回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器漏風(fēng)問題及其預(yù)防控制措施研究

袁龍杰

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器（以下簡稱回轉(zhuǎn)式空預(yù)器）作為常見的空氣處理設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具備結(jié)構(gòu)簡單、能耗低等優(yōu)良特性。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，該設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，給生產(chǎn)帶來安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此，深入研究回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的漏風(fēng)問題，并提出相應(yīng)的控制策略，具有顯著價(jià)值。

1 回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)器作為工業(yè)生產(chǎn)中的氣體傳輸裝置，通過轉(zhuǎn)子、進(jìn)氣口等結(jié)構(gòu)的特定組合，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的氣流傳輸。轉(zhuǎn)子通常由多葉片組成，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。進(jìn)入進(jìn)氣口的氣體經(jīng)葉片加速旋轉(zhuǎn)，在出氣口處得到穩(wěn)定、均勻的氣流輸出。在其工作過程中，氣體進(jìn)入進(jìn)氣口后在離心力作用下逐漸向外發(fā)散，形成強(qiáng)大離心力場[1]。當(dāng)氣流達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，離心力能克服氣流黏滯與慣性阻力，使氣流在出氣口處呈現(xiàn)穩(wěn)定流態(tài)，實(shí)現(xiàn)氣體的高效傳輸，如圖1 所示。圖1 中，?pa、?pg分別為空氣側(cè)和煙氣側(cè)的壓降，pao、pgo分別為空氣側(cè)和煙氣側(cè)的出口壓力，pai、pgi分別為空氣側(cè)和煙氣側(cè)的進(jìn)口壓力，?pB為鍋爐處的壓降。

根據(jù)圖1 的工作原理，可得到回轉(zhuǎn)式空預(yù)器中傳遞熱量的計(jì)算公式，即為

式中：Q為傳遞的熱量，W；U為總傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1；A為傳熱面積，m2；?T為兩側(cè)流體之間的平均溫差，K。

從應(yīng)用層面來說，回轉(zhuǎn)式空預(yù)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳輸效率高等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于化工、制藥等需要空氣進(jìn)行對(duì)流的領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)不同氣體的傳輸要求，來優(yōu)化空預(yù)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保應(yīng)用效果最佳。

2 回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)原因

2.1 葉片設(shè)計(jì)不合理

葉片形狀與漏風(fēng)問題有著直接關(guān)系。例如，葉片的不規(guī)則表面會(huì)導(dǎo)致氣流在葉片表面產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，從而造成氣流泄漏。葉片幾何形狀設(shè)計(jì)需考慮氣流流動(dòng)特性，以確保氣流順利通過葉片并轉(zhuǎn)化為所需的高壓氣流[2]。此外，若葉片角度設(shè)置不當(dāng)會(huì)阻礙氣流在進(jìn)出口間有效轉(zhuǎn)換，從而引發(fā)漏風(fēng)問題。合理的葉片角度能夠使氣流得到充分加速與轉(zhuǎn)向，從而最大限度改善空氣增壓效果，減少漏風(fēng)的可能性。

2.2 制造不精確

在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器制造過程中涉及多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，若制造不精確，會(huì)導(dǎo)致葉片間或葉片與機(jī)身之間存在縫隙，從而引發(fā)漏風(fēng)問題。一方面，焊接不精確或焊接接頭質(zhì)量不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致葉片與機(jī)身之間存在間隙，從而使氣流在進(jìn)出口間泄漏，降低空氣增壓效果。另一方面，鉚接不嚴(yán)密或鉚釘質(zhì)量不合格會(huì)使葉片間或葉片與機(jī)身之間存在間隙，導(dǎo)致氣流泄漏，加劇漏風(fēng)問題[3]。此外，涂層存在缺陷會(huì)導(dǎo)致葉片表面不光滑，進(jìn)而影響氣流流動(dòng)，增加漏風(fēng)概率。

2.3 氣流失速

氣流失速問題指在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器中，氣流通過葉片時(shí)形成渦流。如果氣流速度超出正常范圍，會(huì)導(dǎo)致葉片上產(chǎn)生渦流失速，從而影響回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的工作效率，并引發(fā)漏風(fēng)問題。渦流失速產(chǎn)生的原因主要有2 個(gè)方面：一是當(dāng)氣流速度過慢時(shí)，渦流旋轉(zhuǎn)速度過低，導(dǎo)致渦流無法吸附周圍氣體，從而使增壓效率降低；二是當(dāng)氣流速度過快時(shí)，渦流旋轉(zhuǎn)速度過高，導(dǎo)致氣流與葉片表面之間出現(xiàn)分離現(xiàn)象，從而使渦流失速。這些現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致氣流在進(jìn)出口間泄漏，進(jìn)而降低回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的工作效率，引發(fā)漏風(fēng)問題。

