工業窯爐換熱器：重要的節能裝置
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利用工業爐排出的煙氣預熱空氣或燃氣所采用的熱工設備有兩種，即換熱器和蓄熱室。
在換熱器中煙氣和空氣（或燃氣）分別同時在加熱面的兩側流過。在流動過程中通過壁面煙氣將熱量傳給空氣或燃氣。由于受材質和氣密性的限制，換熱器還不能將燃氣或壓力較高的空氣預熱到很高的溫度，故當預熱溫度要求很高時多采用蓄熱室。
蓄熱室是根據蓄熱原理設計的。其主要部分是用耐火磚砌成格子磚，工作時，煙氣首先通過格子磚將磚加熱，經過一定時間后格子磚已被加熱到一定溫度。這時利用換向設備關閉煙氣通道，打開空氣通道，使空氣由相反方向通過蓄熱室。于是冷空氣吸收格子磚的熱量而被加熱，于是冷空氣吸收格子磚的熱量而被加熱。為了連續加熱空氣，一個爐子至少應有兩座蓄熱室，一座被煙氣加熱（蓄熱），一座被空氣冷卻（放熱）。為了控制煙氣和空氣交替地通過蓄熱室，應設有特殊的換向裝置。一般的燃氣加熱爐常采用換熱器，因此下面對換熱器的構造作較詳細的介紹。
換熱器的構造應滿足下列要求：傳熱系數大，避免局部過熱，氣密性好，流動阻力小，便于清掃，應有防脹裝置等。
根據制造材料不同，換熱器分為金屬換熱器及陶瓷換熱器兩種。由于金屬的導熱性能好，傳熱系數大，所以金屬換熱器的體積小。金屬構件之間可以進行焊接，因此氣密性好，可以預熱壓力較高的空氣或燃氣。但是由于金屬所能承受的溫度有限，所以當空氣或燃氣的預熱溫度較高時，常采用陶瓷換熱器。
一、金屬換熱器
從實踐中所知，金屬換熱器中空氣的*預熱溫度和制造換熱器的材料有關。碳素鋼的*使用溫度在450℃以下，故空氣被預熱的溫度不宜超過350℃.如果需要更高的預熱溫度，應采用合金鋼或合金鑄鐵，或者對鋼進行表面處理，如滲鋁等。
金屬換熱器的主要形式有管狀換熱器，針狀及片狀換熱器、套管式換熱器、輻射換熱器、噴流式換熱器、回轉式換熱器和熱管換熱器。
1.管狀換熱器 管狀換熱器由風箱及管子組成。*初管子采用鑄鐵管，由于接頭氣密性差及傳熱系數小，故近代多用無縫鋼管焊成。通常空氣在管內流動，速度位5~10Nm/s。煙氣在管內流動，速度為2~4Nm/s.傳統系數約為11.6~23.3W/（m2?K）。
用無縫鋼管焊成的換熱器，其氣密性非常好，除預熱空氣外，還能預熱燃氣。換熱器的管子可以水平安裝或垂直安裝。*是垂直安裝，這樣管子受熱可自由膨脹。為防止高溫下管子彎曲，水平安裝時管子長度不宜超過0.8~0.9m。為防止氣流分布不勻，產生局部過熱而將管子燒壞，垂直安裝時管子長度不宜超過3~4m。
圖13-2是內徑50mm的鋼管換熱器，用于燃氣鍛造加熱爐的煙道內，其傳熱系數為23.3W/（m2?K）。該換熱器的優點是結構簡單，缺點是管子長度不同時換熱器可能彎曲，甚至被燒壞。
圖13-3是另一種管狀換熱器，煙氣通過許多垂直管束1向*動，空氣在管外流動。考慮到管子及殼體的膨脹不同，殼體與管子上均設有膨脹圈2.換熱器的下部是煙氣入口，又是熱空氣出口，所以該處溫度*，為延長換熱器壽命，下部可用合金鋼管。此外還采取了降溫措施，如中間設有一根短路風管3直接送入高溫區，冷卻底板及換熱器下部，然后沿管4向*動與熱空氣混合后流出換熱器。為防止底板被燒壞，底板下吊掛一層耐火材料。每根管子的入口作為漸擴管，這樣可減少入口阻力。該換熱器在國外被廣泛應用。
圖13-4是套管式換熱器，它由兩根直徑不同的鋼管套在一起組成，內管下端開口，外管下端封死，內管及外管均為懸掛，受熱后可自由膨脹。如果風壓小于1500~2000Pa，懸掛處可采用砂封，否則，應采用焊接。
該換熱器的工作過程是空氣由冷風箱沿內管下流，再轉入內外管夾層向*，*經熱風箱流出換熱器。煙氣在管外垂直于外管流動。目前較多工廠采用這種換熱器。
2.針狀和片狀換熱器 為了增加管狀換熱器的受熱面，減少金屬耗量，在光管換熱器的基礎上發展成管子兩側都帶針狀和片狀凸出物的針狀換熱器和片狀換熱器。
空氣在管內流動，煙氣在管外流動。針狀換熱器的空氣流速為4~8Nm/s，煙氣流速為1~2Nm/s。片狀換熱器的流速比針狀換熱器大，一般空氣流速為5~10Nm/s，煙氣流速為2~5Nm/s。為了減少阻力，凸出物的方向應與氣流流動方向一致。
