專利名稱：加熱氣體的過程和相應的交流換熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一個用交流換熱器加熱氣體的過程，這個交流換熱器是由以下部分組成的位于兩個圓柱形隔柵之間的由顆粒材料組成的環(huán)形蓄熱器;由內(nèi)熱隔柵圍著的通熱氣體的集熱室;和由外冷隔柵和外壁圍成的通冷氣的集冷室，本發(fā)明也涉及這類結(jié)構(gòu)的交流換熱器。
在這種交流換熱器中，熱氣和冷氣交互的沿徑向穿過蓄熱器，與通常使用的空氣加熱器相反，在加熱階段，熱氣體是從內(nèi)部的集熱室吹向外部的集冷室，而在鼓風階段(即供熱氣體階段)氣流方向相反，要加熱的氣體可以是混合氣體，可以含有蒸汽，特別是可以有水蒸汽。
類似的交流換熱器在US-A-2，272，108專利中被描述過，根據(jù)該專利提供的例子作的一個定量的實驗裝置(這里沒有給出)證明這個美國專利中介紹的交流換熱器在實際是絕對無法工作的，另外的一個定性的實驗表明氣體穿過蓄熱層的速度選的太低，同時蓄熱體的顆粒狀材料的顆粒尺寸太大，由于這兩個原因，氣體在穿過蓄熱器時的壓力降就太低了，在集冷室內(nèi)氣壓隨高度下降(稱為煙囪效應)，但是這個效應在集熱室中是可忽略的，在實驗裝置中，由煙囪效應引起的壓力差幾倍于蓄熱層中的壓力降，因此在加熱階段，加熱氣體只在蓄熱器的上部穿過，而蓄熱器下部甚至會產(chǎn)生倒流，而在供熱氣體階段，即鼓風階段，情況反過來，即只有蓄熱體的下部參加工作，由于這些原因就使得US-A-2，272，108專利描述的裝置將徹底失敗。
本發(fā)明的目的是通過避免由煙囪效應引起的問題，以改善上面描述的過程和相應的交流換熱器，并在高度遠小于上述交流換熱器的高度的情況下提供交流換熱器的功率。
與前述過程相比，通過將加熱階段的壓力差增加到ρgH的5倍以上(這里ρ為20℃時氣體的密度，g為重力加速度，H為交流換熱器的高度)，在常壓下通過熱隔柵的氣體流量達到300m3N/hm2以上，可使本發(fā)明的目的得以實現(xiàn)。
在根據(jù)本發(fā)明建立的換熱過程中，顆粒狀材料中的溫度分布為S形(如

圖1所示)，這與一般的空氣加熱器中顆粒狀材料中的溫度分布為線性的情況完全不同，這種S形的溫度分布的好處首先使得鼓風階段得到的熱風的溫度降很小，同時整個蓄熱器的平均溫度的變化可以達到600℃，而在一般的空氣加熱器中平均溫度變化只有100℃，也就是說S形溫度分布時儲存的熱能比線性溫度分布時大6倍，這使得可以將蓄熱體的體積減少到六分之一，同時也使得前面描述的煙囪效應的影響減少甚至可以忽略，由△P熱(加熱階段結(jié)束時交流換熱器的壓力降)與△P冷(加熱階段開始時交流換熱器的壓力降)形成的壓力差△2P相對于ρgH越高越好，最好達到(△2P)/(Pgr1) =10到20實現(xiàn)本過程的優(yōu)點的另一特點是在冷階段，即鼓風時，為高壓力。
在這種過程中，例如向高爐中供熱風，需要加熱的氣體的流量按比值P/P0增加，同時傳熱過程不能惡化，例如我們在5Bar的壓力下向高爐供風，流量可以達到5000m3N/hm2，對應的功率為2500KW/m2，對于隔柵面積為20m2的交流換熱器可以產(chǎn)生流量為100，000m3/h的熱風。
由于經(jīng)濟的原因，蓄熱器的加熱只能在常壓下進行，因此工作時應同時有3個交流換熱器在加熱，而第4個交流換熱器處于鼓風階段。
顆粒狀材料的顆粒尺寸應小于15mm。
