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常見蓄熱體的材質和結構

發布時間:2021-08-27 09:45:14 人氣:

蓄熱體作為蓄熱氧化爐的熱交換部件,其材質和 結構對熱工特性的影響至關重要。目前,蓄熱體的主 要材質有 : 堇青石、莫來石、鈦酸鋁、活性炭、碳化硅、 活性氧化鋁、氧化鋯、氮化硅及莫來石 - 堇青石、堇 青石 - 鈦酸鋁等復合基質 。陶瓷材質的蜂窩陶瓷蓄熱體 是當前應用最廣泛的蓄熱體,根據標準(JC/T2135- 20123)蜂窩陶瓷的材質分為剛玉 - 莫來石、莫來石、 堇青石 - 莫來石、堇青石等 [8]。剛玉具有彈性高、耐 磨損耐侵蝕性能好、kang氧化能力強等優點。堇青石材 料具有小的熱膨脹系數和優異的抗熱震性,但其耐火 度不高,使用溫度低, 1100 ℃。與堇青石相比,莫 來石的抗熱震性稍差,但高溫性能良好且不易變形, 其比熱容量約為堇青石的 5 倍 [9]。在實際的工程應用中 一般以堇青石、莫來石和紅柱石等為主要原料,添加 適當的添加劑,比如 :復合添加 TiO2 和 ZrO2 能夠提 高剛玉質陶瓷蓄熱體的抗熱震性 [10] ;加入適量的 MgO 能夠提高陶瓷的彎曲強度、斷裂韌性和抗熱震性等 , 按照一定的比例配比得到綜合性能較好的蓄熱體。
 
在選擇蓄熱體的材質時要綜合考慮密度、比熱容、 對流換熱系數、導熱系數和熱膨脹系數對傳熱性能和 抗熱震性能的影響。密度和比熱容是影響蓄熱體蓄熱 能力zui大的兩個因素,密度和比熱容越大,蓄re能力 就越大,蓄熱體溫度場的移動速度也越慢。蜂窩陶瓷 蓄熱體是由多種材料配比組成的復合材料,其材料密 度也就是指蓄熱體的致密程度。蓄熱體的致密程度越 高在熱應力的作用下越容易產生裂紋。對流換熱系數 反映的是流體與固體表面之間的換re能力。對流換熱 系數大,蓄熱體與氣體之間熱交換速度快,在換向時 間一定的情況下,蓄熱體的蓄 / 放熱量多,蓄熱室更 加緊湊,但蓄熱體的溫度變化大,產生的熱應力大。 導熱系數指的是物體傳導熱量的能力。導熱系數大, 蓄熱體豎直方向的傳熱效果好,各部分之間的溫度梯 度小,產生的熱應力也較小。熱膨脹系數指的是物體 因溫度變化而產生的脹縮程度。熱膨脹系數小,蓄熱 體因溫度變化產生的變形越小。因此,文獻 [12] 提出 在同一蓄熱室內zui好采用三種材料,由爐內至爐外方 向依次采用剛玉、莫來石質、堇青石質,達到抗熱震 性和耐火度的zui佳優化。

蓄熱體的結構 
目前常見的蓄熱體形狀有蜂窩狀、球狀、多層板 片狀、矩鞍環狀、圓柱狀,其中蜂窩狀和球狀蓄熱體 應用zui為廣泛。與球狀蓄熱體相比,蜂窩狀蓄熱體具 有氣流流通性好,熱交換比表面積大,方便安裝等優點, 但結構強度略低于球狀蓄熱體且成本較高。常見的蓄 熱體的孔型有正方形、三角形、圓形和正六邊形等 [13]。 正方形孔和正六邊形孔蓄熱體因具有較大的換熱比表 面積和較好的氣體流通性等優點而廣泛應用。正方形 孔蓄熱體擁有zui大的比表面積 [14-15],流通性較好,因 而換熱效果zui好,但孔直角處存在明顯的熱應力集中現象,容易導致蓄熱體裂紋和破損 ;正六邊形孔蓄熱 體的氣流流通性好,換熱面積相比正方形孔較小,換 熱效果較好,并且正六邊形孔的角為鈍角,相比直角 和銳角,鈍角處的熱應力分布比較均勻,應力集中現 象不明顯。為了改善正方形孔蓄熱體的應力分布,歐 陽德剛 [16] 設計了一種帶有圓弧倒角的正方形孔蓄熱體。 朱善合 [17] 采用數值模擬的方法研究了傳統正方形孔蓄 熱體和帶有圓弧倒角的正方形孔蓄熱體的熱應力場的 分布情況,結果表明兩種孔型結構的蓄熱體在加熱期 和放熱期的產生的熱應力大小大致相同,但經過倒圓 角處理的蓄熱體低應力分布區域更大,并且應力分布 更加均勻。因此,帶有圓弧倒角的正方形孔蓄熱體既 保留了正方形孔換熱面積大的優點,又能解決熱應力 集中的問題。
常見蓄熱體的形狀
蜂窩陶瓷蓄熱體的損壞形式及原因
蜂窩陶瓷蓄熱體的sun傷形式主要包括孔壁開裂、坍塌、熔融變形、侵蝕和堵塞等。
 
孔壁開裂與坍塌
由于蓄熱式熱氧化爐的工作特性,蜂窩陶瓷蓄熱體在使用過程中溫度不斷變化,不斷承受熱應力作用。蜂窩陶瓷蓄熱體屬于脆性材料,本身抗壓強度高,抗拉強度低。莫來石的抗壓強度為 687 ~ 883 MPa,抗拉強度僅為 58.9 ~ 78.5 MPa[18]。在實際使用過程中蓄熱體周期性的承受壓應力和拉應力作用,當熱應力超過蓄熱體的ji限值時,再加上蓄熱體的材質不均勻和邊角處的應力集中,蓄熱體表面極易產生裂紋,并在熱應力的作用下驅使裂紋擴展直至斷裂。另外,蓄熱室是由單個蓄熱體分層或者分排堆積起來的,在實際的工作環境下,底層的蓄熱體不僅要承受急冷急熱產生的熱應力,還要承受上面蓄熱體的重量。因此,蓄熱式氧化爐在運行中產生的熱應力和機械應力是蓄熱體開裂、坍塌的主要原因。

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