蓄热式热交换器与间壁式热交换器的比较

图5.8 蓄热式热交换器中气流及蓄热材料的温度变化

由于蓄热式热交换器中的热交换是依靠蓄热物质的热容量及冷、热流体通道周期性地交替，使得蓄热式热交换器中传热面及流体温度的变化具有一定的特点。特点之一是，蓄热材料的壁面温度在整个工作周期中不断地变化，而且在加热期间的变化情况与冷却期间的变化情况也不相同。与此同时，除了在蓄热式热交换器的冷、热气体进口处之外，冷、热气体的温度还随时间而变化。为了说明这种变化特点，今在蓄热式热交换器高度方向上取某一截面（图5.8（a）中A-A截面），在整个周期内，该处蓄热材料及气体的温度按图5.8（b）所示情况变化。在加热期内，热气体不断地把热量传给蓄热材料，随着时间的增加，沿热交换器高度各处蓄热材料的温度不断升高（A-A处，tw，1）。由于热气体的进口温度是不变的，这就使得进口截面处热气体和蓄热材料之间温差愈来愈小，因而进口截面处热气体的温度下降愈来愈小，A-A截面处热气体的温度t1也随之上升。在冷却期内，冷气体不断冷却蓄热材料，使得沿热交换器高度各处蓄热材料温度随着时间增加而降低（A-A处，tw，2）。由于冷气体进口温度也是不变的，使得进口处蓄热材料与冷气体间温差愈来愈小，因而进口截面上冷气体温升愈来愈小，A-A处冷气体的温度t2随之下降。正由于这种变化，常常使得加热和冷却期内蓄热材料温度不沿同一条曲线变化。至于间壁式热交换器，在稳定工况下，各处传热面及流体温度均是稳定不变的。特点之二是，蓄热材料和流体温度变化具有周期性，即每经过一个周期这些温度变化又重复一次。

由于周期性的特点，我们可以以周期为单位，来考虑蓄热式热交换器中的热平衡及传热，进而可采用类似于稳定工况下的间壁式热交换器所用的简单公式，方便地计算蓄热式热交换器。

以图5.9所示逆流时的间壁式热交换器和蓄热式热交换器为例。假设气体1的温度高于气体2的温度，若以蓄热式热交换器一个循环的时间为单位，对间壁式与蓄热式都是从气体温度的变化来计算热量。在间壁式热交换器中，气体1所放出的热量为

气体2所吸收的热量为

图5.9 在逆流下的间壁式和蓄热式热交换器

式中 M1、M2——相应于所流过的气体1、2的质量流量；

cp1、cp2——分别为气体1、2的比热；

——分别为气体1的进、出口温度；

——分别为气体2的进、出口温度。

如忽略热损失，间壁式中换热气体1、2间热平衡式为

对于蓄热式热交换器，气体1所放出的热量为

气体2所吸收的热量为

式中 ——分别为气体1在一周期内平均的进、出口温度；

——分别为气体2在一周期内平均的进、出口温度。

如忽略对外热损失，则得热平衡式为

将式（5.1）与（5.2）比较可见，以一个周期为单位考虑蓄热式热交换器的传热量时，采用了周期中的气体平均温度，所以它的热平衡式在形式上与间壁式相类似。再以一个周期为单位，分别对蓄热式及间壁式热交换器进行传热计算。今以蓄热体及进、出口流体在加热期及冷却期的平均温度作为间壁式热交换器的壁及流体的进出口温度，即可按照蓄热式热交换器的工况作出假想的间壁式热交换器传热工况，如图5.10所示。

设热交换器的传热面积为F，循环周期为τ0（其中，加热时间为τ1，冷却时间为τ2），参考图5.10，可以得出蓄热式中的传热量为

式中 t1，m、t2，m——分别为热、冷流体的平均温度，℃；

K——相应于t1，m、t2，m下蓄热式热交换器中的传热系数，W/（m2·℃）。

图5.10 蓄热式热交换器中以及假想的间壁式热交换器中的传热过程(www.xing528.com)

（a）假想的间壁式换热过程（b）蓄热式换热过程

传热量Q也可由热气体1与蓄热体间对流换热量来表示

式中 α1——加热周期热气体的对流换热系数，W/（m2·℃）；

tw1，m——加热周期受热壁面在受热过程中的平均壁温，℃。

或可由冷气体2与蓄热体间对流换热量来表示

式中 α2——冷却周期冷气体的对流换热系数，W/（m2·℃）；

tw2，m——冷却周期冷却壁面在冷却过程中的平均壁温，℃。

综合以上三式可得蓄热式热交换器的传热系数计算式为

如τ1=τ2，则

再设有一间壁式热交换器，其传热面积也为F，但对于冷气体及热气体各占一半，热气体的平均温度为t1，m，冷气体的平均温度为t2，m则在时间τ0内该间壁式热交换器的传热量可表示为

而热气体的放热量为

冷气体的吸热量为

如忽略间壁式热交换器的壁面热阻，即tw1，m=tw2，m，则得到

比较式（5.3）与（5.8）及（5.7）与（5.11）可见，由于在蓄热式热交换器中加热与冷却过程的平均传热壁温不相等，使得在其他条件相同时，蓄热式热交换器的传热量仅为间壁式热交换器的倍。

式（5.6）中系■数是由于蓄热式热交换器的传热表面温度不稳定而产生的，因为由图5.8（b）可见，当蓄热式热交换器的换热周期τ0➝0时，曲线与将变成同一直线，因而，这一系数值为1。所以，也称它为考虑非稳定换热影响的系数，以符号Cn代表。

当τ0➝0时，Cn=1，这表明在其他条件相同时，蓄热式热交换器达到所能传递的最大热量。其数值与同样条件下间壁式热交换器所能传递的热量相同。但是实际上，使Cn＜1，这表明蓄热式热交换器的传热量总是小于在相同条件下间壁式热交换器所能传递的热量。所以，从单位传热表面积的传热量方面，看不出采用蓄热式热交换器的优点。

与间壁式热交换器相比，蓄热式热交换器主要在结构方面有以下三个优点：

①紧凑性很高。如，采用20～50目的金属网板作蓄热体时，每立方米容积可能容纳的传热面积为2296～6560m2。而在间壁式热交换器中，即使紧凑性最高的板翅式热交换器一般只有2000m2/m3左右。

②单位传热面积的价格要比间壁式便宜得多，而且易于采用耐腐蚀、耐高温的材料（如陶瓷）作传热面。

③有一定的自洁作用。因为传热面周期性地受到参与换热的气体的方向相反的流动，与间壁式相比就不易存在永久性的流动停滞区，并且传热面上积灰较易自动去除。

蓄热式与间壁式相比的主要缺点是：

①因为同一蓄热体交替地作为冷、热气体的通道和受热面，因而在回转型蓄热式热交换器中，势必导致一通道中的气体带入另一通道。两气体通道间的密封不严，将会造成冷、热气体之间某种程度的混合。在阀门切换型蓄热式热交换器中，也将由于阀门的切换而使冷、热气体之间有不同程度的混合。

②对于回转型蓄热式热交换器来说，密封问题比较困难，因而会造成较大的漏风，特别是在高温和低温气体之间压差很大时。例如，在回转型空气预热器中，空气向烟气中的泄漏量约占流过的空气量的5%～10%。