本過程的另一個優(yōu)點是在低功率運行時，加熱過程是滿功率進行的，而在鼓風階段后有一個休止階段，這樣的過程使得換熱器在希望的功率下進行工作，兩個階段之間的熱平衡由鼓風階段后的休止階段來實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的空氣加熱器中的燃燒器相反，本發(fā)明的交流換熱器中加熱用的燃燒器的調(diào)節(jié)范圍很小。
本發(fā)明的另一個特點是實現(xiàn)本發(fā)明的過程的交流換熱器中的環(huán)形蓄熱器的外徑最大為內(nèi)徑的兩倍，蓄熱器的厚度影響量△2P，這個前面已經(jīng)解釋過的量在直徑比大于上述值時將減小，計算和實驗指出直徑比不應大于2。
作為一個優(yōu)點，交流換熱器由預混合燃燒器加熱，使用這樣的燃燒器保證了集熱室全部可以用作燃燒室，燃燒不但沒有噪音也沒有脈動，另外使用這樣燃燒器對交流換熱器的尺寸也沒有壞的影響。
圖2中介紹了一個這樣的燃燒器的實例，下面給予詳細的說明。
實現(xiàn)本發(fā)明的過程的交流換熱器(1)是一個直立的圓柱形爐體(2)，可以支撐在支腳(3)上。
爐體(2)的內(nèi)部被兩個同軸放置的相互有一定距離的圓柱形隔柵分成幾個部分，內(nèi)部是一個圓柱形的集熱室(6)，中間是一個存放由顆粒狀材料組成的蓄熱器的環(huán)形室(7)，外部是一個由爐體(2)的外壁和隔柵(5)圍成的環(huán)形集冷室(8)。
在爐體(2)的底部(9)，是砌筑的加熱氣體的進氣口(10)，加熱氣體是由混合氣體燃燒器(11)產(chǎn)生的，混合氣體是由燃氣-空氣混合管(12)提供的。
內(nèi)部的集熱室(6)的上部與交流換熱器(1)的爐體(2)的上部的熱風出口(13)相連，外集冷室(8)與一個排放廢氣的煙囪(14)相連，這樣，加熱氣體在穿過位于中間室(7)內(nèi)的蓄熱介質(zhì)之后可以排出。
燃氣-空氣混合管(12)連在鼓風機(15)上，它同時為加熱階段和鼓風階段提供空氣，空氣在燃氣-空氣混合管(12)內(nèi)與處于燃氣-空氣混合管(12)內(nèi)的燃氣噴管(16)噴出的燃氣混合。
在加熱階段完成后，閥(170，(18)和(19)均關閉，相反出氣口(13)和閥(20)打開，鼓風階段開始，在鼓風階段完成后，打開的出口關閉，前面關閉的閥打開，加熱階段重新開始。
蓄熱器的顆粒狀材料的顆粒的尺寸不能超過15mm，蓄熱器的外徑不應超過內(nèi)徑的兩倍。
盡管交流換熱器的蓄熱器的大小只有目的使用的垂直循環(huán)的空氣加熱器的六分之一，但儲存的熱能是一樣的，這是由于(如圖1所示)蓄熱器中的溫度分布為S形，這個S形溫度分布使得交流換熱器與通常的線性溫度分布的空氣加熱器有本質(zhì)的區(qū)別，S形溫度分布與線性溫度分布相比有兩個決定性的優(yōu)點一方面在鼓風階段，熱風的溫度降很小，另一方面整個蓄熱器的平均溫度變化很大，達到600℃，S形溫度分布的形成一方面依賴于蓄熱器中的顆粒狀材料的顆粒尺寸，另一方面依賴于給定的最小氣體流量，這個最小流量相當于300m3N/hm2時，在風溫為1200℃時，這個流量對應的功率為150Kω/m2，不能低于這個功率，當功率增加時，S形溫度分布的收益就越來越高，當流量達到1000m3N/hm2時，這時壓力降為1000到1600Pascal，達到最優(yōu)狀態(tài)，流量可以一直增加到2000m3N/hm2，這時壓力降為3000到5000Pascal，熱交換量也不會減少，可以在常壓運行下達到這個功率限度。