3 漏風(fēng)問題預(yù)防控制措施及解決方案

3.1 漏風(fēng)問題預(yù)防控制方法

3.1.1 優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)

優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)是預(yù)防渦流失速的重要措施之一，通過優(yōu)化葉片形狀、數(shù)量等，可以有效降低漏風(fēng)問題的發(fā)生概率，進(jìn)而提高空預(yù)器的工作效率。首先，合理的葉片形狀能夠使氣流流經(jīng)葉片時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，增強(qiáng)渦流吸附能力。通常情況下，葉片曲率應(yīng)使氣流順利通過葉片[4]，同時(shí)產(chǎn)生足夠的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。其次，葉片表面應(yīng)光滑，以減少氣流與葉片間摩擦阻力。再次，葉片角度決定著氣流通過葉片時(shí)的流向與速度。通過調(diào)整葉片角度，使氣流在葉片上產(chǎn)生適當(dāng)旋轉(zhuǎn)，最大限度提高渦流吸附效果。葉片旋轉(zhuǎn)角度與特定位置的壓強(qiáng)如圖2 所示。同時(shí)，葉片角度應(yīng)考慮葉片間的相互作用，避免渦流互相干擾。最后，葉片數(shù)量會(huì)影響氣流經(jīng)葉片時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度與吸附能力。具體而言，葉片數(shù)量越多，渦流旋轉(zhuǎn)速度越快，吸附效果也相應(yīng)增強(qiáng)。但是，葉片數(shù)量過多可能會(huì)增加空氣阻力，從而降低整體工作效率。因此，在設(shè)計(jì)中需綜合考慮葉片數(shù)量與渦流效應(yīng)之間的關(guān)系。

圖2 葉片旋轉(zhuǎn)角度與特定位置的壓強(qiáng)演示圖

3.1.2 提高制造精度

為預(yù)防漏風(fēng)問題、提高工作效率，除優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)外，還需采用先進(jìn)制造技術(shù)以提高制造精度。在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的制造過程中，受到材料、工藝等多種因素的影響，極易出現(xiàn)制造誤差。這些制造誤差會(huì)直接導(dǎo)致渦流形成，影響空氣吸附能力。針對(duì)上述情況，采用先進(jìn)制造技術(shù)，如數(shù)控加工、激光切割等，實(shí)現(xiàn)葉片的高精度加工和裝配，提高制造精度，從而最大限度消除漏風(fēng)問題。采用高強(qiáng)度材料可以有效抵抗葉片疲勞損傷，同時(shí)需注意匹配材料熱膨脹系數(shù)，避免其在高溫環(huán)境下產(chǎn)生變形等問題。

3.1.3 安裝密封件

在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器工作過程中，葉片與機(jī)身之間存在縫隙會(huì)產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致能量損失與效率降低。為進(jìn)一步提高回轉(zhuǎn)式空預(yù)器工作效率，降低漏風(fēng)問題發(fā)生率，還需在葉片間和葉片與機(jī)身之間安裝密封件，以避免漏風(fēng)問題[5]。密封件應(yīng)具有良好的耐高溫、耐腐蝕等性能，且能夠適應(yīng)不同的氣流流速。在設(shè)計(jì)時(shí)，還需綜合考慮葉片與機(jī)身間的間隙大小、形狀等因素，以確保密封件與葉片機(jī)身緊密貼合。此外，需合理選擇密封件的安裝方法，在施工過程注意安裝位置，以防止安裝不當(dāng)影響密封效果。

3.1.4 調(diào)整氣流速度

為減少回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的漏風(fēng)問題，通過調(diào)整進(jìn)氣道的長度與形狀，使流速達(dá)到最佳狀態(tài)，從而提高回轉(zhuǎn)式空預(yù)器工作效率。較長的進(jìn)氣道可增加氣流流經(jīng)路徑，延緩氣流速度下降過程，從而提高渦流形成的概率。而較短的進(jìn)氣道則能使氣流更快進(jìn)入空預(yù)器，加快進(jìn)氣速度。因此，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來調(diào)整進(jìn)氣道長度，以控制氣流進(jìn)入回轉(zhuǎn)式空預(yù)器時(shí)的速度，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。進(jìn)氣道形狀也會(huì)對(duì)氣流速度產(chǎn)生相應(yīng)影響。例如，采用直徑逐漸減小的錐形進(jìn)氣道能加速氣流，而采用直徑逐漸增加的錐形進(jìn)氣道能夠減慢氣流速度，增加氣流壓力。在設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際要求選擇合適的進(jìn)氣道形狀，來調(diào)整氣流速度。進(jìn)氣道表面光滑能夠減小氣流阻力，加快氣流速度，故而在制造與安裝過程中，應(yīng)確保進(jìn)氣道內(nèi)部光潔平整，避免因表面不平整影響氣流流動(dòng)性能。

