新型回轉式空氣預熱器蓄熱元件數值分析

閆順林　曹保鑫　于興寶　韓建　張莎

【摘 要】回轉式空氣預熱器普遍存在著較為嚴重的積灰問題，為了減輕蓄熱元件通道內積灰，提出一種新型蓄熱元件。利用數值計算軟件對常用的蓄熱元件和新型蓄熱元件的傳熱、流動和積灰問題進行了三維數值模擬研究。對模擬結果進行分析，得到了各蓄熱元件的傳熱特性及阻力特性曲線，對比分析發現：以平板為基礎板型，新型板綜合性能評價指標PEC值高于波紋板；通過積灰特性研究發現：相同雷諾數下，新型板的積灰沉積率遠低于波紋板。模擬結果可為回轉式空氣預熱器蓄熱元件的優化設計提供參考。

【關鍵詞】回轉式空氣預熱器；蓄熱元件；傳熱特性；阻力特性；積灰特

中圖分類號： TK223.34 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0135-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.060

回轉式空氣預熱器是通過受熱面旋轉利用煙氣余熱加熱燃燒所需要的空氣的熱交換設備，對蓄熱元件流通通道的傳熱特性和阻力特性研究可以直觀的反應回轉式空氣預熱器的熱力性能，主要從對流換熱強烈程度、局部流動阻力大小和蓄熱元件壁面煙灰顆粒沉積多少三個方面體現熱力性能的好壞。

蓄熱元件由波紋板和定位板兩部分組成，常用的蓄熱元件有NF板型、DU板型和CU板型，DU板型通常用于回轉式空氣預熱器熱段，波紋板與定位板均被軋制成與流動方向成30°夾角的斜波紋，以達到增強換熱的效果，NF板通常用于回轉式空氣預熱器冷段，可以減輕由硫酸氫銨引起的流通通道內堵灰。

文獻[1]通過數值模擬的方法對改進的蓄熱板進行了數值模擬，通過數值模擬的方法給出了不同蓄熱板的傳熱和流動阻力特性曲線。文獻[2]通過實驗的方法比較了金屬波紋板與陶瓷蜂窩板的傳熱和阻力特性，文獻[3-5]通過實驗的方法對蓄熱元件進行了傳熱特性和阻力特性實驗研究。

針對波紋板存在積灰較為嚴重的問題，本文提出了一種新型蓄熱元件，利用fluent對其進行傳熱與積灰的三維數值模擬研究，得到了蓄熱元件努塞爾數、阻力系數隨雷諾數的變化規律，同時給出了內部流體的流場、溫度場云圖分布。可為回轉式空氣預熱器冷端搪瓷蓄熱元件的優化設計提供參考。

1 新型蓄熱元件

根據強化傳熱理論，提出了一種新型回轉式空氣預熱器蓄熱元件，與常見的NF平板蓄熱元件相比，通道內與介質接觸的平面上設置有多個呈球面型的凹坑和凸起。設計思想：一方面，新型蓄熱單元球面的凹坑和凸起部位增大了熱交換介質的接觸面積，相應的提高了蓄熱板單位體積的吸熱效率；另一方面，蓄熱組件的表面的球弧面型的凹坑與凸起，增加了對通道內流動介質的擾流作用，可以提升通道內流動介質與蓄熱組件的傳熱效率；同時，由于凸起具有較好的擾流作用，減小了介質的層流層，減少了蓄熱組件出現積灰的問題。

2 蓄熱元件計算模型

2.1 模型的簡化與假設

回轉式空氣預熱器蓄熱板結構復雜，考慮計算時間和計算機內存限制，作如下假設和簡化：

（1）蓄熱板結構具有周期性，所以采用蓄熱板內部一個“流通單元”作為研究對象。

（2）蓄熱板長度為500mm，可忽略入口效應。

（3）忽略由于積灰引起的蓄熱板傳熱條件變化。

（4）忽略液態NH4HSO4對灰顆粒沉寂的影響。

（5）忽略煙氣沖刷沉積層導致的灰顆粒脫附。

2.2 網格劃分

回轉式空氣預熱器每一個流通單元均具有相同的結構，為了節省計算量，取其中一個流通單元進行建模。由于DU板型和新型板流通單元內部結構復雜，采用六面體網格對斜波紋和凹坑進行網格劃分難度較大，所以本文采用meshing軟件對三種板型進行四面體網格劃分，網格文件可以較準確地反應實際蓄熱元件的結構，并保證網格質量，以提高模擬精度。三種蓄熱元件網格劃分數量如表2。

