1、概述

　　目前各类工业炉普遍采用空气预热器来回收烟气中的余热, 以达到提高加热炉热效率, 节省燃料的目的。空气预热器的种类很多, 回收中、低温烟气时广泛应用的主要有三种: 一种是传统的光管管束式, 以光管作为传热元件。另一种是强化管式, 在光管的基础上, 采取各种强化措施, 提高传热效果。如管外加翅片, 管内加扰流元件的扰流子式空气预热器。还有一种是热管式, 借助中间工质的蒸发和冷凝将传统内、外表面间的传热转化为两管端外表面的传热, 使冷热两端皆可采用加装翅片的方法加以强化。这三种空气预热器都属于管式空气预热器, 在结构及使用上或多或少存在一些局限或不足。如管束式结构庞大, 换热效率低; 热管式易失效, 易积灰等等。

2、原理及传热特性

　　板式空气预热器由许多相互平行的板单元组成, 烟气与空气在板间交错流动换热, 板单元可以是平板, 也可以是冲压成各种形状的波纹板。板材质可根据烟气温度及烟气腐蚀状况进行选择。

　　2.1　板间强化扰流对传热的影响

　　由于是以钢板作为传热元件, 因此可以很方便地对烟气侧和空气侧的膜传热系数进行强化, 避免了管式空气预热器管内侧膜传热系数难以强化的弊端, 也不像热管空气预热器那样需要借助中间工质才能传递热量。通常波纹板之间的波纹或平板之间的加强筋都具有加固板面及强化传热的双重作用。这种带波纹板和翅片的板式空气预热器也可称为板翅式空气预热器。在板间波纹或加强筋的扰动作用下, 气流在低流速下即达到湍流, 由于流体在板间流动的湍动程度高, 故传热系数较大。特别是其传热面全部与烟气流向平行, 若流速设计合理, 则积灰现象较轻, 结垢热阻对总传热系数的影响也较小。
　　 
　　2.2　板间距对传热的影响

　　工业炉的烟气量大于空气量, 烟气温度大于空气温度, 板式空气预热器可采用不同的烟气及空气侧板间距方便地调节两侧的传热膜系数A, 使总传热系数K 达到最优化。在这方面,板式空气预热器比管式空气预热器灵活得多。

　　我们知道, 对管束式空气预热器, 在流速及其它条件相同的情况下, 随着管径d 的减小, 传热膜系数α略有上升, α与α– 0.2成正比。但由于结构限制, 管束式空气预热器不可能取很小的管径。可是对板式空气预热器来说, 由于板间距可以任意确定, 所以在完全不扰动的情况下,流速与管束式空气预热器相同时,板式空气预热器也可因板间距相对较小而获得略高的传热系数。

3、阻力特性

　　板式空气预热器中气流在两板之间流动,具有几乎畅通无阻的气体流动通道, 所以其气体侧压降较其它类型的空气预热器要小得多。　　

    管束式空气预热器中的管内侧气体在流经管子进口截面时急剧收缩，在流经管子出口截面时突然扩大, 因此造成了大量的局部阻力损失, 这部分局部阻力损失在预热器的全部阻力损失中占了相当一部分。而板式空气预热器气流流动截面仅为进出口截面的一半, 截面变化率不大; 传热板片也与管子不同, 每片板片的进出口可很方便地作成流线状态, 因此截面收缩与扩大造成的局部阻力损失基本上不存在。气流掠过管束式空气预热器的管子外表面时, 在管子的后部形成边界层脱体,流体在逆压强梯度的推动下倒流, 在管子的后部产生大量旋涡, 造成机械能损耗, 表现为管子外侧气流的压降损失。板式空气预热器由于是直板通道, 不存在这种边界层脱体现象, 阻力损失也就相对较小。

　　由于上述两类阻力损失均很小, 因此板式空气预热器气体流动压降主要消耗在沿程阻力损失上。一般来说, 板式空气预热器的阻力只有同样流通长度管束式空气预热器的2/5～3/5, 这点对减少风机动力消耗, 降低操作费用很有好处。

4、结构的高紧凑度　　

    传统的空气预热器几乎都是管式换热器。但是, 在流动面积相等的条件下, 圆形通道表面积最小, 而且由于结构的限制, 管子之间不可能紧密排列, 换热器内的大部分空间都是对换热不起作用的气流通道。故管式换热器的共同缺点是结构不紧凑, 单位换热器容积所提供的传热面小, 金属消耗量大。而板式空气预热器的传热板片可以紧密排列, 具有非常高的紧凑度, 因此同样传热面积的空气预热器采用板式远小于采用管式时的体积。

　　在结构的其它方面, 板式空气预热器也显示出很大的优势。无论是管束式还是热管式空气预热器均需采用管板作为管结构支撑件或结构分隔件, 这些管板大多数为12～ 20mm的钢板, 占了预热器中相当一部分重量, 而板式空气预热器没有这些附属部件, 只需在一组板片的进出口设置连接法兰作为连接件。仅此一项就减少了很多非传热部件的重量。另外, 钢管的壁厚为2～ 4mm , 传热板片的厚度仅为1.2～2mm , 也就是说同样传热面积时仅因壁厚因素, 板式的重量就比管束式减少30%～ 50%。

5、设计中应注意的问题

　　5.1采用模块化单体设计板式空气预热器可以采用整体式, 也可以采用模块化单体组合式。在可能的情况下应首先选用单体组合式, 特别是在一些热负荷比较大的场合, 单体组合式优势非常大。单体组合式的方式是先制造出特定体积的单体预热器,然后根据需要自由组合。这种方法在管式预热器上比较难以作到, 板式空气预热器却很容易实现。它具有以下突出的优点:

　　(1) 易于实现标准化;
　　(2) 可根据传热量自由组合及调节;
　　(3) 制造、运输、安装、检修非常方便;
　　(4) 可部分更换腐蚀的单体。

　　5.2　防止露点腐蚀

　　当空气预热器的排烟温度低于烟气露点时, 会使烟气中的SO3 与水蒸气结合生成硫酸凝结在尾部受热面, 造成空气预热器的腐蚀。烟气露点温度与燃料中硫含量及过剩空气系数等因素有关, 一般燃料中硫含量低时不会发生露点腐蚀现象。如果燃料中硫含量较高, 应注意设计的排烟温度尽量高于烟气露点。也可以考虑采用热风部分循环的方法或采用抗硫酸露点腐蚀的钢板作为尾部受热面, 国外也有采用表面搪瓷板作为尾部受热面的。

　　5.3　烟气适应性

　　板式空气预热器特别适于气体燃料和较清洁的液体燃料产生的烟气, 而对一些渣油燃料产生的粘性烟气, 设计时应加以注意。应选择较高的烟气流速和较大的板间距, 积灰严重时可考虑配备水洗设施或其它清灰设备。

6、结论

　　综上所述, 板式空气预热器具有传热系数大、压降小的优点, 结构比所有的管式空气预热器都要紧凑。另外, 工业炉用空气预热器烟气侧及空气侧的压差很小, 平板不耐压的缺点在板式空气预热器中根本不存在。操作条件决定了板式空气预热器采用简单的结构和一般的密封即可达到要求, 因此其造价非常低廉, 单位重量的造价只有热管式的2/3。这些不可比拟的优势, 决定了板式空气预热器在工业炉烟气余热回收中必将有广阔的发展前途。