新型高温空气加热器的试验研究聂　欣1,周俊虎2,吕　明2,岑可法21.杭州电子科技大学,浙江杭州　3100182.浙江大学,浙江杭州　310027[摘 要]　高温空气加热器是高温空气点火试验台的关键设备,将中频加热设备和静态混合器相结合,提出了一种新型的高温空气加热器,并对其运行过程中的电源波动特性、冷热态的阻力特性、加热效率进行了试验研究。

与原有的空气加热器进行比较表明,不锈钢材料在中频加热条件下,仍然呈现一定的弱磁性,其冷热态阻力与进口冷空气流速符合幂函数关系。

该加热器具有结构简单,加热效率高等优点,明显优于原有的加热器。

[关　键　词]　高温空气;加热器;静态混合器;电源特性;阻力;加热效率[中图分类号]　T K17[文献标识码]　A[文章编号]　1002-3364(2008)08-0009-04收稿日期:　2008-01-28作者简介:　聂欣(1974-)男,博士,杭州电子科技大学机械学院讲师,主要从事煤粉直接点火以及多相流动数值模拟等方面的教学与研究。

E -m ail :xin_nie2000@ 高温空气加热器是高温空气点火装置的关键设备,对安全稳定点燃煤粉,提高直接点火系统的经济效益,起着较为关键的作用。

常见的空气加热器多为使用电阻丝等电热导体制成的电加热器[1,2],其一般最高加热温度不超过700℃,且由于电阻丝多次反复升温后脆性加大[3],容易断裂,故而可靠性较差。

应用于高温燃烧使用的蓄热式高温空气加热器[4,5],虽然可以将空气加热至1000℃以上,但其需要使用高温烟气对蓄热体进行反复加热,只能用于高温燃烧这样的特定场合,无法用于高温空气冷炉点火。

浙江大学热能所对多种无油点火燃烧器进行研究[3,4],通过运用中频加热原理,研发了能转用于煤粉直接点火的多回程式高温空气加热器[6](图1),但该设备也存在结构复杂,加热效率较低等不足。

为此,在原有研究基础上,将中频加热设备和静态混合器相结合,开发了一种新型的混合器式高温空气加热器(图2)。

本文通过试验对其运行过程中的电源波动特性、冷热态的阻力特性、加热效率进行研究,并与原有的空气加热器进行了比较。

图1　老式多回程式高温空气加热器1　混合器式高温空气加热器及其试验系统 图2为混合器式高温空气加热器本体结构。

该加热器由耐高温不锈钢(Cr25Ni20)管和SV -5型静态混合器组成。

图2　新型混合器式高温空气加热器 静态混合器是上世纪70年代发展起来的一种混合设备,可应用于混合、乳化、萃取、强化传热、强化反应等方面。

静态混合器根据其形状可分为SV 、SX 、S K 、SL 、SH 几种。

根据文献[7,8],在强化传热情况下,推荐使用SV 型,因为SV 型混合效果最佳,强化传质和强化传热倍数最大,相当于光管的8～10倍[7]。

材质选用市场上常用的304不锈钢为Cr18Ni9,熔点为(1398～1454)℃之间,长时间使用温度为925℃[9,10]。

图3为高温空气加热器试验系统,该系统主要由以下几部分组成:(1)供风系统。

由高压风机向高温空气加热器供风。

(2)电力系统。

由中频电源和电磁感应线圈组成,通过调节电功率来控制出口热空气温度。

(3)测试系统。

热空气的冷态流量由转子流量计测得,进口静压由U 型管微压计测量;温度测量由K 型热电偶与数据采集仪H P34970A 及计算机组成,测量的积分时间为0.2s ,用于测量壁面温度和加热器出口温度,加热器出口温度的测点布置采用等截面布置,热空气出口温度值采用它们的算数加权平均值(图4)。

感应加热管壁面温度也采用裸露的K 型热电偶测量,等间距布置,壁面温度取其平均值。

中频电源的电流、电压以及功率的数值由中频电源柜自带的电流表、电压表以及功率表直接显示。

图3　试验系统图4　出口温度测点布置及其结构2　试验结果2.1　升温曲线图5为冷空气流量为50m 3/h (标准状态,下同)时,电功率分别为22kW 、31kW 和35kW 时的出口热空气升温曲线。

由图5可见,随着时间的变化,热空气温度上升速度逐渐趋缓,最终会达到一个平衡温度。

图5　不同加热功率下的热空气升温曲线2.2　升温过程中频电源的波动特性在中频加热过程中,加热负载随着温度的升高,电导率、磁导率和透热深度都产生很大的变化,这些变化反过来又会使中频电源的电流、电压和输出功率产生一定的波动,这是一个复杂的过程[11]。

对于高温空气加热器来说,由于管内流体流量、温度的变化,感应加热管沿轴向的温度不均匀性以及其内部静态混合器的影响进一步加深了该过程的复杂性,目前很难有一个合适的理论模型对其进行计算。

对此,在加热过程中,通过对中频电源的电流、电压和输出功率的监视记录,得到了高温空气加热器升温过程中频电源随着壁面温度升高的变化特性曲线,据此可以了解高温空气加热器在加热过程电源的变化特性。

图6～图8为中频电流、电压以及输出功率随感应加热管壁面平均温度的变化曲线。

由图6～图8可以看出,在升温过程中,尽管输出功率没有进行人为调节,但由于中频电源发生小幅波动,随着壁面温度的变化,中频电流、电压、输出功率都发生了小幅上升,这主要与电导率与感应管的感应电流透入深度有关,使得加热管的阻抗发生了变化。

