RTO蓄熱體蓄熱計(jì)算及工程設(shè)計(jì)運(yùn)用

陶瓷蓄熱體用量計(jì)算

在 RTO 運(yùn)行的時(shí)候可以看到以下現(xiàn)象，在 RTO 升溫完畢進(jìn)入正常運(yùn)行的時(shí)候，在閥門(mén)切換的時(shí)間段內(nèi)，RTO 進(jìn)氣倉(cāng)內(nèi)，出蓄熱體的氣體溫度剛開(kāi)始是接近爐膛溫度，隨著時(shí)間的推進(jìn)，溫度會(huì)越來(lái)越低，到切換的時(shí)間時(shí)達(dá)到溫度低點(diǎn)。而 RTO 出氣倉(cāng)中的溫度，出蓄熱體的氣體溫度隨著時(shí)間推移會(huì)越來(lái)越高。蓄熱體的平均熱效率（包括預(yù)熱過(guò)程的熱效率以及蓄熱過(guò)程的熱回收效率）與RTO 切換閥的切換周期間隔息息相關(guān)，設(shè)想當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，進(jìn)蓄熱體的溫度等于出蓄熱體的溫度，則熱效率即變?yōu)榱懔?。從角度進(jìn)行分析蓄熱體的這種溫度波動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)爐膛中的高溫氣體通過(guò)陶瓷蓄熱體時(shí)，氣體中的熱量通過(guò)對(duì)流換熱，積蓄在蓄熱材料中，氣體溫度降低，蓄熱體溫度升高，此為熱量回收過(guò)程，儲(chǔ)能完畢后 RTO 切換閥門(mén)，此蓄熱體進(jìn)入溫度較低的氣體，氣體在蓄熱體中通過(guò)對(duì)流換熱，把儲(chǔ)在其中的熱量換到較冷的氣體中，盡可能的達(dá)到爐膛的溫度，如此可大減少爐膛內(nèi)的直接加熱，可以降低 RTO 燃燒器的功率，達(dá)到節(jié)能的目的。
可以發(fā)現(xiàn)，若想提高換熱的效率，一種有效的方法即提高換熱面積，如此提高蓄熱體的比表面積成為一個(gè)非常有效果的途徑。從一代蓄熱體鵝卵石，到后面的矩鞍環(huán)，再到現(xiàn)在的規(guī)整填料，都是提高比表面積，同時(shí)也降低壓降。比表面積并不是越大越好，也需要考慮氣流壓降的因素，需要有實(shí)際的工程運(yùn)用價(jià)值，規(guī)整蜂窩陶瓷蓄熱體的氣孔尺寸根據(jù)幾十年的實(shí)際工程運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，形成了常規(guī)的 50cpsi（每平方英寸上的孔數(shù)）規(guī)格，目前較為常規(guī)的單塊蓄熱體尺寸為 150*150*150mm 或者 150*150*300mm 的正方體或長(zhǎng)方體型。在 150 邊長(zhǎng)上開(kāi)有 40 個(gè)左右小孔，氣流壓降控制在 1500pa/米左右，若將孔數(shù)擴(kuò)大到 400cpsi，150 邊長(zhǎng)上有 120 個(gè)孔，比表面積增加了 2.5 倍左右，但蓄熱體的壓降則到 8000pa/米以上（此處壓降對(duì)比都在相同的標(biāo)況面風(fēng)速 1.2Nm/s 條件下進(jìn)行的），工程上缺少實(shí)際運(yùn)用的可能性。運(yùn)用較為成熟，高，效果好的，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，普遍為 150mm 邊長(zhǎng)有 40 個(gè)孔的蓄熱體，兼顧了經(jīng)濟(jì)型，成品率，效果等多個(gè)方面。

關(guān)于高工作溫度，由于其 Al2O3 的含量較低，其產(chǎn)品其實(shí)達(dá)不到宣傳的高工作溫度，藍(lán)太克公司會(huì)特別告知蓄熱體正常運(yùn)行溫度不要超過(guò) 950℃。

蜂窩陶瓷蓄熱體從開(kāi)發(fā)出來(lái)即面臨堵孔的問(wèn)題，藍(lán)太克公司開(kāi)發(fā)的一款賽格蒙分層式蓄熱體可以較好的解決部分堵孔的問(wèn)題，工程實(shí)踐中具有非常好的效果。運(yùn)用多的為 SHC-40 規(guī)格，成為 RTO 蓄熱體的主流產(chǎn)品。其它規(guī)整蓄熱體也以 40 孔為主要的 RTO 用蓄熱體。在陸震維編撰的《廢氣凈化技術(shù)》一書(shū)中，引用了德國(guó)人H.Hausen 所做的數(shù)學(xué)模型，將蓄熱體的傳熱計(jì)算，轉(zhuǎn)換成換熱器的模型進(jìn)行計(jì)算。其前提假定原理是一股氣體，在冷周期中吸收的熱量，與另一股氣體，在熱周期中釋放的熱量相等。當(dāng)無(wú)的經(jīng)常切換的情況下，則熱效率與相同大小的間壁式換熱器一樣，當(dāng)切換時(shí)間越長(zhǎng)，熱效率則也越低。

