工业炉热工与设备 第五单元

解决热膨胀问题 较为有效的方法是采 用弯管式结构，以增 加管子的弹性和吸收 热膨胀韵能力。将传 热管束均弯曲成一定 的角度，使它具有一 定的弹性，以解决热 膨胀的不均匀问题。
弯管式
将管子弯成U形结构，取消下部的风箱，能 较好地解决因热膨胀不均匀而使焊缝开裂的问 题。但是，弯管的制造较为复杂，并且，各根 弯管的长度不同，又没有在风箱内进一步均匀 混合的机会，容易出现管束内流动不均匀的情 况。这可以采用不同管径或改变弯制方式来消 U型管式 除影响。
预热器与其它的热回收装置相比，还有以下优点： 1)将回收热直接返回到炉内，使系统简化； 2)不需要其它的热利用设备，没有余热源变化与 热用户之间的供需平衡问题，管理方便； 3)烟气量与空气量均随炉子热负荷而变化，因此 对预热器构工况不需作特殊调整，操作十分简单。 因此，预热器在烟气余热的回收中，得到了最广 泛的应用。并且还在不断研究、开发新型的预热 器，以便进一步经济地、有效地提高热回收率。
管壳式
基本传热特性 (1)传热系数
只单纯增加 一侧的给热系数 ，对增加K的效 果将越来越减弱 。而流动阻力将 大致随流速的平 方关系增加，因 此，单靠增加流 速的措施，在经 济上往往是不合 理的。
增加给热系数较为经济的 方法是在管内增加内插件。内 插件起到增加气流扰动，破坏 层流边界层，促进传热的作用。 而相对来说，阻力增加较小。 例如，用平板内插件可使空气 侧的给热系数，常见的插入件 有一字形板片、十字形板片、 螺旋板片、麻花形薄带等。综 合给热系数比光滑管提高约25 ％~50％。而阻力只增加70％。 此外，增加空气侧的给热系数， 还可带来使管壁温度降低30～ 50℃的效果。
空预器是按工业炉在额 基本传热特性（4）预 定热负荷时的烟气量和空气 量设计的。在设计的传热面 热空气温度与热负荷的 积F下将空气预热到要求的 关系 温度。在实际运转中，当热 负荷变化时，相应地烟气量 和空气量也会发生变化。当 热负荷降低时，烟气及空气 的流量减小，流过预热器的 流速降低，两侧的对流给热 系数减小，总传热系数K随 之降低，但是，由于传热面 积F不变，随着热负荷降低， 预热器的热回收率反而提高， 预热空气温度也有所升高。
管式预热器主要是靠对流换 热，因此，所取的烟气流速比辐 射式要高，一般在1～3m/s的标 准流速范围。比空气侧的流速则 比辐射式要低，以免阻力过大， 一般在5～15m/s的标准流速范围。 相应的总传热系数约在16～27 W/(m2· ℃)左右。
由若干组同心套管组成。 内管(如直径81/89mm)的上 部与冷风室相连，管的下端 敞口，以便使空气折返到外 套管(如直径100/108mm)内 的环缝间隙。空气在向上流 动的过程中，吸收外部烟气 传入的热量的同时，向内套 管中的空气传递一部分热量 ：外套管与热风室相连，预 热后的空气通过环缝在热风 室汇集后进入热风管道。缺 点是空气侧的流动阻力较大 ，达2～3kPa；总传热系数 为23～35W/(m2· ℃)
均热炉用的辐射式空气预热器的结构图。
流量 温度 m3/h
交换 热量 MJ/h
燃料 空气 系数 n
燃料 节约 %
投资回 收 年限
烟气 侧
空气 侧
2840 900~ 850 695 (236k 2300 20~3 W)
000
重油
1.2
12.6
1.3年
辐射式换热器适用 于高温烟气，经过它出 来的烟气温度往往还很 高，因此可以进一步利 用，方法之一是烟气再 进入对流式换热器，组 成辐射对流换热器(右图)。
金属换热器
根据其结构可分为：直管换热器
换热器由若干根管子组成， 管径变化范围由10~15mm 至120~150mm。一般安装 在烟道内，可以垂直安放， 也可以水平安放。空气(或 煤气)在管内流动，废气在 管外流动，偶尔也有相反 的情况，空气经过冷风箱 均匀进入换热器管子，经 过几次往复的行程被加热， 最后经热风箱送出。
Qar ,net Qyu Q分
由下图可见，对不同的燃料而言，当空气预热到同一温 度时，发热量越低的燃料，节能的效果越显著。
预热空气或煤气还可以提高理论燃烧温度，这 也是显而易见的。这一点对于高发热量燃料比低发 热量燃料更为有效，由下表可以看出。
一般认为：每提高空气预热温度100℃，可节约燃 料5%左右，是有效的节能手段，投资回收期短，有 较高的经济效益。
为了强化换热器空气侧(或空 气与烟气两侧)的对流给热，研究 和发展了喷流换热器。主要分为 管式和筒式两类。右图是一种常 见的套管式喷流换热器，每台换 热器由数十个、乃至上百个单管 组成。每个单管由两个同心圆套 管组成，冷空气由内管上的许多 小孔以20~30m/s的流速喷出，气 流喷射在外管的传热表面上。由 于气流速度高，又破坏了外管壁 上的层流底层，从而大大提高了 对流给热系数，其综合传热系数 比普通管式换热器高得多，可达 50W/(m2· ℃)。
5.2.1金属预热器
对一般工业炉用的空气预热器，主要是根据最高工作温度 来选定。
表5—3 金属预热器常用材料的使用温度
序 号
1 2 3 4 5 6 7
材 料 名 称
