蜂窝陶瓷蓄热体材料性能要求

    蜂窝陶瓷蓄热体，是针对我国加热炉实际燃烧状况研制的，能适应我国加热炉大多控制水平低、燃烧状况恶劣的实际条件。在蓄热式燃烧系统正常的工作过程中，蜂窝陶瓷蓄热体周期性地与高温烟气和常温助燃空气或煤气接触，通过蓄热体的蓄热与放热，将高温烟气的热量传递给常温助燃空气或煤气，实现余热的极限回收和常温助燃空气或煤气的高温预热，达到gx节能的目的。由此可见，蜂窝陶瓷蓄热体的安全稳定运行和高强换热效果是影响蓄热式燃烧技术gx节能的关键所在。为此，从影响蓄热体稳定运行的理化性能和影响换热效果的热物理性能两个方面，分析其对材料性能的要求。

一、蜂窝陶瓷蓄热体材料的理化性能要求

    对于蓄热式加热炉，要求蜂窝陶瓷蓄热体能在高温、氧化铁粉尘、温度频繁波动的条件下长时间工作，因而，对蓄热体耐火度、热震稳定性、力学强度、抗氧化铁侵蚀等方面都提出了具体的要求。

1、耐火度

    对于蓄热式燃烧系统，助燃空气或煤气的预热温度效率较高，一般可达仅比烟气温度低100-200℃的水平，因而蜂窝陶瓷蓄热体长期工作在高温状态下，故对其耐火度有要求。对于一般小钢坯加热炉，其烟气温度为1250-1300℃，对于高温大型钢坯加热炉，烟气温度可达1400℃，甚至更高，由此可见，不同的应用条件对蜂窝陶瓷蓄热体材料耐火度有不同的要求。

2、热震稳定性

    根据蓄热室的换热过程，蜂窝陶瓷蓄热体是在反复加热和冷却的工况下长期运行，其表面与内部的温度始终随时间作周期性的变化，若蓄热体的热震稳定性达不到一定的要求，则会在频繁交替的热胀冷缩作用下，导致蓄热体破碎而堵塞气流通道，使压力损失增加，影响蓄热室的换热效果，严重时将引起蓄热室不能正常工作，被迫进行蓄热体更换。根据耐火材料的性质，材料的致密度越高，热膨胀系数越大，其热震稳定性越差，同时，致密度高的材料，其密度一般也比较大，蓄热能力也大，因此，在选择蓄热材料的配方时，应在保证材料热震稳定性的前提下，尽可能提高其致密度。

3、结构强度

    蓄热室是由单个蓄热体分层和分排组装而成，在实际的高温工作条件下，底层蜂窝陶瓷蓄热体需承受上层及自身的重量，因此，要求蓄热体必须具有足够的高温抗压强度和抗蠕变性能，否则，将导致蓄热体变形和破碎，使气体的流通阻力增大，换热效率下降，甚至影响到蓄热式燃烧系统的安全运行。同时，在高温含尘气体高速冲刷作用下，易导致蓄热体孔壁磨损和缺陷剥离破损，因而，要求蓄热体具有较高的高温结构强度和荷重软化温度。根据经验，耐火材料长期工作温度一般比其荷重软化温度低100℃左右。

4、抗渣性

    因为在加热炉的炉气中含有氧化铁粉尘，通过与耐火材料的接触与高温固相反应，形成低熔点物质，降低了材料的软熔温度。因此，在正常使用过程中，造成低熔点物质粘附孔壁，增大了气体的流动阻力，降低了蓄热体的换热效率，同时，孔壁低熔点物质的粘附，增强了孔壁对粉尘的捕捉能力，推进了孔壁粉尘粘附进程，进一步恶化了蓄热体的使用性能，甚至造成大面积堵塞蓄热体通孔，导致蓄热室无法正常工作。因此，蓄热材料同样必须具有良好抗氧化铁侵蚀的能力。

二、蜂窝陶瓷蓄热体材料热物理性能要求

    蓄热室的重要性能指标是温度效率E和热回收效率η，具体计算公式为：

温度效率E=T"a－T'a/T'y－T'a×{bfb}

式中，T'a和T"a为预热空气进出口平均温度，℃；T'y为烟气入口温度，℃。

热回收效率η=Q"a－Q'a/Q'y×{bfb}

式中，Q'a和Q"a为预热空气进出口热焓量，kJ/h；Q'y为烟气进口热焓量，kJ/h 。

    根据上述计算公式可见，温度效率E和热回收效率η是蓄热室换热过程的综合表征，作为换热过程的蜂窝陶瓷蓄热体，其热物理性能对其具有重要的影响。

1、比热容

    比热容c反映了材料内部积聚一定热量而产生的温度变化。质量相同而c不同的材料，当从外界吸收相同的热量时其表征值-温度则不同；c值大的材料，在换热过程中，与载热介质之间的温度差较大，热交换量增加， 与同温度下c值小的材料相比，所蓄积的热量更多。

2、材料热导率

    在蜂窝陶瓷蓄热体的吸热与放热过程中，热能在物质内部传递时所遇阻力大小会直接影响蓄热室的换热效率。材料的热导率是物质进行能量传递难易程度的一种物理性质。热导率大的材料，热量从表面到中心，或从内部到表面的传递速度快。根据复合换热牛顿公式，蓄热体与气体进行换热过程的界面综合换热系数a：

a=(1/α＋S/λ)^-1

式中，α为气体(空气或烟气)与蓄热体（蜂窝陶瓷蓄热体）对流换热系数，W/(m2·K);S为蓄热体固体内部热量流动平均距离，m；λ为蓄热体材料的热导率，W/(m·K)。

    由式可见，材料λ值高，综合换热系数a上升；热量传递速度快，交换的热量增加；蓄热室的温度效率E值上升，有利于设备的微型化与设备的布置安装。

3、蜂窝陶瓷蓄热体材料的发射率

    由于蜂窝陶瓷蓄热体工作温度高，烟气中的热量则通过对流与辐射方式传递给蓄热体，因此，蓄热材料的发射率对辐射换热过程具有重要的影响。按烟气充满整个蓄热体空隙的两灰体之间辐射换热处理，其导来辐射系数为Cd：

Cd=C0(1/ε＋1/ε1－1)^-1

式中，C0为黑体辐射系数，C0=5.67W/(m2·K⁴)；ε、ε1为蓄热体材料发射率及烟气发射率。由式可见，Cd与蓄热体材料发射率有正对应关系。因而，提高蓄热体材料的发射率，或采取增加发射率的措施，可提高Cd值，达到强化高温辐射换热的目的。

4、密度

    对于显热式蓄热材料来说，密度越大，单位体积的材料重量也越大。在比热容相同的条件下，吸收同等热量的蓄热材料重量相等，因而材料密度大的材料可以减小蓄热室的体积，在蓄热室额定蓄热量的条件下，采用体积密度大的蓄热材料，蓄热室占用体积小，便于蓄热式燃烧系统的安装与布置。为此，在蜂窝陶瓷蓄热体选材时应尽量选择高密度的材料。