新型回转式空气预热器蓄热元件数值分析

闫顺林　曹保鑫　于兴宝　韩建　张莎

【摘 要】回转式空气预热器普遍存在着较为严重的积灰问题，为了减轻蓄热元件通道内积灰，提出一种新型蓄热元件。利用数值计算软件对常用的蓄热元件和新型蓄热元件的传热、流动和积灰问题进行了三维数值模拟研究。对模拟结果进行分析，得到了各蓄热元件的传热特性及阻力特性曲线，对比分析发现：以平板为基础板型，新型板综合性能评价指标PEC值高于波纹板；通过积灰特性研究发现：相同雷诺数下，新型板的积灰沉积率远低于波纹板。模拟结果可为回转式空气预热器蓄热元件的优化设计提供参考。

【关键词】回转式空气预热器；蓄热元件；传热特性；阻力特性；积灰特

中图分类号： TK223.34 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）26-0135-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.060

回转式空气预热器是通过受热面旋转利用烟气余热加热燃烧所需要的空气的热交换设备，对蓄热元件流通通道的传热特性和阻力特性研究可以直观的反应回转式空气预热器的热力性能，主要从对流换热强烈程度、局部流动阻力大小和蓄热元件壁面烟灰颗粒沉积多少三个方面体现热力性能的好坏。

蓄热元件由波纹板和定位板两部分组成，常用的蓄热元件有NF板型、DU板型和CU板型，DU板型通常用于回转式空气预热器热段，波纹板与定位板均被轧制成与流动方向成30°夹角的斜波纹，以达到增强换热的效果，NF板通常用于回转式空气预热器冷段，可以减轻由硫酸氢铵引起的流通通道内堵灰。

文献[1]通过数值模拟的方法对改进的蓄热板进行了数值模拟，通过数值模拟的方法给出了不同蓄热板的传热和流动阻力特性曲线。文献[2]通过实验的方法比较了金属波纹板与陶瓷蜂窝板的传热和阻力特性，文献[3-5]通过实验的方法对蓄热元件进行了传热特性和阻力特性实验研究。

针对波纹板存在积灰较为严重的问题，本文提出了一种新型蓄热元件，利用fluent对其进行传热与积灰的三维数值模拟研究，得到了蓄热元件努塞尔数、阻力系数随雷诺数的变化规律，同时给出了内部流体的流场、温度场云图分布。可为回转式空气预热器冷端搪瓷蓄热元件的优化设计提供参考。

1 新型蓄热元件

根据强化传热理论，提出了一种新型回转式空气预热器蓄热元件，与常见的NF平板蓄热元件相比，通道内与介质接触的平面上设置有多个呈球面型的凹坑和凸起。设计思想：一方面，新型蓄热单元球面的凹坑和凸起部位增大了热交换介质的接触面积，相应的提高了蓄热板单位体积的吸热效率；另一方面，蓄热组件的表面的球弧面型的凹坑与凸起，增加了对通道内流动介质的扰流作用，可以提升通道内流动介质与蓄热组件的传热效率；同时，由于凸起具有较好的扰流作用，减小了介质的层流层，减少了蓄热组件出现积灰的问题。

2 蓄热元件计算模型

2.1 模型的简化与假设

回转式空气预热器蓄热板结构复杂，考虑计算时间和计算机内存限制，作如下假设和简化：

（1）蓄热板结构具有周期性，所以采用蓄热板内部一个“流通单元”作为研究对象。

（2）蓄热板长度为500mm，可忽略入口效应。

（3）忽略由于积灰引起的蓄热板传热条件变化。

（4）忽略液态NH4HSO4对灰颗粒沉寂的影响。

（5）忽略烟气冲刷沉积层导致的灰颗粒脱附。

2.2 网格划分

回转式空气预热器每一个流通单元均具有相同的结构，为了节省计算量，取其中一个流通单元进行建模。由于DU板型和新型板流通单元内部结构复杂，采用六面体网格对斜波纹和凹坑进行网格划分难度较大，所以本文采用meshing软件对三种板型进行四面体网格划分，网格文件可以较准确地反应实际蓄热元件的结构，并保证网格质量，以提高模拟精度。三种蓄热元件网格划分数量如表2。

2.3 数学模型与边界条件

模拟介质为空气，湍流模型选取Realizablek-ε模型并采用DPM模型对流动、传热和烟灰颗粒沉积进行模拟，速度和压力采用SIMPLE耦合，动量、能量和对流项均采用QUICK格式离散，近壁面采用增强壁面处理。为了满足计算精度要求，能量方程残差收敛标准控制为10-6，剩余变量残差收敛标准控制为10-3，其余参数设置如表3所示。

