回转式空预器中带扰流孔波纹板的传热和阻力特性研究

杨贺　陈明明

摘 要：火力发电作为我国能源获取的最主要途径，其运行对于我国经济发展有着重要的影响。而回转式空预器作为火力发电厂回收余热的重要装置，传热波纹板是回转式空预器的核心部件，其性能直接决定了回转式空预器的传热性能、流通阻力和积灰状况。文章以回转式空预器中常用板型DU-K波纹板为基础，探讨了在DU-K波纹板上开扰孔流对传热效果和传热均匀性的影响。

关键词：回转式空预器；波纹板；传热；阻力特性

随着社会经济的发展，我国对电力的需求也越来越大，据统计，截止到2015年底，全国发电装机容量达到147153万千瓦，其中火电装机容量占全部装机容量的63.37%，由此可见当前乃至未来十年之内火力发电仍旧是国内获取能源的最主要方式。但是和水电、风电、核电相比，火力发电造成的资源浪费和环境污染毫无疑问和社会所提倡的绿色节约环保、可持续发展理念是有着很大冲突的，这种情况下如何采取有效措施提高火力发电效率，降低其带来的污染成为一个亟待解决的问题。

1 空气预热器概述

当前，从各种热气体中回收热量是火力发电厂主要采用的一种有效提高动力装置效率的手段，而空气预热器则是当前最为常见的一种热回收装置。在实际操作中通常会利用空气预热器来回收烟气余热，加热助燃空气，降低排烟温度，从而有效的提高了锅炉的热效率。同时由于空气预热器的存在，使得助燃空气的温度得到了进一步的提高，这对于燃料的着火，降低因燃料不完全燃烧出现的资源浪费有着重要的意义。目前火力发电厂所使用的空气预热器主要分为两种，一种是管式空气预热器，另一种是回转式空气预热器。相比之下，回转式空气预热器因具有高传热率、耐腐蚀性强、使用寿命长、价格较低等优势成为火力发电厂的首选设备，其主要由转子和外壳两个部分组成，其中转子从上到下用径向隔板分隔成互不相通的若干个扇形仓，每个扇形仓装满由波纹金属板制成的传热元件，也叫传热波纹板，用于吸热与放热。在外壳的顶部和底部，上下对应着用两个扇形板将整个截面分隔成烟气流通区、空气流通区和密封区部分。回转式空气预热器工作原理为：回转式空预器由电机驱动转子带动旋转，通过传热波纹板在烟气流动区中吸收高温烟气热量，然后在空气流通区中将热量传递给冷空气，如此反复循环，转子每旋转一周就进行一次热交换。密封区防止空气从空气流通区泄露到烟气流通区。转子缓慢旋转，高温烟气和冷空气交替地流过传热波纹板。由回转式空气预热器的工作过程可以看出转子中的传热波纹板是回转式空预器的核心部件，传热波纹板的性能决定回转式空预器的流动和传热性能。

2 带扰流孔波纹板的传热和阻力特性

现有回转式空预器传热波纹板专利大都属于国际上几个著名波纹板制造商，它们一般不对外公布自己掌握的研究材料，加上国内燃煤特性与国外的不同，目前缺乏有效的数据对回转式空预器传热波纹板的流动和传热性能做有通用价值的归纳。由于标准的实施，火电厂都进行了脱硝系统改造，脱硝改造后引起回转式空预器冷段腐性堵塞。为解决回转式空预器冷段腐性堵塞，国内常用做法为对冷段波纹板进行搪瓷，但这会使整个回转式空预器的换热性能降低。对此作者结合相关的研究认为通过在回转式空预器传热波纹板上开扰流孔方式来增强回转式空预器传热波纹板的综合性能是较为可行的，并以常用板型DU-K波纹板为例对其传热和阻力特性进行了分析。

2.1 带扰流孔波纹板的传热特性分析

由于DU-K波纹板结构的复杂性，导致通道内温度场、速度场以及压力场都是非常不均匀的。定位板与波形板通道面积较小的地方，空气流速较大，静压较小，同时换热效果比较好，即空气能够很好的得到波纹板传递热量。定位板与波形板通道面积较大的地方，空气流速较小，静压较大，换热效果比较差，即空气不能很好的传递波纹板的热量。并且随着Re（热诺数）数增加，不均匀的情况愈加明显，这在一定程度上限制了通道内空气热交换的均匀性，同时也不利于波纹板的热量充分传递给流通通道内的空气。而在波纹板上开扰流孔则可以有效的借助上下通道压力差，产生板间流动，破坏边界层发展，以增强传热效果。同时扰流孔消除局部大速度，通道空气速度分布更加均匀，整个通道内的传热效果得以增强。

2.2 带扰流孔波纹板的阻力特性分析

回转式空预器波纹板复杂的波形使板内流体流动流型复杂，流体的流动状态对波纹板传热特性有着密切的影响，在对回转式空预器波纹板的强化传热研究之前就必须先对流体流动特性进行分析。在回转式空预器波纹板流道中，阻力主要包括两种：沿程摩擦阻力和局部阻力。其中沿程摩擦阻力是导致回转式空预器中压降存在的主要原因，沿程摩擦阻力的影响因素主要有流体自身的物性、波纹板的结构形状和波纹板换热面表面粗链程度等。相关研究和实践表明随着扰流孔直径的增大，带扰流孔的DU-K板流动阻力较无扰流孔DU-K板逐渐减小。分析孔排列方式的影响可知，在叉排排列时，流动阻力减少量大于顺排排列。对于孔间距，作者在实践中发现，当间距从12mm增大到20mm时，流动阻力减少量呈现出先减小后增大的情况。对于孔位置，作者结合相关的理论研究计算得出当孔布置在定位板上时，流动阻力平均减少17.72%；布置在波形板上时流动阻力增加5.42%；当定位板波形板都布置时，流动阻力减少18.62%。由此可见扰流孔孔直径对最终流动阻力的影响作用最大，孔位置次之，孔间距影响在第三位，孔排列方式影响最不明显。因此，根据波纹板几何尺寸及开扰流孔后波纹板表面孔隙率变化，合理布置圆形扰流孔的孔径、扰流孔的排列间距、扰流孔的位置以及扰流孔的排列方式，是最大限度降低波纹板阻力的有效措施。

总而言之，波纹板是板式换热器和回转式空气预热器的主要传热元件，波纹板的结构直接决定换热器的传热性能、阻力性能、抗腐防堵能力以及承压能力等。现有的波纹板波纹结构主要要有人字型波纹结构、水平波纹结构、竖直波纹结构、斜波纹结构等。板式换热器的波纹板片由螺检夹紧在固定压紧板及活动压紧板之间，在换热器内部就构成了许多流道，板与板之间用橡胶密封，流体在板式换热器内转折流动实时换热。回转式空预器传热波纹板通过不断流经烟气通道和空气通道交替换热，因此回转式空预器波纹板需要有较强蓄热能力。而采用在波纹板上开扰流孔的方式对于提高波纹板以及回转式空预器的性能效果是不言而喻的，对于国内燃煤电厂降低生产成本，减少运行维护费用，降低金属材料消耗，提高产品可靠性和寿命，具有重要意义。

参考文献

[1]王祝成.电厂锅炉回转式空气预热器的节能改造及效果分析[J].能源技术经济，2010，5.

[2]王洪跃.回转式空气预热器动态特性及控制策略研究[D].东南大学，2005，12.

[3]黄风良.回转式空预器中带扰流孔波纹板的传热和阻力特性研究[D].浙江大学，2015，1.

作者简介：杨贺（1985-），男，吉林松原人，本科，助理工程师，研究方向：锅炉检修。