生物質(zhì)熱風(fēng)爐供熱原理及熱效率試驗(yàn)方法研究

張平 劉勇 紀(jì)鴻波

0 引言

生物質(zhì)熱風(fēng)爐以生物質(zhì)顆粒為燃料，主要用作糧食烘干機(jī)、農(nóng)業(yè)大棚的熱源。生物質(zhì)熱風(fēng)爐主要由熱交換器、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、殼體和控制裝置構(gòu)成。熱交換器作為熱量交換設(shè)備，是熱風(fēng)爐的核心裝置，生物質(zhì)燃料在其中燃燒產(chǎn)生熱量，經(jīng)它轉(zhuǎn)換作為熱源使用。

1 供熱原理

燃料在熱風(fēng)爐中燃燒所產(chǎn)生的總熱量稱為輸入熱量。在燃燒和熱量交換的過程中有一部分熱量損失掉了，損失掉的熱量稱之為損失熱量。損失熱量主要有散熱損失、不完全燃燒損失、排煙損失、灰渣熱損失等。剩余的能提供作為熱源使用的有效熱量，稱之為熱風(fēng)爐的輸出熱量。熱效率是用來衡量投入熱風(fēng)爐里的生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的能量到底有多少能夠被利用來轉(zhuǎn)換成熱風(fēng)的指標(biāo)。根據(jù)熱平衡原理（輸入熱量 = 輸出熱量 + 損失熱量）可得出熱效率的計(jì)算方法：熱效率 = （輸出熱量/輸入熱量）×100%。

目前江蘇地區(qū)主要使用的生物質(zhì)熱風(fēng)爐的熱交換器是由數(shù)十根熱交換管和殼體組成，高溫?zé)煔庠诠軆?nèi)流動(dòng)，通過管壁加熱管壁外、殼體內(nèi)流動(dòng)的冷空氣，實(shí)現(xiàn)熱交換器內(nèi)的氣體熱量交換。圖1為熱交換示意圖。

鼓風(fēng)機(jī)將外界冷空氣吹進(jìn)爐膛內(nèi)，使得燃料充分燃燒，排煙風(fēng)機(jī)將經(jīng)過熱交換后的低溫?zé)煔馀懦?，引風(fēng)機(jī)通過其自身產(chǎn)生的負(fù)壓將熱交換器內(nèi)產(chǎn)生的熱空氣引出作為熱源。引風(fēng)機(jī)一般有冷風(fēng)進(jìn)口和熱風(fēng)出口兩個(gè)可調(diào)節(jié)風(fēng)口，用來控制冷、熱風(fēng)的風(fēng)量。冷風(fēng)進(jìn)口與外界相通，熱風(fēng)出口則與熱交換器相連接。當(dāng)引風(fēng)機(jī)內(nèi)熱風(fēng)溫度過高時(shí)，可以調(diào)節(jié)冷風(fēng)進(jìn)口的大小，加大進(jìn)風(fēng)量，同時(shí)調(diào)節(jié)熱風(fēng)出口的大小，控制進(jìn)入引風(fēng)機(jī)內(nèi)的熱空氣量，從而起到控制熱風(fēng)溫度的作用。在熱風(fēng)出口上一般都裝有溫度傳感器，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)犸L(fēng)溫度。

圖 1 熱交換示意圖

2 熱效率試驗(yàn)

熱效率是衡量熱風(fēng)爐質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。一臺質(zhì)量較好的熱風(fēng)爐，熱量轉(zhuǎn)換過程中損耗的能量較少，熱效率高，輸出的熱量也多。計(jì)算熱風(fēng)爐熱效率的通用方法有兩種，即正平衡法（直接法）和反平衡法（間接法）。正平衡法是直接測算出輸入熱風(fēng)爐中燃料的總熱量和經(jīng)熱交換器轉(zhuǎn)換后輸出的有效熱量，計(jì)算兩者的比值得出熱效率；反平衡法則是先測出熱風(fēng)爐的各項(xiàng)熱量損失率，然后利用相減法得出熱效率。目前試驗(yàn)檢測人員在試驗(yàn)過程中一般使用正平衡法來測算熱效率。

2.1 試驗(yàn)須知

試驗(yàn)開始前先經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測得到生物質(zhì)燃料本身的熱值數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到定量燃料本身所能提供的熱量，然后通過測試和計(jì)算其燃燒后熱風(fēng)爐所能輸出的熱量。試驗(yàn)過程中取用的生物質(zhì)燃料的熱值為其低位熱值，試驗(yàn)的熱風(fēng)爐所提供的熱風(fēng)溫度也在限定的范圍內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)要求

測試熱風(fēng)爐輸出的熱量，需要制作專用的測量管道。為便于布置測量點(diǎn)，一般采用圓柱形管或矩形管。每次試驗(yàn)應(yīng)在熱風(fēng)爐達(dá)到額定工況并穩(wěn)定后開始，穩(wěn)定時(shí)間不少于1 h。

