熱風(fēng)閥節能技術(shù)的分析與研究

1、概述

　　熱風(fēng)閥安裝在高爐系統熱風(fēng)爐的熱風(fēng)支管上，用于送風(fēng)系統的啟閉。熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí)閥門(mén)開(kāi)啟，燃燒期間閥門(mén)關(guān)閉。熱風(fēng)閥的工作溫度為1200~1300°C，工作壓力為0.4~0.5MPa。在高爐系統的正常工況條件下熱風(fēng)閥將產(chǎn)生一定的能量損耗，其中包括冷卻水帶走的熱量、閥門(mén)外表面向大氣散發(fā)的熱量及供水用的電能等。正確認識和使用高爐系統熱風(fēng)閥是實(shí)現節能降耗和文明環(huán)保生產(chǎn)的重要措施，對于系統的正常運行，設備熱效率的提高及能源的合理利用等具有重要的作用。

2、熱風(fēng)能量損失計算方法

　　2.1、冷卻水帶走的熱量

　　在冷卻水供水并冷卻熱風(fēng)閥密封面及閥門(mén)本體的過(guò)程中，冷卻水帶走的熱量Q1為

Q1=CmΔt1 (1)

　　式中 Q1——熱量(單位時(shí)間內冷卻水帶走的熱量)，J；C——比熱容，kJ/(kg•K)；m——質(zhì)量(單位時(shí)間內冷卻水的質(zhì)量流量)，kg；Δt1——冷卻水溫升，K

　　2.2、閥門(mén)外表面向大氣散發(fā)的熱量

　　閥門(mén)與環(huán)境之間的換熱為對流換熱和輻射換熱，可視為將鋼板置于無(wú)限大的空氣中。由于閥門(mén)表面溫度不超過(guò)100°C，輻射換熱可忽略不計，則閥門(mén)表面向大氣散發(fā)的熱量Q2'為

Q2'=αFΔt2 (2)

　　式中 Q2'——熱量(單位時(shí)間內閥門(mén)外表面向大氣散發(fā)的熱量)，J/s；α——對流換熱系數，W/(m2•K)

　　F——散熱面積，m2；Nμm——努謝爾特準則；λ——流體的導熱系數，W/(m•K)；L——散熱壁面的定型尺寸，m；k——表示定性溫度為tm=(tw+tf)/2；tw——壁面溫度，K；tf——遠離壁面的流體溫度，K；Δt2——流體與壁面的溫度差，K；Δt2=tw-tf；ζn——由實(shí)驗確定的常數；Gr——格拉曉夫準則；Pr——普朗特準則；g——重力加速度，m/s2；β——流體的容積膨脹系數；β=1/(tmk-1)；ν——流體的運動(dòng)粘度，m2/s

　　由定性溫度查得流體的參數Pr、λ和ν代入式(2)求得Q2'。

　　根據實(shí)際工況，閥門(mén)表面溫度不超過(guò)100°C，與外界為自然對流換熱，對流換熱系數α可簡(jiǎn)化為

α=1.13(Δt2)1/3 (6)

　　閥門(mén)外表面向大氣散發(fā)的熱量Q2為

Q2=Q2't (7)

　　式中 Q2——計算時(shí)間內閥門(mén)表面向大氣散發(fā)的熱量，J；t——時(shí)間，s

　　2.3、熱風(fēng)通過(guò)閥門(mén)時(shí)總的能量損失

　　熱風(fēng)通過(guò)閥門(mén)時(shí)的能量損失為冷卻水帶走的熱量和閥門(mén)表面向大氣散發(fā)的熱量等能量損失的和Q總。

Q總=Q1+Q2 (8)

3、熱風(fēng)能量損失計算實(shí)例

　　以通徑1800mm的傳統型和節能型熱風(fēng)閥為例，計算1h熱風(fēng)通過(guò)閥門(mén)時(shí)的能量損失。表1為某一高爐系統中閥門(mén)的實(shí)測數據。

