (HTAC) was briefly introduced and the heat transfer process of honeycomb ceramic regenerator was mainly illustrated. The influence of physical parameters, structural parameters and operation parameters upon the performance of honeycomb ceramic regenerator was analyzed in detail. Recent status was also discussed. Some suggestions for future research were put forward.

high temperature air combustion (HTAC), regenerative burner, honeycomb ceramic regenerator, heat transfer performance