目前對(duì) RTO 的熱效率大多是按換熱器的溫度效率來(lái)計(jì)算。

蓄熱體需用的量的計(jì)算過(guò)程如下：

a.根據(jù)蓄熱體的規(guī)格參數(shù)，計(jì)算出比較面積 m2 /m3；b.設(shè)定所需要的熱效率，比如 95%；c.設(shè)定爐膛溫度，如 780℃；d.設(shè)定廢氣溫度，如 25℃；e.設(shè)定廢氣風(fēng)量，設(shè)置進(jìn)入蓄熱式的風(fēng)速；

f.根據(jù)熱效率公式，可得到出蓄熱式的溫度 to；g.根據(jù)對(duì)流換熱系數(shù)公式，計(jì)算出換熱系數(shù) α；h.分別計(jì)算廢氣進(jìn)出蓄熱體以及煙氣進(jìn)出蓄熱體的換熱系數(shù)，并且考慮爐膛內(nèi)熱輻射影響的換熱系數(shù)，參考《傳熱學(xué)》,參考

i.計(jì)算周期內(nèi)蓄熱體吸熱的熱量，及放熱的熱量，即進(jìn)出蓄熱體的氣體的溫差的，選取數(shù)值高的 Q。

j.根據(jù)蓄熱體的比

表面積，可得出蓄熱體體積，參照蓄熱體的單塊尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)的廢氣進(jìn)蓄熱體的風(fēng)速，可計(jì)算出，蓄熱體的迎風(fēng)面面積，則可得出蓄熱體的堆高度。此處需要注意的是，通過(guò)公式計(jì)算出的換熱面積

A，包含了冷卻面積和加熱面積兩部分，所以計(jì)算蓄熱體用量時(shí)，只需要一半即可。因?yàn)樾顭狍w蓄熱和放熱分別在 2 個(gè)室體內(nèi)進(jìn)行。k.關(guān)于陶瓷蓄熱體對(duì)層的流體壓損，參考陸震維的《廢氣的凈化技術(shù)》一書(shū)，有詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，這里不做過(guò)多闡述。

4 陶瓷蓄熱體周期內(nèi)熱效率分析

當(dāng)我們通過(guò)上述步驟計(jì)算出蓄熱體的堆積式樣之后，由于蓄熱體的固定規(guī)格尺寸，實(shí)際的用量是大于理論計(jì)算值的，為了充分發(fā)揮蓄熱體的功能，需要調(diào)整出佳的周期切換時(shí)間，即對(duì)周期時(shí)間內(nèi)各個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)的蓄熱體的情況，以及氣體出蓄熱體的狀況進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以得出理論計(jì)算溫度曲線來(lái)進(jìn)行研究以及可指導(dǎo)調(diào)試。

4.1 計(jì)算原理：?jiǎn)挝粫r(shí)間 dt 內(nèi)，高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱體內(nèi)，總焓為dQ，暫不考慮熱損失，一部分為蓄熱體吸收的 Q1，一部分為出蓄熱體的氣體的焓 Q2 對(duì)時(shí)間 dt 求導(dǎo)，則得出對(duì)應(yīng)不同時(shí)間的熱量分布情況?？捎?jì)算出熱效率。

4.2 計(jì)算方案：RTO 蓄熱體的交替切換工況導(dǎo)致運(yùn)行的波動(dòng)性，

實(shí)際計(jì)算時(shí)，根據(jù)動(dòng)態(tài)的方案進(jìn)行則會(huì)比較困難，現(xiàn)根據(jù)理論工況，可基于如下兩個(gè)前提假設(shè)后再進(jìn)行計(jì)算：首先，不考慮蓄熱體的來(lái)回切換，分別對(duì)蓄熱工作的蓄熱體和放熱工作的蓄熱體單獨(dú)進(jìn)行分析，但是氣體進(jìn)蓄熱體的持續(xù)時(shí)間保持一樣，即 τc=τh。然后，假定在正常切換的工況之前，蓄熱體已經(jīng)蓄熱完畢，處于平衡狀態(tài)。并且分別研究單股廢氣進(jìn)蓄熱體，以及單股廢氣出蓄熱體的工況。并不研究蓄熱體進(jìn)出的這種非穩(wěn)態(tài)周期變動(dòng)的工況。基于以上兩步的設(shè)定后，分別對(duì)蓄熱室和放熱室的蓄熱體進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)傳熱學(xué)的基本算法，計(jì)算出隨著時(shí)間的推移，陶瓷蓄熱體內(nèi)的熱量狀況，以及氣體出陶瓷蓄熱體時(shí)的溫度，可研究的瞬態(tài)的工況。

5 結(jié)論

通過(guò)傳熱學(xué)原理可以模擬出蜂窩蓄熱床的蓄熱放熱過(guò)程，非常貼近實(shí)際的工況，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，利于工程實(shí)際的指導(dǎo)運(yùn)用，便于實(shí)際工程中選型、工藝設(shè)計(jì)及成本核算等方面的工作。