針狀和片狀換熱器的管子通常采用耐熱鑄鐵或耐熱鋼澆鑄而成。由于表面帶針或肋片，增加了管子的實際換熱面積，從而提高了傳熱效率。這種換熱器結構緊湊，體積小，金屬耗量少，是現代工業爐上應用*廣的一種換熱器。他常采用煙氣溫度為700~1000℃的中小型鍋爐，可以把空氣預熱到300~600℃。
針狀換熱器的型號是以各排針的間距命名的，如針間距是17.5mm，就稱為17.5型。大型針狀換熱器是由若干根標準管子組成的，管與管之間，管子與空氣入口管及排氣管之間用螺釘連接。圖13-4是由24根管子組成的針狀換熱器。
當煙氣含塵量高時，為防止堵塞，可選用單面帶針的管子，煙氣一側為光管。
3.輻射換熱器 當出爐煙氣溫度較高時（1100~1300℃），常采用輻射換熱器。煙氣在內管中流動，空氣在內外管間的環縫中流動。煙氣與內管之間的傳熱主要靠輻射?？紤]到氣體層厚度越大，輻射傳熱越大，因此輻射換熱器的煙氣通道截面都較大。通常煙氣管道直徑應大于500mm，煙氣流速為1~3Nm/s。
輻射換熱器在高溫下工作的主要特點為：
1.充分利用了高溫煙氣的輻射傳熱能力。同時空氣流速又高，可達20~30Nm/s，增加了空氣與管壁的對流傳熱。因此傳熱系數較大，*可達93.2W/（m2?K）以上。比管狀及針狀換熱器所需換熱面積小，可以減少金屬耗量。
2.空氣流速較高，可使壁溫接近空氣預熱溫度，兩者之差不超過100~130℃。同時也能保證壁溫均勻。因此輻射換熱器可以承受較高的煙氣溫度。
3.煙氣通道的截面積較大，適用于含塵量高的工業爐。煙氣通道的阻力小，有利于煙氣的排除。
4.適當縮小換熱器煙氣入口的直徑，在引射作用下使得較冷煙氣再入口處循環（回流），降低入口溫度，可以防止換熱器入口被燒壞。
輻射換熱器的缺點是：空氣流速高，需要較高的鼓風壓力；煙氣溫度高，需要用耐熱性能好的合金材料制造；受熱面積小。
從熱能利用觀點出發，高溫區采用輻射換熱器，低溫區采用對流換熱器較為合理。
4.噴流式換熱器 噴流式換熱器是采用氣體噴流來強化對流換熱過程。一般利用空氣噴流，當煙氣溫度不太高時，也可采用煙氣噴流。圖13-10所示為安裝在煙道內的空氣噴流式換熱器。它由兩根直徑不同的圓筒相套而成，內筒上鉆有許多小孔，外筒壁面為換熱面。煙氣從上向下流經換熱面，而空氣經小孔噴出，沖擊外筒壁面，于是煙氣便把空氣加熱，被加熱的空氣沿內外筒間的環形縫隙向*出?？諝馀c外筒壁面之間為噴流（對流）換熱，煙氣與外筒壁面之間主要是輻射傳熱。因此，這種換熱器實質上屬于空氣噴流式輻射換熱器。
冷空氣從小孔噴出后，直接沖擊著換熱面的氣體邊界層，使氣體邊界層受到破壞，從而強化了對流換熱。當Re=5000時，噴流放熱系數比一般縱向對流放熱系數大五倍比一般輻射式換熱器的傳熱系數高一倍?？諝鈬娏饕彩墙档徒饘贀Q熱器壁溫的有效方法。
熱空氣沿內外筒間環形縫隙向*動時，吹動小孔噴出的空氣射流，使其向上 傾斜，減小了對外筒壁面的沖擊力量，降低了噴流換熱的效果。這種現象在熱空氣出口處更為嚴重。因此，該換熱器不宜做的細長，應盡量降低環形縫隙中熱空氣的上升速度。
噴流換熱器的空氣噴流速度一般為20~25Nm/s。
≥8（D—噴孔直徑，H—環縫寬度）。
5.回轉式換熱器 回轉式換熱器又叫再生蓄熱式換熱器，其結構如圖13-11所示。
轉子是一個扁的圓柱體，其中充滿由0.5,mm厚的鋼板壓成的蓄熱板，在電動機帶動下，以
~2
轉/min的轉數繞*軸2旋轉。
煙氣從入口5進入換熱器，通過轉子的一半（180°）的蓄熱板向下流，當煙氣流經蓄熱板時，把熱量傳給蓄熱板，使其溫度升高。空氣從另一側下方的空氣入口流入換熱器，流經旋轉轉子的120°時，從已被煙氣加熱的蓄熱板中吸取它在被煙氣加熱時所儲存的熱量，使其溫度升高。*流出換熱器。煙氣、空氣的流速一般為8~12m/s。
轉子被徑向隔板從上到下分為互不相通的12個大格（每格30°，里面還有小格），煙氣與空氣之間有30°的過渡區。過渡區既不流通空氣也不要流通煙氣，因此，煙氣與空氣不會相混。
圖13-11所示回轉式換熱器為蓄熱體旋轉，外殼固定，與此相對應的是風罩旋轉，蓄熱體固定。
回轉式換熱器的主要優點是；
1.結構緊湊，體積小，節省鋼材。與管式換熱器相比節省鋼材1/3左右。所占容積只有管式換熱器的1/10.