2.3 試驗(yàn)方法

首先將測管在熱風(fēng)出口處固定好，在固定好的測管上確定測量位置。為保證在試驗(yàn)過程中所測的熱風(fēng)風(fēng)壓和溫度較穩(wěn)定，選擇的測量位置一般距離爐子和測管接口5D（D為測管直徑，矩形管道則以當(dāng)量直徑Da代替D），在測量位置后測量管道的長度還要留有3D的長度，以便于熱風(fēng)的順利輸出，同時(shí)應(yīng)確保管道內(nèi)無任何障礙物。測量位置如圖2所示。

測量位置確定后，布置測壓點(diǎn)和測溫點(diǎn)。圓形管道在截面同心圓上布置測點(diǎn)，測點(diǎn)排列在截面圓的中心線上；矩形管道在截面矩形上布置測點(diǎn)，先將截面矩形用經(jīng)緯線均勻劃分成若干個(gè)小矩形，取各小矩形對角線交點(diǎn)為測點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)的多少根據(jù)管道直徑來定。測點(diǎn)的具體布置方法如圖3、圖4所示。

圖 2 測量管道與測量位置圖

圖 3 圓形管道上測點(diǎn)分布示意圖

圖 4 矩形管道上測點(diǎn)分布示意圖

輸出熱風(fēng)溫度t用多點(diǎn)溫度巡檢儀進(jìn)行檢測，將巡檢儀探頭固定在測點(diǎn)位置進(jìn)行測試并記錄。風(fēng)壓測定位置與熱風(fēng)溫度測定位置一致，因此可在測定熱風(fēng)溫度時(shí)利用皮托管和傾斜微壓計(jì)同步測出熱風(fēng)風(fēng)壓zp并記錄。

3 熱效率計(jì)算

3.1 相關(guān)參數(shù)的測量和計(jì)算

3.1.1 進(jìn)風(fēng)濕含量

在進(jìn)風(fēng)口分別用空盒氣壓表和濕度計(jì)對大氣壓力p和進(jìn)風(fēng)相對濕度φ進(jìn)行測量，多測幾次取其算術(shù)平均值。

進(jìn)風(fēng)濕含量根據(jù)公式（1）計(jì)算：

式中：X——進(jìn)風(fēng)濕含量；

p ——大氣壓力，Pa；

φ——進(jìn)風(fēng)相對濕度，%；

ps——飽和蒸汽壓力(可通過查表獲得)，Pa。

3.1.2 輸出熱風(fēng)密度

輸出熱風(fēng)密度根據(jù)公式（2）計(jì)算：

式中：ρ——輸出熱風(fēng)密度，kg/m3；

H ——?dú)怏w絕對壓力，Pa。

3.1.3 輸出熱風(fēng)流速

輸出熱風(fēng)流速根據(jù)公式（3）計(jì)算：

式中：vp——輸出熱風(fēng)流速，m/s；

kd——皮托管系數(shù)（一般采用標(biāo)準(zhǔn)皮托管，kd=1）；

k ——傾斜微壓計(jì)的常數(shù)因子；

zp——熱風(fēng)風(fēng)壓，Pa。

3.1.4 輸出熱風(fēng)流量

輸出熱風(fēng)流量根據(jù)公式（4）計(jì)算：

式中：qv——輸出熱風(fēng)流量，m3/h；

F——熱風(fēng)管道的截面積，m2。

3.2 熱功率的計(jì)算方法

3.2.1 熱功率

熱功率（即輸出熱量）根據(jù)公式（5）計(jì)算：

式中：Qyx——熱功率，KJ/h；

3.2.2 熱風(fēng)平均定壓質(zhì)量比熱容

熱風(fēng)平均定壓質(zhì)量比熱容根據(jù)公式（6）計(jì)算：

3.3 熱效率的計(jì)算方法

3.3.1 熱效率

熱效率可根據(jù)公式（7）計(jì)算：

式中：η——熱效率，%；

QGG——輸入熱量（生物質(zhì)燃料燃燒所能產(chǎn)生的熱量），KJ/h。

3.3.2 輸入熱量

輸入熱量可根據(jù)公式（8）計(jì)算：

B ——每小時(shí)燃料消耗量，kg/h。

4 結(jié)語

通過近幾年不斷地探索和實(shí)踐，試驗(yàn)檢測人員在測定熱效率時(shí)，較傾向于采用正平衡法。相比于反平衡法，正平衡法的優(yōu)點(diǎn)是簡單直接、易于操作，缺點(diǎn)是無法得出熱量損失數(shù)據(jù)以進(jìn)行橫向比對。開展對反平衡試驗(yàn)方法的探索研究，評測出熱量轉(zhuǎn)換過程中的各項(xiàng)熱量損失指標(biāo)，有利于對生物質(zhì)熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)一步提高生物質(zhì)熱風(fēng)爐的工作效率，降低能耗，使其更好的在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。