在更高的壓力下運行的結(jié)果是令人吃驚的，流量與絕對壓力成正比增加，而熱傳導性能不會惡化，例如，產(chǎn)生高爐所需的5bar壓力的熱風，流量可以達到5000m3/hm2，相當于功率為2500KW/m2，對于一個隔柵面積為20m2的交流換熱器，熱風的流量可以達到100，000m2N/h。
由于交流換熱器的加熱一般是在常壓下進行的，因此為了保證熱風的連續(xù)供應，必須有三個交流換熱器同時在加熱，這樣一共需要四個交流換熱器，這些交流換熱器的直徑只有4米，高度只有5米，而目前使用的同樣功率的空氣加熱器的直徑為8米，高度為30米。
要實現(xiàn)低功率運行，在加熱階段要滿功率進行，而在鼓風階段之后必須插入休止階段，這是因為，由于交流換熱器的尺寸很小，無法使用通常的燃燒器，通常的燃燒器的尺寸常常大于交流換熱器本身，所以我們用預混合燃燒器，在這種燃燒器中燃氣和空氣在點燃之前在冷狀態(tài)下充分混合，混合之后才與火焰接觸，為了使這樣的預混合燃燒器工作正常，必須保證氣體的速度不低于一個最小值，以確保不產(chǎn)生回火，這使得這樣的燃燒器的調(diào)節(jié)范圍很小。
在低率運行時，交流換熱器的鼓風階段結(jié)束后應有休止階段。
實現(xiàn)上，這樣的交流換熱器工作時的熱風溫度只比理論火焰溫度低20℃，并在整個吹風階段幾乎不變，這表明，同尺寸一樣，在溫度降方面，我們也得到10倍的改善，根據(jù)本發(fā)明建立的交流換熱器的熱效率從傳統(tǒng)的空氣加熱器的65%提高到95%。
權利要求
1.一種在交流換熱器中加熱氣體的過程，這個換熱器具有一個由顆粒狀材料組成的位于兩個同軸的圓柱形隔柵之間的環(huán)形蓄熱器；一個通熱氣體的由內(nèi)熱隔柵圍成的集熱室；一個通冷氣體的由外冷隔柵和爐體壁圍成的集冷室，其特征是在加熱階段，壓力差增加到ρgH的5倍以上(這里ρ為20℃時氣體的密度，g為重力加速度，H為交流換熱器的高度)，以及氣體通過熱隔柵的流量在常壓下至少為300m3/hm2。
2.如權利要求1中所述的過程，其特征是在鼓風階段壓力提高。
3.如權利要求1所述的過程，其特征是顆粒狀材料的顆粒尺寸小于15mm。
4.如權利要求1中所述的過程，其特征是在低功率運行時，加熱階段為滿功率，在鼓風階段之后插入一個休止階段。
5.一種用于加熱氣體的交流換熱器，它具有一個由顆粒狀材料組成放在兩個同軸的圓柱形隔柵(4，5)之間的環(huán)形蓄熱器;一個通熱氣體的由內(nèi)熱隔柵(4)圍成的集熱室(6);一個通冷氣體的由外冷隔柵(5)和爐體(2)的外壁圍成的集冷室(8)，其特征是環(huán)形蓄熱器的外徑最大為內(nèi)徑的兩倍。
6.如權利要求5中所述的交流換熱器，其特征是它是由預混合燃燒器加熱的。
全文摘要
一種交流換熱器中加熱氣體的過程，這個熱交換器具有一個由顆粒狀材料組成放在兩個同軸的圓柱形隔柵之間的環(huán)形蓄熱器；一個通熱氣體的由內(nèi)熱隔柵圍成的集熱室；一個通冷氣體的由外冷隔機和爐體外壁圍成的集冷室，在這個交流換熱器中，在加熱階段，壓力差增加到ρgH的5倍以上(這里ρ為20℃時氣體的密度，g為重力加速度，H為交流換熱器的高度)，氣體通過熱隔柵的流量在常壓下至少為300m
文檔編號F28D17/00GK1086895SQ9311956
公開日1994年5月18日 申請日期1993年10月29日 優(yōu)先權日1992年10月29日
發(fā)明者漢斯·喬治·法斯賓德 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發(fā)空氣股份有限公司