2.布置方便。
3.因為蓄熱板的溫度高，煙氣腐蝕的危險性小，所以檢修周期較長。
主要缺點是漏風量大。
6.熱管換熱器 熱管換熱器是回收鍋爐及工業爐煙氣余熱的一種新型的很 為有效的熱能回收裝置。它由一束熱管組成，如圖13-12所示。工質在熱管的蒸發段吸收外部高溫煙氣的熱量而汽化，蒸汽進入冷凝段后，在此冷凝放熱，將熱量傳給冷凝段外的低溫待預熱的空氣。工質的不斷循環便實現了傳熱過程。
熱管換熱器再回收工業余熱中應用，有下述優越性；
1.無運動條件，不需要外部動力，可靠性高。
2.傳熱效率遠高于其他型式的換熱器，設備緊湊，熱負荷高。裝置的尺寸范圍很寬。
3.能適用于較大溫度范圍和熱負荷范圍?？筛鶕ぷ鳒囟冗x取熱管材料和工質，如在350~500℃范圍內，可用水作工質；在500~650℃范圍內，可用有機液體為工質；在更高的溫度范圍內，則用液態金屬作工質。
4.在冷、熱流體之間有固體壁面隔開，完全消除了橫向氣體混滲。
5.冷、熱流體采用逆流時，熱流體進口與冷流體出口是分開的，不會使熱流體進口處溫度過高，克服了常用逆流換熱器的缺點，因此換熱效果好。
二、陶瓷換熱器
上面已經述及，金屬換熱器受使用材料的限制，不能把空氣預熱到較高的溫度。當空氣預熱溫度在500~700℃以上時，常安裝陶瓷轉換器。
陶瓷換熱器是用異型耐火黏土磚或碳化硅磚砌成。碳化硅轉比耐火黏土磚耐火度高，高溫下的導熱性能好，如溫度為1000℃時，碳化硅轉的導熱系數
=9~12W/（m2?K）。而耐火黏土磚只有
=1.2~1.5W/（m2?K）。此外碳化硅磚荷重軟化點高。耐急冷急熱，耐火度和機械強度等性能也好。因此碳化硅磚是制造陶瓷換熱器的優良材料。但碳化硅磚比耐火黏土磚價格高，如含黏土15%~25%的碳化硅轉比耐火黏土磚貴20~25倍，而且易受堿性爐渣腐蝕，所以其應用范圍受到限制。目前在工業爐上用的*廣泛的仍是耐火黏土磚。
陶瓷換熱器的*缺點是氣密性差。為了保證砌縫嚴密，防止因膨脹或收縮而造成漏氣，砌筑時應使接縫水平分布。接縫的磚面應進行研磨，并且用特殊泥漿砌筑。砌筑上的措施只能提高氣密性，但不能從根本上克服陶瓷換熱器氣密性差的缺點。因此，換熱器內氣體流速不宜過大，通常采用煙氣流速為0.3~1.0Nm/s，空氣流速為1~2Nm/s。由于氣流速度小和耐火材料熱阻大，故傳熱系數較小。
為了減少換熱器的熱阻，希望器壁盡量薄些；為了增加氣密性，希望器壁盡量厚些，磚塊盡量大些。綜合考慮后，根據制造工藝及強度要求，磚比厚度不應小于13~15mm，磚的高度不宜大于350~400mm。可用下式計算磚壁的厚度；
陶瓷換熱器的傳熱系數小，因而體積龐大；氣密性差，因而不能用來預熱燃氣或壓力較高的空氣，不能安裝在地基發生振動的車間里，如鍛造車間等。
陶瓷換熱器的優點是耐火度高，可將空氣預熱到900~1000℃的高溫，壽命長。
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