基于流場數值模擬的空氣預熱器轉向室導流板設計

摘 要：鍋爐尾部管箱式空氣預熱器的空氣轉向室內，由慣性和離心力引起的空氣偏流會帶來預熱器受熱面的傳熱和溫度偏差及流動阻力的增加。一般采用空氣導流板改善流場分布，減小流動偏差。文章以一臺75t/h循環流化床鍋爐的二次風空氣預熱器為例，結合流場數值分析確定合理的導流板設計方案，以達到改善空氣流場分布的目的。

關鍵詞：導流板；流場；數值模擬；偏流；傳熱和溫度偏差；阻力

1 前言

空氣預熱器是鍋爐尾部煙道中的煙氣通過內部的傳熱部件將進入鍋爐前的空氣加熱到一定溫度的受熱面。作用有兩個方面，一是提高爐膛燃燒溫度，強化燃燒；二是降低排煙溫度，提高鍋爐熱效率，降低鍋爐能耗。

管箱式空氣預熱器是常見的空氣預熱器型式之一。煙氣在管內縱向沖刷，空氣在管外橫向沖刷。空氣流經一回程后，在空氣轉向室內轉彎180°，再反向流過二回程，整個空氣流程呈橫置的“U”形。空氣吸收煙氣熱量，溫度提高后，進入燃燒空間提供燃燒所需氧氣。煙氣放出熱量，溫度降低后排出爐外。

在空氣轉向室內，由于慣性和離心力的作用，空氣流動出現明顯的流速偏差。靠近轉向室出口上部的速度較高，靠近下部的速度較低。偏流現象會影響空氣和煙氣的正常換熱，煙氣和空氣的實際出口溫度與設計值出現偏差。同時，空氣流動阻力也相應提高。

為了改善速度分布，一般采用在轉向室內設置空氣導流板的辦法。設計良好的導流板可以優化空氣流型，降低速度偏差和系統阻力，提高空氣預熱器管整體換熱均勻性。采用流場的數值模擬可為導流板的優化設計提供有效的參考數據。

本文以一臺75t/h循環流化床鍋爐的二次風空氣預熱器為例，利用空氣流場的數值模擬，確定合理的空氣導流板結構。

2 導流板設計

不同的導流板結構型式會產生不同的速度和壓力場分布。設計了兩種類型的空氣導流板方案，如圖1所示。

圖中所示的空氣轉向室中，AB邊長為1000mm，FD邊長為1300mm，CD及FG邊長為250mm。E為DF的中點，EF為空氣入口，DE為空氣出口。

方案一在空氣入口及出口空間，各設置一道導流板。導流板由一塊直鋼板和一塊1/4圓弧鋼板連接而成。直板高度為250mm，圓弧半徑為100mm。直板所處位置分別為圖中入口和出口的中點。

方案二將兩個導流板連為一體，將空氣通道分割為內風道和外風道，使在入口劃分為兩部分的煙氣量在出口不混合，相對獨立，以降低出口截面處的煙氣流速的偏差。同時將圖中內風道的兩條直邊均向中心移動70mm。

分別對未設導流板的空氣轉向室、方案一及方案二結構進行空氣流場的數值模擬，并對速度分布進行對比，以確定最優方案。

2.1 未設置導流板時空氣轉向室內的空氣流場分析[1]

2.1.1 計算模型的建立

以圖1中去掉導流板的空氣轉向室為對象，建立數值模型。轉向室中的流動為湍流流動，采用標準K-？著雙方程湍流模型模擬空氣流動。

圖2顯示，在空氣轉向室中，空氣偏流比較嚴重。轉向室出口處約1/4的范圍內空氣速度接近于零，該范圍內的預熱器管得不到正常沖刷，因此，空氣和煙氣換熱不均，運行熱風溫度和排煙溫度受到明顯影響。所以，需要在轉向室內設置導流板，通過提高空氣流動的均勻性來提高空氣預熱器整體換熱均勻性，降低空氣阻力，改善流場分布。

2.2 方案一及方案二經流場分析得到的出口速度分布圖（見圖3、圖4）

圖3顯示，方案一導流板將空氣出口分為兩段后，速度分布變為兩段近似二次曲線形狀，負壓區有所減小，但仍然有近1/6的區域存在負壓區，空氣速度接近于零（回流區），而且右側曲線較陡，速度變化過快。可見該方案對流場的改善效果不理想。需要調整導流板的結構，使流型更趨于合理。而方案二的出口速度分布圖顯示，經改進導流板結構，流場分布得到明顯改善，空氣出口平面上的負壓區和回流區可忽略。出口的兩段空氣速度變化曲線按較完整的二次曲線分布。

2.3方案確定

文獻[2]以二次曲線模擬橫掠管束的入口速度分布來進行管箱內的流場分析。根據模擬結果，對于順排管束，約經過5排管子后，主流速度趨于均勻；對于錯排管束，約經過4排管子后，主流速度趨于均勻。參照該分析結果，在橫掠管束的管箱式結構中，管箱入口的流速分布呈二次曲線形狀是比較合理的。因此，方案二模擬得到的出口速度分布，基本可以使對流受熱面的傳熱在整體上趨于均勻。

根據上述各調整方案的模擬結果分析，確定方案二作為結構設計方案。

3 結論

（1）鍋爐對流受熱面的傳熱受到氣體流場分布的影響。如果空氣或煙氣偏流嚴重，會造成較大的傳熱、溫度偏差，使氣體流動阻力增加。因此，結構設計中應關注煙氣及空氣的流場分布情況。

文中導流板設計方案二是在特定產品、特定性能參數下較優的結構方案。在不同產品結構的設計中可根據各自條件下的具體分析結果確定最優設計方案。

（2）流場的數值模擬是分析煙氣偏流的重要方法，可實現多種復雜物理條件下流場的仿真模擬，提供大量豐富的流動分布信息，為工程設計提供可靠、直觀地參考數據。

參考文獻

[1]朱紅鈞，林元華，謝龍漢. Fluent12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]潘維，池作和，斯東坡，等.勻速流體橫掠管束的流場數值分析[J].浙江大學學報，2004，38（8）：1043～1046.

作者簡介：李敏（1973，6-），女，山東泰安，學歷：本科，現職稱：工程師，研究方向：鍋爐設計。