表1 傳統閥門(mén)與節能閥門(mén)水溫及其表面溫度

　　(1)將各參數帶入式(1)，得出閥門(mén)閥板及閥體冷卻水在1h帶走的熱量冷卻水帶走的熱量(表2和表3)。

表2 閥板冷卻水帶走的熱量Q板

表3 閥體冷卻水帶走的熱量Q體

　　冷卻水帶走的總熱量Q1為閥板和閥體冷卻水帶走的熱量，即Q1=Q板+Q體(表4)。

表4 閥門(mén)冷卻水帶走的總熱量Q1

　　計算結果證明，節能閥門(mén)冷卻水溫升高，帶走的熱量并不比傳統閥門(mén)少。

　　(2)將各數值帶入式(7)，得閥門(mén)表面在1h的散熱量Q2(表5)。

表5 閥門(mén)表面散熱量Q2

　　(3)熱風(fēng)通過(guò)閥門(mén)的能量損失為冷卻水帶走的熱量和閥門(mén)表面向大氣散發(fā)的熱量，能量損失之和Q總見(jiàn)表6。

表6 熱風(fēng)通過(guò)閥門(mén)時(shí)總的能量損失Q總

　　通過(guò)上述計算得出，目前的節能閥不能減少熱風(fēng)通過(guò)閥門(mén)時(shí)的能量損失。

4、閥門(mén)用電量的比較

　　由于節能閥冷卻水量小，用于水循環(huán)的水泵的電能得到節約。

　　式中 E——電能，J；V——冷卻水的速度，m/s；h——冷卻水的提升高度，m

　　在冷卻水速度和提升高度相同的情況下，冷卻水量m的減少，使用的電能E減少。設傳統閥所用電能E為1，冷卻水速度V、高度h與節能閥相等，得出節能閥電能(表7)。

表7 水泵耗用電能比較

5、計算結果分析

　　計算結果證明，目前國內的節能閥與傳統閥相比，不論冷卻水帶走的熱量還是閥門(mén)表面散失的熱量并不比傳統閥門(mén)少，甚至更多。說(shuō)明熱風(fēng)管道上使用節能熱風(fēng)閥并不能同比提高送風(fēng)溫度，僅節省了電能。按傳熱理論分析，水冷卻比空氣冷卻效率高，即帶走的熱量應相對更大。

　　5.1、閥門(mén)表面溫度對比

　　(1)節能閥閥蓋和閥體大面為大平壁穩態(tài)傳熱(圖1)。

圖1 節能閥閥蓋、閥體大面傳熱

　　根據平壁傳熱公式

　　設F=1，則

　　式中 Q——導熱量，W；q——熱流通量，W/m2；t1——耐火澆注料熱表面溫度，K；t4——鋼板冷表面溫度，K；δ1、δ2、δ3——分別為耐火澆注料、特種隔熱材料和鋼板的厚度，m；λ1、λ2、λ3——分別為耐火澆注料、特種隔熱材料、鋼板的導熱系數，W/(m•K)

　　(2)傳統水冷閥閥蓋和閥體大面為大平壁穩態(tài)傳熱(圖2)。

圖2 傳統水冷閥閥蓋、閥體大面傳熱

　　圖1和圖2具有導熱的相似性，可導出式(13)。

　　式中 t1'——鋼板1熱表面溫度，K；t4'——鋼板2冷表面溫度，K；Q'——導熱量，W；δ1'、δ2'、δ3'——分別為鋼板1、冷卻水和鋼板2的厚度，m；λ1'、λ2'、λ3'——分別為鋼板1、冷卻水和鋼板2的導熱系數，W/(m•K)

