新型回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱元件數(shù)值分析

閆順林　曹保鑫　于興寶　韓建　張莎

【摘 要】回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)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(nèi)積灰，提出一種新型蓄熱元件。利用數(shù)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(shù)值模擬研究。對模擬結(jié)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(fā)現(xiàn)：以平板為基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)：相同雷諾數(shù)下，新型板的積灰沉積率遠低于波紋板。模擬結(jié)果可為回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱元件的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)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(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器是通過受熱面旋轉(zhuǎn)利用煙氣余熱加熱燃燒所需要的空氣的熱交換設(shè)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(yīng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)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(xiàn)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(zhuǎn)式空氣預(yù)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(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器冷段，可以減輕由硫酸氫銨引起的流通通道內(nèi)堵灰。

文獻[1]通過數(shù)值模擬的方法對改進的蓄熱板進行了數(shù)值模擬，通過數(shù)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(shù)值模擬研究，得到了蓄熱元件努塞爾數(shù)、阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，同時給出了內(nèi)部流體的流場、溫度場云圖分布。可為回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器冷端搪瓷蓄熱元件的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 新型蓄熱元件

根據(jù)強化傳熱理論，提出了一種新型回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱元件，與常見的NF平板蓄熱元件相比，通道內(nèi)與介質(zhì)接觸的平面上設(shè)置有多個呈球面型的凹坑和凸起。設(shè)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(zhì)的接觸面積，相應(yīng)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(nèi)流動介質(zhì)的擾流作用，可以提升通道內(nèi)流動介質(zhì)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(zhì)的層流層，減少了蓄熱組件出現(xiàn)積灰的問題。

2 蓄熱元件計算模型

2.1 模型的簡化與假設(shè)

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器蓄熱板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮計算時間和計算機內(nèi)存限制，作如下假設(shè)和簡化：

（1）蓄熱板結(jié)構(gòu)具有周期性，所以采用蓄熱板內(nèi)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(yīng)。

（3）忽略由于積灰引起的蓄熱板傳熱條件變化。

（4）忽略液態(tài)NH4HSO4對灰顆粒沉寂的影響。

（5）忽略煙氣沖刷沉積層導(dǎo)致的灰顆粒脫附。

2.2 網(wǎng)格劃分

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器每一個流通單元均具有相同的結(jié)構(gòu)，為了節(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用六面體網(wǎng)格對斜波紋和凹坑進行網(wǎng)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(wǎng)格劃分，網(wǎng)格文件可以較準確地反應(yīng)實際蓄熱元件的結(jié)構(gòu)，并保證網(wǎng)格質(zhì)量，以提高模擬精度。三種蓄熱元件網(wǎng)格劃分數(shù)量如表2。

2.3 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

模擬介質(zhì)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(shù)設(shè)置如表3所示。

對流換熱系數(shù)受眾多因素影響，所以用衡量對流換熱強弱的無量綱數(shù)Nu代替：

式中：λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；為當量直徑。

當空氣流經(jīng)傳熱元件并發(fā)生熱交換時，空氣與傳熱元件之間的摩擦阻力系數(shù)f存在如下關(guān)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(guān)系的性能評價系數(shù)見式。

Nu—強化傳熱蓄熱元件努塞爾數(shù)；

Nu0平板努塞爾數(shù)；

f—強化傳熱蓄熱元件阻力系數(shù)；

f0—平板阻力系數(shù)。

3 計算結(jié)果及分析

蓄熱元件傳熱與流動的數(shù)值計算結(jié)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(shù)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(shù)最大，平板的阻力系數(shù)最小，新型板的阻力系數(shù)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(shù)得出：新型板與波紋板的PEC數(shù)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(shù)高于波紋板，所以新型板的綜合傳熱性能優(yōu)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(qū)主要集中在用于固定和吹灰的波紋處，較窄的流動區(qū)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?qū)α黧w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(yù)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(nèi)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(jié)論

采用數(shù)值計算軟件對回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器新型蓄熱元件與傳統(tǒng)波紋板及平板的流動、傳熱和積灰情況進行三維數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

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

（2）新型蓄熱元件與傳統(tǒng)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】

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