国内外节能热风阀比较

    一、前言
    秦冶重工有限公司从2004年开始节能型热风阀的研制，并于2006年形成标准系列，编入YB/T4072—2007中。产品应用于首钢京唐5500m3高炉，首钢迁钢4000m3高炉，张家港华盛5800m3高炉和太钢4350m3高炉等几十家。
    在全国开展的“对比标杆找差距，持续改进促提高”活动中，秦冶重工有限公司积极努力找出自己的对标目标，阀门方面，在国内处于领先地位。国际上，公司的目标是与德国德恩杰公司产品相媲美。
    跟踪德恩杰产品和秦冶重工有限公司产品的使用现状及进行现场测试调研，将国内节能热风阀产品与德恩杰节能热风阀在结构、选材、节能方面做一比较。通过努力，秦冶产品取得了长足的进步。
    二、热风能量损失比较
    秦冶节能热风阀和德国节能热风阀在某公司同一座高炉上使用，对其进行在线监测，如图1所示。

图1 阀门在线监视系统

    不难看出，按照同规格阀门相比，由于阀板结构不同，国内节能热风阀的冷却水量大于国外节能阀。由于水量大，使得冷却水的温升相当小，阀板进出水温升1～2℃，而国外节能型热风阀，由于冷却水量小，阀板冷却水的温升较高，达到8～9℃；另外国内节能阀表面温度高于国外节能阀。实测数据见表1。

表1 国内节能阀门与国外节能阀门水温、表面温度

    注：热风温度1250℃，冷却水压力0。63MPa，环境温度32℃。
    热风通过阀门的能力损失共有两部分，第一部分为冷却水带走的热量Q1，第二部分为阀门表面向大气散发的热量Q2。
    1.冷却水带走的热量Q1
    由热能公式：

    
    式中
    Q1——冷却水带走的热量，单位为J；
    c1——水的比热容，单位为kJ/（kg•K），30～50℃时水的比热容为4.174kJ/（kg•K）；
    m1——冷却水的质量流量，单位为kg；
    Δt1——冷却水的温升，单位为K。
    将各参数带入式（1），得出两种阀门阀板、阀体冷却水在1h带走的热量，见表2、表3。冷却水带走的总热量Q1为阀板、阀体冷却水带走的热量之和，即Q1=Q板+Q体，见表4。

表2 阀板冷却水带走的热量Q板

表3阀体冷却水带走的热量Q体

表4阀体冷却水带走的热量Q1（单位：J）

 ♂ 
    由上述计算得知，国外节能阀门冷却水温升高，带走的热量比国内节能阀多。
    2.阀门向大气散发的热量Q2
    阀门安装在热风管道上，在开启状态，源源不断的热空气流过阀门。热风通过多层平壁的综合传热，如图2所示。传热过程如下。
    1）阀门内热风通过辐射、对流方式将热量传递给阀门内表面。
    2）再由传导传热的方式将热量传递到外表面。
    3）热量以对流和辐射方式传向周围空间。

图2 阀门传热示意图

    各过程的热流量分别为Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、Φ5，因为是稳定传热，故通过各层的热流量相等，记作Φ1=Φ2=Φ3=Φ4=Φ5=Φ。根据传热公式计算得

    
    式中
    Φ——热流量，单位为W；
    tg——热风温度，单位为K；
    ta——环境温度，单位为K；
    F——导热壁面积，单位为m2；
    δ1、δ2、δ3——分别为耐火浇注料、特种隔热材料和钢板的厚度，单位为m；
    λ1、λ2、λ3——分别为耐火浇注料、特种隔热材料和钢板热导率，单位为W/（m•K）；
    αt1——热风到阀门内壁的总传热系数，单位为W/（m2•K）；
    αt2——阀门外表面到空气的总传热系数，单位为W/（m2•K）。
    一般情况下，α t2从资料上找不到，可以通过计算其他传热过程得出的热流量来反算得出Φ：
             (3)
    已知热风温度tg、空气温度ta、阀门表面温度t4、热风到阀门内壁的总传热系数αt1、δ1、λ1、δ2、λ2、δ3、λ3，将各参数代入式（3），得出αt2，再将αt2值代入式（2），得出Φ。同样的方法可计算出个层间温度。则阀门表面在1h的散热量Q2见表5。

表5 阀门表面散热量Q2

    由于国外阀门表面温度低，德国阀门向周围空间的散热量远低于国内阀门。
    3.热风通过阀门时总的能量损失
    热风通过阀门的两部分能量损失之和Q总见表6。

表6 热风通过阀门时总的能量损失Q（总单位：J）

 ♂ 
    通过上述计算，得出，目前国内的节能阀虽然冷却水带走的热量低于国外阀门，但总体热量损失高于国外阀门。
    三、结果分析
    国内节能阀之所以热量损失大，是因为阀门表面温度高。由于阀门受几何尺寸限制，由式（2）不难看出，当αt1、αt2、δ1、δ2、δ3、tg一定时，λ1、λ2、λ3的大小决定了Φ的大小，同样λ1、λ2、λ3的大小决定了各层间温度及表面温度的大小。图3～图5列出了改变λ1、λ2时其他参数的变化。从图中不难看出：λ1的变化对阀门表面温度的影响不是很明显；对比国内外阀门的各参数，λ2的大小对表面温度起了决定性作用。
    在国内，耐火浇注料的性能已经达到或超过德国水平，但隔热材料的隔热性能还远远赶不上国外产品，

图3 λ2=0.17时t4随λ1的变化

图4 λ2=0.23时t4随λ1的变化

图5 t4随λ2的变化

    有待于国内厂家研究，性能对比见表7。

表7 国内外阻热材料性能比较

    四、结论
    要想热风阀做到节能，一方面，在降低冷却水量的同时，必须控制冷却水的温升，减少冷却水带走的热量；另一方面，抑制热量向阀门钢体的传导，同时阻止热量散发到大气中去。要做到这两点，必须采用高隔热性能的材料。