摘　要:對(duì)高溫空氣燃燒技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備———蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明:蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的壓力損失隨著空氣流速以及蓄熱體長度的不同而變化,但總體上壓力損失并不大;四通換向閥的換向周期、蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的體積等是影響其溫度效率、熱回收率等熱性能的重要因素。
    關(guān)鍵詞:高溫空氣燃燒;蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器;熱動(dòng)態(tài)特性
　　高溫空氣燃燒技術(shù)以其*的節(jié)能與環(huán)保兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì),正日益受到國內(nèi)外政府、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注[1～4]。高溫空氣燃燒技術(shù)主要包括兩項(xiàng)基本技術(shù)手段:一是燃燒所用的空氣極限地回收煙氣的顯熱,從而獲得高溫預(yù)熱空氣;二是對(duì)燃燒所用的預(yù)熱空氣中的含氧量進(jìn)行稀釋,使燃料在貧氧的條件下進(jìn)行燃燒。高溫空氣燃燒的基本技術(shù)手段之一是利用具有熱性能的蜂窩狀陶瓷蓄熱體換熱器來對(duì)燃燒煙氣的顯熱進(jìn)行回收,并對(duì)預(yù)熱空氣進(jìn)行加熱進(jìn)而產(chǎn)生高溫空氣。因此,對(duì)蜂窩型陶瓷蓄熱體換熱器的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究與分析就顯得重要和迫切,國內(nèi)外的學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)此問題也有研究[5～7],但均不夠細(xì)致和深入。鑒于此,本文在大型高溫空氣燃燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)不同長度的蜂窩型陶瓷蓄熱體換熱器的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
    1　實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)
    本次實(shí)驗(yàn)是在中國船舶工業(yè)總公司上海711研究所熱能工程部所建的一座工業(yè)性大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
    實(shí)驗(yàn)臺(tái)為長3.5ｍ、寬3ｍ、高2ｍ的長方體,整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由爐體、預(yù)熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、平焰燃燒器、四通閥、蓄熱式換熱器、煙氣外循環(huán)管道和燃?xì)夤艿老到y(tǒng)以及若干控制閥等組成。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上安裝了ＣＣＤ火焰檢測(cè)系統(tǒng)、高溫?zé)崃饔?jì)、數(shù)字煙氣分析儀以及測(cè)溫?zé)犭娕嫉葴y(cè)量?jī)x器。高溫低氧燃燒系統(tǒng),實(shí)質(zhì)上是采用蓄熱體換熱器的燃燒裝置,但是它與傳統(tǒng)的蓄熱室式熱風(fēng)爐又有一定的區(qū)別。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高溫低氧燃燒系統(tǒng)單元而言,它的燃燒器總是成對(duì)地交替工作,而燃燒器的空氣進(jìn)口與排煙出口為同一通道。當(dāng)左側(cè)燃燒器工作時(shí),右側(cè)燃燒器處于排煙、蓄熱狀態(tài)。同理,當(dāng)右側(cè)的燃燒器工作時(shí),左側(cè)的燃燒器就處于排煙、蓄熱狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行切換操作,完成一個(gè)循環(huán)周期。這種新型燃燒器除了具備傳統(tǒng)的燃燒功能外,還具有換熱、排煙、進(jìn)風(fēng)的功能。
 