HTl5—32铸铁 耐热铸铁 耐热球墨铸铁 优质碳素钢 表面渗铝碳素钢 耐热钢(1Cr8Ni9) 耐热钢(Cr24Ni11)
最高允许使用温度℃
5. 预热器
5.1 预热器的作用 5.2 预热器的分类及换热特性 5.3 提高预热器使用性能的措施
5.1 预热器的作用 由加热炉和热处理炉排出的废气温度很高，带走 了大量余热，使炉子的热效率很低(见下表)。为了提高 热效率，节约能源，应最大限度地利用废气余热。
目前工业炉余热利用主要有两个途径： (1)利用废气余热来预热空气或煤气，即将一部分热 量带回炉膛，提高炉子热效率，采用的设备是换热器 或蓄热室； (2)利用废气余热生产蒸汽和热水，提高热能利用率， 采用的设备是余热锅炉。 换热器或蓄热室加热空气或煤气，能直接影响炉子 的热工作，节约燃料。对于不同燃料，空气预热温度与 燃料节约率的关系为： Qyu
550~600 600~650 650～700 400~450 650～700 800 1100
辐射换热器
当烟气温度超过900~1000 ℃时， 辐射能力增强。由于辐射给热和 射线行程有关，所以辐射换热器 烟气通道直径很大。其管壁向空 气传热，仍靠对流方式。流速起 决定性作用，所以空气通道较窄， 使空气有较大流速(20~30m/s)， 而烟气流速只有0.5~2m/s。 辐射换热器构造比较简单。它 装在垂直或水平的烟道，因为烟 气的通道大，阻力小，所以适合 于含尘量大的高温烟气。烟气温 度在1300℃时，可把空气预热到 600~800℃，适用于均热炉、快 速加热炉和某些大中型连续加热 炉。
5.2.1金属预热器
•按烟气侧的传热方式分类：对流式和辐射式两类； 前者适用于中、低温烟气换热，后者适用于高温 烟气换热。 •按烟气与空气的流向组合分类：逆流、顺流和叉 流。在实际应用中，较多的是采用逆流方式。 •按使用材料分类：考虑机械性能和腐蚀问题。
换热器的传热方式是传导、对流、辐射的综 合。在废气一侧，废气以对流和辐射两种方式把 热传给器壁；在空气一侧，空气流过壁面时，以 对流方式把热带走。由于空气对辐射热是透过体， 不能吸收，如果需要在空气一侧要强化热交换， 只有提高空气流速。
基本传热特性 (2)温度效率
t k "t k ' E2 t y 't k '
增加预热器的传热 面积就可以回收更多的 热量，从而可以提高温 度效率。但是，温度效 率与传热面积的关系并 不是线性关系。随着传 热面积的增加，温度效 率增加的趋势减弱，最 后达到一极限值。
基本传热特性 (3)壁面温度
套管式
烟管式为烟气走管束内，空 气走管壳，气流横向折返流过管 束。烟气与空气的流向可按顺流 布置，也可按逆流布置。空气管 式为空气走管束内，烟气从管束 外横向折返流过。由于烟气侧积 灰后不易清扫，不宜用于含尘多 的烟气余热回收。 管壳式预热器的气密性好， 占地面积小，不需要专门的烟道， 安装较为方便。它一般用于烟气 温度低于800℃的场合。缺点是烟 气侧的阻力较大，通常达500～ 2000Pa，需要用引风机强制抽烟； 消耗的钢材较多；预热器外壳的 保温材料可敷设在管壳外，也可 敷设在管壳内。外部敷设的施工 方便，但外壳金属承受的温度高， 适宜于烟管式预热器。
辐射预热器的另一传热特性是壁温随热负荷的变化波 动大，两侧给热系数的比值将随热负荷降低而减小，从 而导致壁面温度超多允许使用温度。需要对预热器采取 保护措施，防止壁温超过允许温度。
当烟气温度高于1200℃时，可考虑采用顺流布置； 烟气温度在1000～1200℃时，则可采用逆流布置。 或采用在高温段为顺流布置，低温段为逆流布置的 复合方式。
工业炉空气预热器应具有的基本性能： 1）要有高的热回收能力，即在烟气温度一定的情况下 使被预热气体获得最高的预热温度； 2）预热器的综合传热系数要高，这是评价预热器性能 的重要技术经济指标。综合传热系数高，气体预热温 度就高，或预热器的结构尺寸相应减小； 3）空气侧及烟气侧的压力损失要尽可能小，以减少风 机的一次投资和经常性动力消耗；降低排烟阻力，则 可降低烟囱高度或减小引风机的功率； 4）预热器单位体积的传热面积要大，由此而使预热器 尺寸小、用材省、重量轻、价格低廉 5）性能持久，维护简单，正常条件下使用寿命要长。
冷风
热风
管式辐射预热器与环缝式预热器 相比，可以承受较高的空气压力，允 许做成更大的尺寸。但是，它的空气 流速较环缝式的低，管壁温度较高， 需用耐热合金钢管。
辐射预热器基本传热特性
辐射预热器主要是吸收烟气的辐射热， 最适宜于回收1000℃以上的高温烟气的余 热。但它不可能将烟气降到很低的温度， 出口烟气温度一般仍在600℃以上，热回收 率较低。 由于辐射预热器内采取了高的空气流速 ，使壁面温度更接近于空气温度，一般不 超过预热空气温度150～250℃，因此，它 比对流预热器可以承受更高的烟气工作温 度。 就增强烟气侧的辐射传热来说，预热器 的内筒直径越大越好。但是这相应地会使 壁面温度升高，甚至超过材料的允许工作 温度。同时，在加大圆筒直径后，要保证 环缝内的空气流速，需要减小环缝的间隙 ，这给制造带来了困难。因此，实际采用 的内筒直径不超过2.5m。