第５５卷第７期 Ｖ０１．５５ ＮＯ．７ 农业装备与车辆工程 ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮ￣ＮＥＥＲＩＮＧ ２０１７年７月 Ｊｕｌｙ ２０１７ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３－３１４２．２０１７．０７．０１９ 新型生物质热风炉的研制 孔凡祝，慈文亮，李寒松，赵峰，张宗超 （２５０１００山东省济南市山东省农业机械科学研究院） 【摘要】针对传统燃煤热风炉浪费能源、污染环境以及热效率偏低等问题，研制了一种新型生物质热风炉， 采用逆叉流换热方式，逆向换热，烟气和空气各走其道，热交换流道长，不仅热效率提高，而且节能环保， 适合蔬菜、茵类等食品的烘干。 ［关键词】生物质；热风炉；热交换；热效率 【中图分类号】￥２２６．６ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１６７３—３１４２（２０１７）０７—００８２—０３ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｅｗ Ｂｉｏｍａｓｓ Ｈｏｔ Ｓｔｏｖｅ Ｋｏｎｇ Ｆａｎｚｈｕ，Ｃｉ Ｗｅｎｌｉａｎｇ，Ｌｉ Ｈａｎｓｏｎｇ，Ｚｈａｏ Ｆｅｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｚｏｎｇｃｈａｏ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｈｕａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｊｉｎａｎ Ｃｉｔｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ２５０１００，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｗａｓｔｅ ｅｎｅｒｇｙ，ｐｏｌｌｕｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏａｌ－ｆｉｒｅｄ ｈｏｔ ａｉｒ ｓｔｏｖｅ，ａ ｎｅｗ ｂｉｏｍａｓｓ ｈｏｔ ａｉｒ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｌｏｗ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｖｅｒｓｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ， ｆｌｕｅ ｇａｓ ａｎｄ ａｉｒ ｔａｋｅｓ ｉｔｓ ｏｗｎ ｃｏｕｒｓｅ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｉｔｈ ｌｏｎｇ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｈａｎｎｅ１．Ｉｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｂｕｔｆ ａｌｓｏ ｉｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ｆｒｉｅｎｄｌｙ，ｓｕｉｔａｂｌｅ ｏｒ ｆｖｅｇｅｔａｂｌｅｓ，ｆｕｎｇｕｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆｏｏｄ ｄｒｙｉｎｇ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｂｉｏｍａｓｓ；ｈｏｔ ｓｔｏｖｅ；ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ０引言 能源和环境是当今人类面临的两大首要问 食烘干等都用到热风炉。通过长时间的生产实践， 人们已经认识到，利用热风作为介质和载体是理 题，也是制约社会进步与发展的决定性因素ｆ１】。 随着全球经济的飞速发展，能源的消耗量迅速增 加，而地球上现存的化石燃料是不可再生能源， 总有一天要枯竭［２】。我国经济正处在快速发展的 关键时期，并且人口数量多，人均能源占有量少， 对环境污染的处理能力低，能源和环境状况尤为 严峻ｐ］，更急需可再生的清洁能源。 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四 大能源，在世界能源消耗中，生物质能占总耗能 的１４％，但在发达国家占４０％以上。生物质燃 料燃烧时ＣＯ：的净排放量基本为０，ＮＯ 排放量 仅为燃煤的１／５，ＳＯ，排放量仅为燃煤的１／１０。