    在蓄熱式燒嘴中填充了堇青石材料制成的蜂窩狀空氣換熱器,作為對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱的裝置,其形狀如圖2所示。其比表面積為1667ｍ2/ｍ3,蜂窩孔的面積為2.25ｍｍ2,可以根據(jù)需要來填充不同的長度和體積。本文主要討論該裝置在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的熱物理性質(zhì)。
    2　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的壓力損失
    壓力損失是陶瓷蓄熱體換熱器的一個(gè)重要熱力參數(shù),它的大小將影響到燃燒室進(jìn)風(fēng)的速度、流量和風(fēng)機(jī)功率的選擇。本文通過對(duì)不同長度的蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器在不同的進(jìn)風(fēng)速度的條件下壓力損失的測(cè)試,得到了如圖3的測(cè)試圖線。由圖3可以看出:蓄熱體的壓力損失與蓄熱體的長度及進(jìn)風(fēng)的風(fēng)速有關(guān)。隨著空氣流速和蓄熱體長度的增加,其阻力均呈現(xiàn)出一定幅度的升高趨勢(shì)。在總體上看,空氣在蜂窩蓄熱體中流動(dòng)所受到的阻力損失是比較小的。因此,在選用蜂窩型陶瓷蓄熱體換熱器時(shí),可以根據(jù)燃燒爐的熱負(fù)荷等其它方面的因素來確定其長度和進(jìn)風(fēng)速度,而對(duì)其壓力損失方面則無需做太多的考慮。
    3　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的熱回收率
    在利用高溫空氣燃燒技術(shù)時(shí),需要把預(yù)熱空氣加熱到比較高的溫度（如800～1000℃左右）,因此必須充分利用燃燒煙氣的顯熱,這就要求蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器有較高的熱回收率。本文通過對(duì)不同長度的蜂窩陶瓷蓄熱體在不同煙氣溫度下運(yùn)行時(shí)的熱回收率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到了不同長度蜂窩陶瓷蓄熱體的熱回收率與煙氣溫度之間的變化關(guān)系,
    蓄熱體越長（蓄熱體的體積越大）,蓄熱能力越大,對(duì)煙氣的熱回收率越高;當(dāng)蓄熱體的長度一定時(shí),煙氣的溫度越高,越接近蓄熱體材料的飽和溫度（堇青石材料的飽和溫度為1000℃左右）,蓄熱體的蓄熱能力能得到充分的利用,預(yù)熱空氣的出口溫度也越容易接近煙氣溫度,從而實(shí)現(xiàn)高的熱回收率。
    4　蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的溫度效率
    在高溫空氣燃燒過程中,采用蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的目的是為了得到溫度盡可能高的預(yù)熱空氣,也就是充分利用燃燒煙氣中的顯熱,使預(yù)熱空氣的出口溫度盡可能地接近煙氣溫度。本文把預(yù)熱空氣的出口溫度與煙氣進(jìn)口溫度之比定義為蓄熱體換熱器的溫度效率,并對(duì)不同預(yù)熱空氣的切換時(shí)間、不同的蓄熱體長度（蓄熱體的橫截面積的大小只影響到所加熱的空氣量）的溫度效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,其結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,當(dāng)爐內(nèi)的燃燒煙氣溫度一定時(shí),蓄熱體的長度越長,其溫度效率也越高,這是因?yàn)檩^長蓄熱體的蓄熱能力較強(qiáng),可以吸收更多煙氣中顯熱的緣故。同時(shí),不論何種長度的蓄熱體,都存在一個(gè)*的預(yù)熱空氣切換時(shí)間,使得蓄熱體換熱器的溫度效率達(dá)到一個(gè)zui大值。圖5也顯示,隨著蓄熱體長度的減小,蓄熱體達(dá)到飽和溫度的時(shí)間縮短,*切換時(shí)間也縮短。這是因?yàn)?一定長度蓄熱體的蓄熱能力是一定的,當(dāng)蓄熱體處于放熱狀態(tài)對(duì)預(yù)熱空氣進(jìn)行加熱時(shí),若切換時(shí)間過長,則隨著加熱時(shí)間的延長,其加熱能力將逐漸下降,從而導(dǎo)致了溫度效率的降低;若切換時(shí)間過短,則蓄熱體的蓄熱能力不能得到充分的利用,也使其溫度效率降低。因此,對(duì)于一臺(tái)給定熱負(fù)荷的燃燒爐而言,為了能在運(yùn)行過程中獲得的節(jié)能效果,關(guān)鍵在于能否通過熱態(tài)測(cè)試手段來確定蓄熱體的長度與預(yù)熱空氣切換時(shí)間之間的關(guān)系。
 
    5　四通換向閥*換向時(shí)間的確定
    在高溫空氣燃燒的過程中,要持續(xù)得到高溫預(yù)熱空氣,需要一套四通換向閥與蜂窩陶瓷換熱器進(jìn)行匹配。四通換向閥是高溫空氣燃燒系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)送風(fēng)、空氣預(yù)熱和排煙功能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備。從圖5中可以得知,四通換向閥換向時(shí)間的設(shè)置將影響到蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的溫度效率。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,本文得到了長度為250ｍｍ的蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器分別在蓄熱和放熱過程時(shí)煙氣和預(yù)熱空氣的出口溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系,如圖6所示。

    由圖6可見,蓄熱體在蓄熱過程中,煙氣進(jìn)入蓄熱體后,熱量被蓄熱體大量地吸收,因此其出口溫度較低,為600℃左右。經(jīng)過一定的時(shí)間以后,蓄熱體的蓄熱能力即達(dá)到飽和狀態(tài)（不同的蓄熱體材料、蓄熱體的體積和煙氣溫度,有不同的蓄熱飽和時(shí)間）,無法對(duì)煙氣的顯熱進(jìn)行吸收,此后煙氣的出口溫度一直都維持在較高的水平上。而在蓄熱體的放熱過程中,預(yù)熱空氣進(jìn)入蓄熱體后,大量吸收蓄熱體所儲(chǔ)存的熱量,其出口溫度比較高。隨著加熱過程的持續(xù),蓄熱體的加熱能力減弱,所加熱煙氣的溫度也隨之降低。因此,綜合蓄熱體的蓄熱和放熱整個(gè)周期熱力性質(zhì)的變化情況,在確定四通換向閥的換向時(shí)間時(shí),要考慮到蓄熱體的蓄熱能力并盡可能得到較高的溫度效率和熱回收率,即較高的蓄熱溫度和較低的排煙溫度。從圖6中可以看出,蓄熱過程曲線與放熱曲線的交叉點(diǎn)是四通換向閥的*切換時(shí)間,對(duì)于長度為250ｍｍ的堇青石材料來說,是40ｓ左右。圖5也顯示了,當(dāng)切換時(shí)間為40ｓ左右時(shí),250ｍｍ長度堇青石材料的溫度效率zui高。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也表明,當(dāng)煙氣溫度較低時(shí),此時(shí)蓄熱體的蓄熱能力利用不足,熱交換時(shí)間較短,因而切換時(shí)間也要短于在高煙溫的情況。
    6　結(jié)論
    通過對(duì)蜂窩陶瓷蓄熱體的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果分析,得到如下結(jié)論:
    （1）蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器的壓力損失較小,并且蓄熱體的長度越長,煙氣的溫度越高,其熱回收率也越高。這種熱物理性質(zhì)使蜂窩陶瓷蓄熱體換熱器十分適合在高溫空氣燃燒技術(shù)中使用。
    （2）預(yù)熱空氣四通換向閥切換時(shí)間的設(shè)定是能否得到較為理想的預(yù)熱空氣溫度的關(guān)鍵。不同的蓄熱體長度、煙氣溫度有著不同的*切換時(shí)間,必須通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來設(shè)定。