基于流场数值模拟的空气预热器转向室导流板设计

基于流场数值模拟的空气预热器转向室导流板设计
锅炉尾部管箱式空气预热器的空气转向室内，由惯性和离心力引起的空气偏流会带来预热器受热面的传热和温度偏差及流动阻力的增加。

一般采用空气导流板改善流场分布，减小流动偏差。

文章以一台75t/h循环流化床锅炉的二次风空气预热器为例，结合流场数值分析确定合理的导流板设计方案，以达到改善空气流场分布的目的。

标签：导流板；流场；数值模拟；偏流；传热和温度偏差；阻力
1 前言
空气预热器是锅炉尾部烟道中的烟气通过内部的传热部件将进入锅炉前的空气加热到一定温度的受热面。

作用有两个方面，一是提高炉膛燃烧温度，强化燃烧；二是降低排烟温度，提高锅炉热效率，降低锅炉能耗。

管箱式空气预热器是常见的空气预热器型式之一。

烟气在管内纵向冲刷，空气在管外横向冲刷。

空气流经一回程后，在空气转向室内转弯180°，再反向流过二回程，整个空气流程呈横置的“U”形。

空气吸收烟气热量，温度提高后，进入燃烧空间提供燃烧所需氧气。

烟气放出热量，温度降低后排出炉外。

在空气转向室内，由于惯性和离心力的作用，空气流动出现明显的流速偏差。

靠近转向室出口上部的速度较高，靠近下部的速度较低。

偏流现象会影响空气和烟气的正常换热，烟气和空气的实际出口温度与设计值出现偏差。

同时，空气流动阻力也相应提高。

为了改善速度分布，一般采用在转向室内设置空气导流板的办法。

设计良好的导流板可以优化空气流型，降低速度偏差和系统阻力，提高空气预热器管整体换热均匀性。

采用流场的数值模拟可为导流板的优化设计提供有效的参考数据。

本文以一台75t/h循环流化床锅炉的二次风空气预热器为例，利用空气流场的数值模拟，确定合理的空气导流板结构。

2 导流板设计
不同的导流板结构型式会产生不同的速度和压力场分布。

设计了两种类型的空气导流板方案，如图1所示。

图中所示的空气转向室中，AB边长为1000mm，FD边长为1300mm，CD 及FG边长为250mm。

E为DF的中点，EF为空气入口，DE为空气出口。

方案一在空气入口及出口空间，各设置一道导流板。

导流板由一块直钢板和一块1/4圆弧钢板连接而成。

直板高度为250mm，圆弧半径为100mm。

直板所
处位置分别为图中入口和出口的中点。

方案二将两个导流板连为一体，将空气通道分割为内风道和外风道，使在入口划分为两部分的烟气量在出口不混合，相对独立，以降低出口截面处的烟气流速的偏差。

同时将图中内风道的两条直边均向中心移动70mm。

分别对未设导流板的空气转向室、方案一及方案二结构进行空气流场的数值模拟，并对速度分布进行对比，以确定最优方案。

2.1 未设置导流板时空气转向室内的空气流场分析[1]
2.1.1 计算模型的建立
以图1中去掉导流板的空气转向室为对象，建立数值模型。

转向室中的流动为湍流流动，采用标准K-？着双方程湍流模型模拟空气流动。

图2显示，在空气转向室中，空气偏流比较严重。

转向室出口处约1/4的范围内空气速度接近于零，该范围内的预热器管得不到正常冲刷，因此，空气和烟气换热不均，运行热风温度和排烟温度受到明显影响。

所以，需要在转向室内设置导流板，通过提高空气流动的均匀性来提高空气预热器整体换热均匀性，降低空气阻力，改善流场分布。

2.2 方案一及方案二经流场分析得到的出口速度分布图（见图3、图4）
图3显示，方案一导流板将空气出口分为两段后，速度分布变为两段近似二次曲线形状，负压区有所减小，但仍然有近1/6的区域存在负压区，空气速度接近于零（回流区），而且右侧曲线较陡，速度变化过快。

可见该方案对流场的改善效果不理想。

需要调整导流板的结构，使流型更趋于合理。

而方案二的出口速度分布图显示，经改进导流板结构，流场分布得到明显改善，空气出口平面上的负压区和回流区可忽略。

出口的两段空气速度变化曲线按较完整的二次曲线分布。

2.3方案确定
文献[2]以二次曲线模拟横掠管束的入口速度分布来进行管箱内的流场分析。

根据模拟结果，对于顺排管束，约经过5排管子后，主流速度趋于均匀；对于错排管束，约经过4排管子后，主流速度趋于均匀。

参照该分析结果，在横掠管束的管箱式结构中，管箱入口的流速分布呈二次曲线形状是比较合理的。

因此，方案二模拟得到的出口速度分布，基本可以使对流受热面的传热在整体上趋于均匀。

根据上述各调整方案的模拟结果分析，确定方案二作为结构设计方案。

3 结论
（1）锅炉对流受热面的传热受到气体流场分布的影响。

如果空气或烟气偏流严重，会造成较大的传热、温度偏差，使气体流动阻力增加。

因此，结构设计中应关注烟气及空气的流场分布情况。

文中导流板设计方案二是在特定产品、特定性能参数下较优的结构方案。

在不同产品结构的设计中可根据各自条件下的具体分析结果确定最优设计方案。

（2）流场的数值模拟是分析烟气偏流的重要方法，可实现多种复杂物理条件下流场的仿真模拟，提供大量丰富的流动分布信息，为工程设计提供可靠、直观地参考数据。

参考文献
[1]朱红钧，林元华，谢龙汉. Fluent12流体分析及工程仿真[M].北京：清华大学出版社，2011.
[2]潘维，池作和，斯东坡，等.匀速流体横掠管束的流场数值分析[J].浙江大学学报，2004，38（8）：1043～1046.
作者简介：李敏（1973，6-），女，山东泰安，学历：本科，现职称：工程师，研究方向：锅炉设计。