因 此，生物质燃料是一种低碳、环保而又可再生的 能源 。 热风炉是利用燃料燃烧生成的热和空气进行 换热，生产热风的设备［５】。作为一个重要的工艺 设备，在各个工业部门得到了广泛的应用。无论 是在采暖、炼钢、生产水泥、农畜牧业种植、粮 想的干燥方式，能更大程度的提燥效果，在 食品干燥加工方面优势尤为显著 ，而以生物质 为燃料的热风炉则是未来发展的主要方向。 １研究现状 现有热风炉在热交换结构、流速、流向等方 面设计不尽合理，普遍存在热效率偏低，热交换 不充分、浪费能源严重、寿命短等问题，不符合 国家节能环保可持续发展产业，影响了热风 炉的进一步推广和应用。现有热风炉热管布置形 式主要有Ｓ型布置、平行布置，空间相对较小， 热管分布密集，冷风流经热管的路程短、时间少， 进而造成换热时间短，换热不均匀。目前市场上 的热风炉也存在占地面积大，安全性差、高耗低 效等问题。 针对此现象，本文设计了ｓ形翅片管结构。 烟气和热空气各走其道，增加了烟气与热空气换 热路程，热效率提高５０％以上，适用于肉类、 蔬菜等食品烘干。 收稿日期：２０１６—１２—２３ 修回日期：２０１７—０１—１２ ２热风炉主要参数计算 第５５卷第７期 孔凡柱等：新型生物质热风炉的研制 ８３ ２．１热风炉的能力 热风炉能力大小主要取决于热风炉的供热量 或换热量『７Ｊ。环境温度在０￣Ｃ以上时，换热量小 热风炉的换热面积主要取决于换热器的综 于供热量；环境温度在０℃以上时，换热量大于 供热量。在实际使用中，用换热量来表示热风炉 能力的时候，经常使干燥机配套产生误解，造成 热风炉型号选择偏小，无法满足烘干工艺要求。 因为供热量是热风炉纯输出的即干燥机所需要的 合传热系数和热风炉的能力。影响换热器综合 传热系数的因素很多：空气的合理流速、烟气、 换热器的材质及结构等。一般热风炉采用列管 式换热器，如不采取特殊措施，其传热系数为 ５０～７０ ｋｇ／（ｍ・ｏＣ・ｈ） ，而采用翅片式列管加多Ｓ型 流通技术，其传热系数可提高２０％～４０％，从而 增加了换热面积。换热面积计算： 热量，因此为了与干燥机配套使用方便，市场上 一般以供热量来表示热风炉的能力。 热风炉的供热量（ ）： ＝ｃ＝ｃ，ｒ２（ｋＪ／ｈ） （１） 式中： ——空气质量流量，ｋｇ／ｈ；Ｃ ——干空 气比热，ｋＪ／（ｋｇ￣Ｃ）； ——热风温度，℃。 热风炉的换热量（ ）： ｎｈ＝ｃ．ｃ，（ 一 ）（ｋＪ／ｈ） 式中： ——空气质量流量，ｋｇ／ｈ；Ｃ ——干 空气比热，ｋＪ／（ｋｇ ｏＣ）； ——热风温度，ｏＣ； ——环境温度，℃。 热风炉的换热量（ ）与供热量（ ）的 关系表示为 ￣／ｈ＝／４．一 （２） 例如热风炉设计环境温度为一１０℃，换热 后的热风温度为１４０℃，那么热风炉换热量的温 升为１５０ ｏＣ，而供热量的温度为１４０ ｏＣ，比值为 １５０／１４０＝１．０７。同理，可求得任意温度下换热量 与供热量的比例系数。 ２．２热风炉的热效率 热风炉的热效率为有效能量占供给能量的百 分比，反映了能量利用的有效程度，用 表示。 ’７＝（有效能量／供给能量）×１００％ 对于热风炉而言，忽略其他带入炉内的热量， 供给热量即生物质的总发热量，即： Ｑ ＝ＢＱ （３） 式中： ——热风炉的供给热量，ｋＪ／ｈ； 小时耗煤量，ｋｇ／ｈ；Ｑ — 谋的应用基低位发热 值，ｋＪ／ｋｇ。 有效热量就是被工质吸收的热量，对热风炉 而言就是加热空气所需要的热量【８】，即： Ｑ ＝Ｇ （ 一 ） （４） 式中： ——热风炉的有效热量，ｋＪ／ｈ；Ｇ——热 风质量流量，ｋｇ／ｈ；ｃ｜——干空气比热，ｋＪ他ｇ℃）； ——热风温度，ｏＣ；Ｔ ——环境温度，℃。 ２．３热风炉的换热面积 Ｆ＝ＨＪＫＡ Ｔ（ｍ ） （５） 式中：△Ｔ——两种流体的温差（△ 一 ），ｏＣ； 综合传热系数，ｋｇ／（ｍ・℃・ｈ）。 ｌ／（１／ｏｒ １＋ ／Ａ＋ｌ／ａ ２） 式中：Ｏｌ ——烟气侧对流传热系数，ｋＪ／（ｍ・℃－ｈ）； ——空气侧对流传热系数，ｋＪ／（ｍ・ｏＣ・ｈ）；艿—— 换热器管壁厚，ｍ；Ａ——换热器管壁的导热系 数，ｋＪ／（ｍ・℃・ｈ）。 ３热风炉结构及工作原理 新型生物质热风炉主要由由七大部分组成： 燃烧室、烟气贮藏｝昆合室、热交换器、冷风风机 接口、热风风机接口、烟气风机接口、扒灰口等， 如图１。 ５ １．燃烧室２．烟气贮藏混合室３．冷风风机接口４．烟气肛【机接口 ５．热交换器６．热风风机接１３ ７．扒灰口 图１热风炉结构简图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈｏｔ ｓｔｏｖｅ 燃烧室内炉排上产生烟气后，烟气进人烟气 贮藏混合室，烟气贮藏混合室为上方骨架结构， 内含两个槽钢和耐火砖组成的隔板，烟气从进人 烟气贮藏混合室经历先上后下再上再下的流动路 程最后进入热交换器。 