对流换热系数受众多因素影响，所以用衡量对流换热强弱的无量纲数Nu代替：

式中：λ为空气导热系数；为当量直径。

当空气流经传热元件并发生热交换时，空气与传热元件之间的摩擦阻力系数f存在如下关系式：

式中：Δp为压力损失，Pa；Deq为当量直径，m；ρ为密度，kg/m3；L为传热元件长度，m；u为流通速度，m/s。

反映换热器传热Nu增强与流阻f增加之间相对关系的性能评价系数见式。

Nu—强化传热蓄热元件努塞尔数；

Nu0平板努塞尔数；

f—强化传热蓄热元件阻力系数；

f0—平板阻力系数。

3 计算结果及分析

蓄热元件传热与流动的数值计算結果如图1、2所示。对比分析三种板型的热力特性曲线和阻力特性曲线，可知相同雷诺数下，波纹板的换热性能最好，平板的换热性能最差，新型板的换热性能介于两者之间。波纹板的阻力系数最大，平板的阻力系数最小，新型板的阻力系数介于二者之间。

从强化传热的角度分析，通过比较两种板型传热综合性能指标PEC数得出：新型板与波纹板的PEC数均高于1，说明两种板型的综合传热性能均强于平板。另外，新型板的PEC数高于波纹板，所以新型板的综合传热性能优于波纹板。

如图3、图4、图5分别是平板、新型板和波纹板在Re=7000时流体出口横截面轴向速度分布图。从出口截面轴向速度分布图可以看出，高流速区主要集中在用于固定和吹灰的波纹处，较窄的流动区域处除平板外，新型板与波纹板流速较为均匀，主要是受到了斜波纹和凹坑的强烈扰动，可有效提高蓄热元件的换热效果。

如图6、图7、图8分别是平板、新型板和波纹板在Re=7000时流体出口横截面温度分布图。与平板出口截面平均温度351.9K相比，新型板出口截面平均温度为361.4K，波纹板出口截面平均温度为362.6K，新型板与波纹板出口截面平均温度较平板升高明显，其原因为：波纹板增加了斜波纹使气流扰动增强，因而其传热性能增强，新型板增加了压制的凹坑和凸起，使其传热性能较平板得到了较大提升，。研究表明新型板能够对流体造成较强烈的扰动，从而达到更好的换热效果。

不考虑NH4HSO4的影响，Re=7000时平板、新型板、波纹板的沉积率逐渐增强，平板平均率为4.28×10-4kg/m2，新型板沉积率为6.71×10-4kg/m2·s，波纹板平均沉积率为9.86×10-4kg/m2·s。平板和新型板的沉积率分布较为均匀，而波纹板的沉积率沿斜波纹方向较为集中，容易造成空预器积灰堵塞。新型板虽然布置了较多凹坑和凸起，但在凹坑内的积灰沉积率并不大，主要原因为流体在凹坑的扰动较为强烈。

4 结论

采用数值计算软件对回转式空气预热器新型蓄热元件与传统波纹板及平板的流动、传热和积灰情况进行三维数值模拟，得出如下结论：

（1）新型蓄热元件与传统波纹板相比，其表面的球面设计使其阻力增加较小的前提下，优化了传热性能，其综合传热性能优于波纹板。

（2）新型蓄热元件与传统波纹板相比，其积灰沉积率低于波纹板，有利于减轻蓄热元件积灰。

（3）新型蓄热元件综合传热性能较好，积灰概率较小，能够减短蓄热元件长度，减小压降，有助于吹灰水洗，有一定的研究价值。

【参考文献】

[1]危日光，高建强，张磊，等.回转式空气预热器搪瓷蓄热元件传热与流动数值模拟研究[J].华北电力大学学报（自然科学版），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.

[3]張启，金小峰，王恩禄，等.回转式空气预热器蓄热元件传热特性实验研究[J].锅炉技术，2011（3）：6-8.

[4]毛明江，王恩禄，王谦，等.回转式空气预热器低温段传热元件阻力特性试验研究[J].锅炉技术，2012，v.43；No.451（4）：15-17，22.

[5]张磊，聂鹏，刘文娟，等.复合式波纹板传热与阻力特性单吹瞬态实验研究_张磊[J].中国电机工程学报，2017，v.37；No.585（22）：234-239，339.