3.2 漏風(fēng)問題解決方案

3.2.1 仿真模擬回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的工作過程

為了更好地了解回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)問題的產(chǎn)生規(guī)律，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)仿真工作過程，模擬回轉(zhuǎn)式空預(yù)器在不同工況下的氣流流動(dòng)情況。模擬過程可分為以下3 個(gè)步驟。首先，分析回轉(zhuǎn)式空預(yù)器內(nèi)部的氣流場，建立合理的數(shù)學(xué)模型與流體力學(xué)方程，輸入工況參數(shù)，進(jìn)行具體數(shù)值模擬，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)，如氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、壓力分布等進(jìn)行模擬計(jì)算，識(shí)別引起漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生的具體參數(shù)，進(jìn)一步掌握漏風(fēng)問題產(chǎn)生的原因。其次，在仿真模型中調(diào)整進(jìn)氣流量、葉片輪轂間隙等參數(shù)，評(píng)估其對(duì)漏風(fēng)問題的影響程度。通過分析不同參數(shù)取值下的模擬結(jié)果，找到最佳參數(shù)組合并進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而降低漏風(fēng)問題的發(fā)生概率。最后，對(duì)多樣化工況下的氣流特性進(jìn)行仿真并對(duì)比分析仿真結(jié)果，全面掌握漏風(fēng)問題的變化趨勢，為進(jìn)一步改進(jìn)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器提供可靠依據(jù)。

3.2.2 在葉片表面涂覆特殊涂層

為降低空預(yù)器漏風(fēng)問題的發(fā)生率，在葉片表面涂覆特殊涂層，以改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能。在回轉(zhuǎn)式空預(yù)器葉片表面涂覆特殊涂層，可增加葉片表面的摩擦阻力，使氣流在葉片表面的繞流速度降低，進(jìn)而降低漏風(fēng)的可能性[6]。同時(shí)，改變?nèi)~片表面的粗糙度，能使氣流平滑流經(jīng)葉片表面，抑制在氣體作用下生成的渦流。特殊涂層應(yīng)具備良好的耐用性，使葉片在長時(shí)間運(yùn)行中保持性能穩(wěn)定。此外，要注意涂層與葉片材料、制造工藝之間的兼容性，確保涂層不會(huì)對(duì)葉片的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的工作狀態(tài)

為提高回轉(zhuǎn)式空預(yù)器綜合性能和工作效率，可結(jié)合智能控制技術(shù)，對(duì)空預(yù)器進(jìn)行自動(dòng)化管理與實(shí)時(shí)調(diào)整。在空預(yù)器中安裝集成傳感器、監(jiān)測設(shè)備等，能夠?qū)崟r(shí)獲取關(guān)鍵參數(shù)與狀態(tài)信息，將這些數(shù)據(jù)上傳至智能控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)空預(yù)器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，分析關(guān)鍵數(shù)據(jù)，及時(shí)識(shí)別異常情況，并根據(jù)異常情況做出預(yù)案。智能控制系統(tǒng)的預(yù)設(shè)算法，能夠?qū)崟r(shí)提供最佳控制策略，提前采取修復(fù)措施，維持空預(yù)器的正常運(yùn)行。例如，根據(jù)氣流速度與溫度變化調(diào)整葉片的角動(dòng)量，最大限度優(yōu)化空氣流動(dòng)效果。此外，智能控制系統(tǒng)還能根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境情況，自動(dòng)調(diào)整空預(yù)器的運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)能耗優(yōu)化。

4 結(jié)語

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器漏風(fēng)問題是一個(gè)復(fù)雜且多方面的挑戰(zhàn)，通過深入研究和采用有效的預(yù)防控制方法，可以最大限度減少該問題的影響，提高系統(tǒng)性能和能源利用效率。本研究將有助于工程師和研究人員更好地理解和應(yīng)對(duì)空預(yù)器漏風(fēng)問題，為空預(yù)器漏風(fēng)的空氣動(dòng)力學(xué)研究和應(yīng)用提供參考。未來的研究應(yīng)繼續(xù)關(guān)注漏風(fēng)問題的機(jī)理和解決方案，以推動(dòng)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)減少資源浪費(fèi)和環(huán)境影響。