2.3 數學模型與邊界條件

模擬介質為空氣，湍流模型選取Realizablek-ε模型并采用DPM模型對流動、傳熱和煙灰顆粒沉積進行模擬，速度和壓力采用SIMPLE耦合，動量、能量和對流項均采用QUICK格式離散，近壁面采用增強壁面處理。為了滿足計算精度要求，能量方程殘差收斂標準控制為10-6，剩余變量殘差收斂標準控制為10-3，其余參數設置如表3所示。

對流換熱系數受眾多因素影響，所以用衡量對流換熱強弱的無量綱數Nu代替：

式中：λ為空氣導熱系數；為當量直徑。

當空氣流經傳熱元件并發生熱交換時，空氣與傳熱元件之間的摩擦阻力系數f存在如下關系式：

式中：Δp為壓力損失，Pa；Deq為當量直徑，m；ρ為密度，kg/m3；L為傳熱元件長度，m；u為流通速度，m/s。

反映換熱器傳熱Nu增強與流阻f增加之間相對關系的性能評價系數見式。

Nu—強化傳熱蓄熱元件努塞爾數；

Nu0平板努塞爾數；

f—強化傳熱蓄熱元件阻力系數；

f0—平板阻力系數。

3 計算結果及分析

蓄熱元件傳熱與流動的數值計算結果如圖1、2所示。對比分析三種板型的熱力特性曲線和阻力特性曲線，可知相同雷諾數下，波紋板的換熱性能最好，平板的換熱性能最差，新型板的換熱性能介于兩者之間。波紋板的阻力系數最大，平板的阻力系數最小，新型板的阻力系數介于二者之間。

從強化傳熱的角度分析，通過比較兩種板型傳熱綜合性能指標PEC數得出：新型板與波紋板的PEC數均高于1，說明兩種板型的綜合傳熱性能均強于平板。另外，新型板的PEC數高于波紋板，所以新型板的綜合傳熱性能優于波紋板。

如圖3、圖4、圖5分別是平板、新型板和波紋板在Re=7000時流體出口橫截面軸向速度分布圖。從出口截面軸向速度分布圖可以看出，高流速區主要集中在用于固定和吹灰的波紋處，較窄的流動區域處除平板外，新型板與波紋板流速較為均勻，主要是受到了斜波紋和凹坑的強烈擾動，可有效提高蓄熱元件的換熱效果。

如圖6、圖7、圖8分別是平板、新型板和波紋板在Re=7000時流體出口橫截面溫度分布圖。與平板出口截面平均溫度351.9K相比，新型板出口截面平均溫度為361.4K，波紋板出口截面平均溫度為362.6K，新型板與波紋板出口截面平均溫度較平板升高明顯，其原因為：波紋板增加了斜波紋使氣流擾動增強，因而其傳熱性能增強，新型板增加了壓制的凹坑和凸起，使其傳熱性能較平板得到了較大提升，。研究表明新型板能夠對流體造成較強烈的擾動，從而達到更好的換熱效果。

不考慮NH4HSO4的影響，Re=7000時平板、新型板、波紋板的沉積率逐漸增強，平板平均率為4.28×10-4kg/m2，新型板沉積率為6.71×10-4kg/m2·s，波紋板平均沉積率為9.86×10-4kg/m2·s。平板和新型板的沉積率分布較為均勻，而波紋板的沉積率沿斜波紋方向較為集中，容易造成空預器積灰堵塞。新型板雖然布置了較多凹坑和凸起，但在凹坑內的積灰沉積率并不大，主要原因為流體在凹坑的擾動較為強烈。

4 結論

采用數值計算軟件對回轉式空氣預熱器新型蓄熱元件與傳統波紋板及平板的流動、傳熱和積灰情況進行三維數值模擬，得出如下結論：

（1）新型蓄熱元件與傳統波紋板相比，其表面的球面設計使其阻力增加較小的前提下，優化了傳熱性能，其綜合傳熱性能優于波紋板。

（2）新型蓄熱元件與傳統波紋板相比，其積灰沉積率低于波紋板，有利于減輕蓄熱元件積灰。

（3）新型蓄熱元件綜合傳熱性能較好，積灰概率較小，能夠減短蓄熱元件長度，減小壓降，有助于吹灰水洗，有一定的研究價值。

【參考文獻】

[1]危日光，高建強，張磊，等.回轉式空氣預熱器搪瓷蓄熱元件傳熱與流動數值模擬研究[J].華北電力大學學報（自然科學版），2016，v.43；No.180（2）：91-95，109.

[2]Wang E，Li K，Mao J，et al.Experimental study of flow and heat transfer in rotary air preheaters with honeycomb ceramics and metal corrugated plates[J].Applied Thermal Engineering，2017.

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