回轉式空預器中帶擾流孔波紋板的傳熱和阻力特性研究

楊賀　陳明明

摘 要：火力發電作為我國能源獲取的最主要途徑，其運行對于我國經濟發展有著重要的影響。而回轉式空預器作為火力發電廠回收余熱的重要裝置，傳熱波紋板是回轉式空預器的核心部件，其性能直接決定了回轉式空預器的傳熱性能、流通阻力和積灰狀況。文章以回轉式空預器中常用板型DU-K波紋板為基礎，探討了在DU-K波紋板上開擾孔流對傳熱效果和傳熱均勻性的影響。

關鍵詞：回轉式空預器；波紋板；傳熱；阻力特性

隨著社會經濟的發展，我國對電力的需求也越來越大，據統計，截止到2015年底，全國發電裝機容量達到147153萬千瓦，其中火電裝機容量占全部裝機容量的63.37%，由此可見當前乃至未來十年之內火力發電仍舊是國內獲取能源的最主要方式。但是和水電、風電、核電相比，火力發電造成的資源浪費和環境污染毫無疑問和社會所提倡的綠色節約環保、可持續發展理念是有著很大沖突的，這種情況下如何采取有效措施提高火力發電效率，降低其帶來的污染成為一個亟待解決的問題。

1 空氣預熱器概述

當前，從各種熱氣體中回收熱量是火力發電廠主要采用的一種有效提高動力裝置效率的手段，而空氣預熱器則是當前最為常見的一種熱回收裝置。在實際操作中通常會利用空氣預熱器來回收煙氣余熱，加熱助燃空氣，降低排煙溫度，從而有效的提高了鍋爐的熱效率。同時由于空氣預熱器的存在，使得助燃空氣的溫度得到了進一步的提高，這對于燃料的著火，降低因燃料不完全燃燒出現的資源浪費有著重要的意義。目前火力發電廠所使用的空氣預熱器主要分為兩種，一種是管式空氣預熱器，另一種是回轉式空氣預熱器。相比之下，回轉式空氣預熱器因具有高傳熱率、耐腐蝕性強、使用壽命長、價格較低等優勢成為火力發電廠的首選設備，其主要由轉子和外殼兩個部分組成，其中轉子從上到下用徑向隔板分隔成互不相通的若干個扇形倉，每個扇形倉裝滿由波紋金屬板制成的傳熱元件，也叫傳熱波紋板，用于吸熱與放熱。在外殼的頂部和底部，上下對應著用兩個扇形板將整個截面分隔成煙氣流通區、空氣流通區和密封區部分。回轉式空氣預熱器工作原理為：回轉式空預器由電機驅動轉子帶動旋轉，通過傳熱波紋板在煙氣流動區中吸收高溫煙氣熱量，然后在空氣流通區中將熱量傳遞給冷空氣，如此反復循環，轉子每旋轉一周就進行一次熱交換。密封區防止空氣從空氣流通區泄露到煙氣流通區。轉子緩慢旋轉，高溫煙氣和冷空氣交替地流過傳熱波紋板。由回轉式空氣預熱器的工作過程可以看出轉子中的傳熱波紋板是回轉式空預器的核心部件，傳熱波紋板的性能決定回轉式空預器的流動和傳熱性能。

2 帶擾流孔波紋板的傳熱和阻力特性

現有回轉式空預器傳熱波紋板專利大都屬于國際上幾個著名波紋板制造商，它們一般不對外公布自己掌握的研究材料，加上國內燃煤特性與國外的不同，目前缺乏有效的數據對回轉式空預器傳熱波紋板的流動和傳熱性能做有通用價值的歸納。由于標準的實施，火電廠都進行了脫硝系統改造，脫硝改造后引起回轉式空預器冷段腐性堵塞。為解決回轉式空預器冷段腐性堵塞，國內常用做法為對冷段波紋板進行搪瓷，但這會使整個回轉式空預器的換熱性能降低。對此作者結合相關的研究認為通過在回轉式空預器傳熱波紋板上開擾流孔方式來增強回轉式空預器傳熱波紋板的綜合性能是較為可行的，并以常用板型DU-K波紋板為例對其傳熱和阻力特性進行了分析。