热交换器上方左开口处为燃烧产生的烟气通 过烟气贮藏混合室混合后进入热交换室的入口， 热交换器上方右开口处为冷风机接口，即烟气通 过热交换室循环完成后排出热交换器的出口。 热交换器右侧与引风机相连接，引风机输送 农业装备与车辆工程 ２０１７伍 空气进入热交换器，左侧为热风风机接口，与烟 气交换换热完成后变成热空气并从此口输送到需 热交换器。热交换器最下方３个开口设计为扒灰 口，日常使用时扒灰更加方便快捷。热交换器采 要烘干的位置。参见图２。 ６ ｌ １．热交换器风向挡板２．热交换器侧挡板３．热交换器上Ｆ挡板 ４．热交换器换热室挡板５．热交换器翅片管６．热交换器换热室侧挡板 ７．热交换器换热室下挡板８．热交换器扒灰口挡板 囤２热交换器结构简图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ 图２中为了观测方便，去掉了前方—侧的热交 换器侧挡板，并且只显示了一部分热交换器翅片管。 热交换器主要由热交换器风向挡板、热交 换器侧挡板、热交换器翅片管等组成，热交换器 翅片管位于热交换器上下挡板的圆孑Ｌ中，翅片管 相对于光管热交换效率更高。热交换换热室挡板 与热交换器换热室侧挡板一共组成了４个密闭空 间，从左到右分别为第ｌ密闭空间、第２密闭空间、 第３密闭空间、第４密闭空间。热交换器风向挡 板位于热交换器上下挡板之间，共５块，从左到 右共组成六部分空间，依次为第１空间、第２空间、 第３空间、第４空间、第５空问、第６空间。热 交换器上下挡板、热交换器扒灰口挡板与热交换 器换热室上下挡板等共同组成了３个密闭空间， 分别为第５密闭空间、第６密闭空间、第７密闭 空间。 自烟气贮藏混合室排出的烟气从图２中左侧 热交换器翅片管进入，依次经过第５密闭空间、 第２密闭空间、第６密闭空间、第３密闭空间、 第７密闭空间、第４密闭空间，通过烟气风机接 口排出热交换器。冷风从右侧进入热交换器，首 先进入第６空间，走的路线依次是热交换器风向 挡板开口、第５空间、热交换器风向挡板开口、 第４空间、热交换器风向挡板开口、第３空间、 热交换器风向挡板开口、第２空间、热交换器风 向挡板开口、第１空间，通过热风风机接口排出 用逆叉流换热方式，即烟气走翅片管管内，空气 走翅片管管外，一方面可控制热交换室的的积灰， 使积灰更容易清理；另一方面强化了换热，降低 系统阻力，减少了风机功耗。 ４热风炉应用前景 目前我国热风炉的燃料主要以煤炭等固体燃 料为主，但由于受能源条件的以及地球不可 生能源的Ｅｌ益减少，以煤炭为燃料的热风炉在不 久的将来会被淘汰，因此许多科研生产机构对燃 煤热风炉进行了大量的开发研究及升级改造，但 仍不是长久之策。我国是农业大国，也是食品生 产和消费大国，适用于食品加工的生物质热风炉 在我国需求量大，市场前景广阔。为了满足食品 的储藏与保鲜、蔬菜、肉类、菌类等食品的烘干 以及响应国家节能减排的需求，均需要这种生物 质热风炉。 ５结论 综上所述，本文提出的新型生物质热风炉符 合国家节能环保的可持续发展产业，设计合 理，结构简单，热效率高，适用于食品烘干，提 高了食品烘干效率，保证了食品的口感与品质。 参考文献 ［１】 钱伯章．世界能源消费现状和可再生能源发展趋势（上）［ＪＪ＿ 节能与环保，２００６（３）：８—１ １． 【２］张百良，刘圣勇，张全国．农村能源工程学［Ｍ］．北京：中国 农业出版社，１９９９． 【３］ 许静，喻国胜，肖江．生物质燃料的加工及其应用【ＪＪ．中国 林业．２００４（１）． 【４］ 刘立果，张学军，刘云，等．生物质成型燃料热风炉燃烧室 的设计与研究［Ｊ】．农机化研究，２０１６，３８（１０）：２４５—２４９． 【５】刘相东，于才源，周德仁．常用工业干燥设备及应用【ＭＩ．化 工出版社．２００５． ［６】 张加清，林雪，陈长卿，等．新型交换式高效节能常压热风 炉开发与应用［Ｊ】＿农业开发与装备，２０１４（７）：５８—５９． ［７］ 史慧锋．日光温室新型燃煤热风炉的设计及推广应用【Ｄ］．乌 鲁木齐：农业大学，２０１３． ［８】李伟莉．生物质成型燃料热风采暖炉的设计与试验【ＤＪ．郑州： 河南农业大学，２００５． ［９］ 张志刚，齐新洲，张海春，等．５ＬＤＲＦ一２型日光温室引风式 间接加热热风炉的研制【Ｊ］．农机化，２００９（４）：３２—３３． 作者简介孔凡祝（１９６３一），男，山东潍坊人，高级工程师。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｋｆｚ＠ｓｊｌａｓｅｒ．ｃｏｍ） 通讯作者慈文亮（１９８７一），男，山东潍坊人，硕士。Ｅ—ｍａｉｌ： ｃｉｗｅｎｌｉａｎｇ＠１２６．ｃｏｒｎ