在壁面平均温度为719℃左右,输出功率和电流、电压都有一个较大突升,这是因为感应加热管的温度到达金属的居里点温度。

一般铁的居里点温度为700℃,不同铁磁性材料的居里点在升温过程中,不但存在加热器本体随着温度的变化以及电导率、磁导率等物性参数发生变化,而且随着冷空气被加热到越来越高的温度,空气带走的热量也越多。

因此,电流、电压以及输出功率并不会象单纯加热管状工件一样,到达一定温度后开始下降[12],而是在系统处于稳定状态时,保持基本稳定。

试验中,采用的功率值都是系统长时间稳定后的值。

图6　电流随壁面温度的变化图7　电压随壁面温度的变化图8　输出功率随壁面温度的变化值得指出的是,尽管感应加热管使用的是理论上的非磁性材料,但从试验结果来看,在中频加热的过程中,感应加热管仍然具有弱磁性。

当平均温度大于719℃时,感应加热管由高温到低温的不同部分温度依次开始达到并超过居里点温度。

2.3　冷、热态阻力特性冷、热态流动阻力与流量的关系如图9所示。

图9　冷、热态流动阻力与流量的关系据文献[13]的试验结果,静态混合器的阻力并不完全符合范宁公式,而是与进口截面冷态平均流速成某个幂次方的关系,故静态混合器的冷、热态阻力曲线拟合都采用过原点的幂函数的拟合(式(1)和式(2))。

冷、热态拟合相关系数分别为0.9995和0.9975。

冷态阻力:h f (cold )=890.5v1.4471(1) 热态阻力:h f (hot )=177v1.6234(2)2.4　加热效率不同流量下热空气温度与加热效率的关系如图10所示。

图10　不同流量的热空气温度与加热效率由图10可知,热空气加热器热效率随着出口热空气温度的增大而下降,且呈现加速下降的趋势;随着进口冷空气流量的增大,热效率明显提高。

同时,当空气流量较大时,热效率随着温度的增加下降得较缓慢,说明冷空气流量大时,其加热效率对热温度的敏感性降低。

3　两种加热器效率的比较在热空气流量80m 3/h 的情况下,对原有的多回程式高温空气加热器的不同热空气温度的加热效率进行了测量,并与现有的混合器式高温空气加热器进行了比较(图11)。

由图11可知,在相同流量和相同温度下,使用静态混合器的新型高温空气加热器的加热效率远大于原有的多回程式空气加热器,且随着温度的升高,加热效率相差越大。

这是因为,在老式的多回程式高温空气加热器中,由于感应加热管与线圈之间套有一层刚玉管并存在空气间隙,故而两者距离相隔较远,使电源的功率因素较小,效率低。

而新式加热器管内SV 型静态混合器的加入强化了传热,主要表现为:(1)静态混合器使得管内近壁面的高温气流与管中心部位相对温度较低的气流不断地混合交换;(2)由于静态混合器本身是良导体,紧靠高温壁面,使得其不断从感应加热管吸收热量,传递给流体;(3)随着感应管温度的升高,感应加热的透热深度加大,使得静态混合器直接受到交变磁场的作用,产生感应热。

图11　两种空气加热器效率对比4　结　论(1)混合器式高温空气加热器在感应加热管温度达到并超过居里点之前,中频电流、电压以及输出功率总体会有小幅波动,呈上升趋势,波动幅度在10%以内,证明所用的不锈钢材料在中频感应加热情况下仍然存在一定的弱磁性。

(2)相同空气量的情况下,加热器的热态阻力远大于冷态阻力。

经过曲线拟合,可知其数值均与加热器进口空气的平均流速成幂次方的关系。

(3)加热器效率随着流量上升、随温度呈快速下降趋势,其加热效率远高于原有的多回程式高温空气加热器。

(4)新型高温空气加热器结构简单,加热效率高,不但可为高温空气点火提供稳定可靠的热空气来源,而且为食品、化工、木材等需要热空气加热干燥的行业提供了一种经济、简便的选择。

[参　考　文　献][1]　任克亮,吕国志,剡文杰.蒙特卡罗方法在空气加热器设计中的应用[J ].机械设计与研究,2006,22(1):87-88.[2]　郭宏伟,葛仕福.新型空气电加热器的性能研究[J ].化工时刊,2001,15(12):29-32.[3]　涂建华.煤粉/水煤浆的着火理论和无油点火稳燃技术的研究[D ].杭州:浙江大学,1996.[4]　Hai Zhang ,Guangxi Yue ,J unf u L u ,et al..Developmentof high temperature air combustion technology in pulver 2ized fossil f uel fired boilers [J ].Proceedings of the Com 2bustion Institute 2007,31:2779-2785.[5]　马世平,贾力.陶瓷蓄热式换热器高温空气燃烧的实验研究[J ].热科学与技术,2005,4(1):72-76.[6]　李文蛟.感应式加热煤粉锅炉无油直接点火燃烧器的基础和实验研究[D ].杭州:浙江大学,2000.[7]　李纯煦.静态混合器的原理及应用[J ].节能,1995(2):17-21.[8]　郑四仙.静态混合器简介及选用[J ].化工生产与技术,2000,7(2):33-35.[9]　贾耀卿.常用金属材料手册[M ].北京:中国标准出版社,2003.[10]　高宗仁.简明不锈钢使用手册[M ].太原:山西科技出版社,2000.[11]　潘天明.工频和中频感应炉[M ].北京:冶金工业出版社,1983.[12]　约翰.戴维斯,彼得.辛普森.感应加热手册[M ].北京:国防工业出版社,1985.[13]　李新,刘德威,陈振新.苏尔士静态混合器压力降性能的研究[J ].石油化工,1997,26(5):306-310.(下转第16页)然,这也会削弱级组效率变化对机组热耗率的影响,越靠前的级组,削弱程度越大。