圖3 閥板熱傳導

　　對比式(12)和(13)可知，雖然鋼的導熱系數遠大于耐火材料的導熱系數，但是，冷卻水的導熱系數很小，在溫度超過(guò)160°C后隨著(zhù)溫度升高而降低，導致閥門(mén)有水冷卻時(shí)比無(wú)水冷卻時(shí)總熱阻更大，并且水是流動(dòng)的，會(huì )帶走一定的熱量。所以，水冷閥門(mén)表面溫度比無(wú)水冷的閥表面溫度低。因此，計算水冷卻閥門(mén)的表面溫度時(shí)應考慮冷卻水帶走的熱量。由于傳統水冷閥門(mén)采用了水冷卻，所以表面溫度較低。閥門(mén)表面散發(fā)的熱量少。

　　節能閥閥板冷卻，閥體密封水環(huán)冷卻，其他部位不冷卻。傳統水冷閥閥板冷卻，閥體、閥蓋冷卻，并且閥體、閥蓋共用一套冷卻水，即從閥體出來(lái)的冷卻水再冷卻閥蓋。所以，閥門(mén)的冷卻水溫升，即是閥蓋出水的溫升。

　　5.2、冷卻水帶走的熱量對比

　　由Q=CmΔt知，冷卻水量的大小、冷卻水溫升的大小決定了冷卻水帶走熱量的多少。

　　閥板冷卻水溫升可參照式(12)的導出過(guò)程，導出式(14)。

　　式中 t1''——耐火澆注料熱表面溫度，K；t3''——鋼板冷表面溫度，K；Q''——導熱量，W；δ1''、δ2''——分別為耐火澆注料和鋼板的厚度，m；λ1''、λ2''——分別為耐火澆注料和鋼板的導熱系數，W/(m•K)

　　在熱量Q''及耐火澆注料熱表面溫度t1''一定的情況下，鋼板表面溫度t3''與耐材的厚度成反比，與耐材的導熱系數成正比。因此，降低冷卻水溫升，必須加大耐材厚度，減小耐材導熱系數。

6、熱風(fēng)閥節能研究方向

　　提高節能閥的節能效果需要從冷卻水道布置、耐火材料的隔熱性能及隔熱材料的使用等方面研究和改進(jìn)。

　　(1)冷卻水道布置合理的冷卻水道分布，適當的冷卻水流速，可使閥門(mén)冷卻均勻，冷卻水得到充分利用。即取得最佳水速，減少水的流量，控制水的溫升。

　　(2)耐火材料的隔熱性能閥門(mén)在開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)下，節能措施都在于控制水升溫和減小水量。水升溫的熱源為通過(guò)閥門(mén)的熱風(fēng)，熱量傳遞的方式主要依靠熱對流及熱傳導。加大水冷卻腔與耐火材料之間的熱阻，選用導熱系數較低的耐火材料和增加耐火材料的厚度是增大熱阻的必要措施，也是降低閥門(mén)表面溫度的有效措施。但耐火材料厚度的增加受幾何尺寸的限制，因此，耐火材料的隔熱性能是制約熱風(fēng)閥降低熱風(fēng)能量損失的關(guān)鍵因素。因此，研制輕質(zhì)高強耐火材料是閥門(mén)減重、節能和長(cháng)壽的關(guān)鍵。

　　(3)隔熱材料的使用在節能熱風(fēng)閥中，降低冷卻水量，甚至閥體、閥蓋不加水冷卻，僅靠耐火材料隔熱是不夠的，國外閥門(mén)中已普遍在耐火材料與閥門(mén)鋼體間增加一層纖維性高隔熱材料。我國研制的節能熱風(fēng)閥也采用了此項技術(shù)，但其隔熱材料的隔熱性能與國外的相比還有待改進(jìn)(表8)。

表8 國內外阻熱材料性能比較

7、結語(yǔ)

　　為實(shí)現高爐系統熱風(fēng)閥的節能降耗，在降低冷卻水量的工況下，必須控制冷卻水的溫升，減少冷卻水帶走的熱量。同時(shí)，應采用高性能的隔熱材料抑制熱量向閥門(mén)本體的傳導和阻止熱量向閥門(mén)體外的散失。