2.1 帶擾流孔波紋板的傳熱特性分析

由于DU-K波紋板結構的復雜性，導致通道內溫度場、速度場以及壓力場都是非常不均勻的。定位板與波形板通道面積較小的地方，空氣流速較大，靜壓較小，同時換熱效果比較好，即空氣能夠很好的得到波紋板傳遞熱量。定位板與波形板通道面積較大的地方，空氣流速較小，靜壓較大，換熱效果比較差，即空氣不能很好的傳遞波紋板的熱量。并且隨著Re（熱諾數）數增加，不均勻的情況愈加明顯，這在一定程度上限制了通道內空氣熱交換的均勻性，同時也不利于波紋板的熱量充分傳遞給流通通道內的空氣。而在波紋板上開擾流孔則可以有效的借助上下通道壓力差，產生板間流動，破壞邊界層發展，以增強傳熱效果。同時擾流孔消除局部大速度，通道空氣速度分布更加均勻，整個通道內的傳熱效果得以增強。

2.2 帶擾流孔波紋板的阻力特性分析

回轉式空預器波紋板復雜的波形使板內流體流動流型復雜，流體的流動狀態對波紋板傳熱特性有著密切的影響，在對回轉式空預器波紋板的強化傳熱研究之前就必須先對流體流動特性進行分析。在回轉式空預器波紋板流道中，阻力主要包括兩種：沿程摩擦阻力和局部阻力。其中沿程摩擦阻力是導致回轉式空預器中壓降存在的主要原因，沿程摩擦阻力的影響因素主要有流體自身的物性、波紋板的結構形狀和波紋板換熱面表面粗鏈程度等。相關研究和實踐表明隨著擾流孔直徑的增大，帶擾流孔的DU-K板流動阻力較無擾流孔DU-K板逐漸減小。分析孔排列方式的影響可知，在叉排排列時，流動阻力減少量大于順排排列。對于孔間距，作者在實踐中發現，當間距從12mm增大到20mm時，流動阻力減少量呈現出先減小后增大的情況。對于孔位置，作者結合相關的理論研究計算得出當孔布置在定位板上時，流動阻力平均減少17.72%；布置在波形板上時流動阻力增加5.42%；當定位板波形板都布置時，流動阻力減少18.62%。由此可見擾流孔孔直徑對最終流動阻力的影響作用最大，孔位置次之，孔間距影響在第三位，孔排列方式影響最不明顯。因此，根據波紋板幾何尺寸及開擾流孔后波紋板表面孔隙率變化，合理布置圓形擾流孔的孔徑、擾流孔的排列間距、擾流孔的位置以及擾流孔的排列方式，是最大限度降低波紋板阻力的有效措施。

總而言之，波紋板是板式換熱器和回轉式空氣預熱器的主要傳熱元件，波紋板的結構直接決定換熱器的傳熱性能、阻力性能、抗腐防堵能力以及承壓能力等。現有的波紋板波紋結構主要要有人字型波紋結構、水平波紋結構、豎直波紋結構、斜波紋結構等。板式換熱器的波紋板片由螺檢夾緊在固定壓緊板及活動壓緊板之間，在換熱器內部就構成了許多流道，板與板之間用橡膠密封，流體在板式換熱器內轉折流動實時換熱。回轉式空預器傳熱波紋板通過不斷流經煙氣通道和空氣通道交替換熱，因此回轉式空預器波紋板需要有較強蓄熱能力。而采用在波紋板上開擾流孔的方式對于提高波紋板以及回轉式空預器的性能效果是不言而喻的，對于國內燃煤電廠降低生產成本，減少運行維護費用，降低金屬材料消耗，提高產品可靠性和壽命，具有重要意義。

參考文獻

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作者簡介：楊賀（1985-），男，吉林松原人，本科，助理工程師，研究方向：鍋爐檢修。