微型燃机提升热效率的“利器”——回热器
微型燃气轮机具有其体积小、污染低、维护性低、可靠性高、使用天然燃料等优点，而回热器是微型燃气轮机机组提高微型燃气轮机机组效率的重要部分。传热和压降特性是设计高效回热器的重要因素。回热器通过传递废气中的热量来预热压缩空气，从而降低燃料消耗，将微型燃气轮机机组的热效率从16-20%提高到30%。PSR（一次表面回热器）优化设计的基本原则是重量轻、压力损失小、废气与压缩空气之间高传热率。
微型燃气轮机采用许多类型的回热器，如环形CWPS回热器、渐开线型元件回热器等。本文对多种微型燃机回热器进行简单综述。
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微型燃机回热器的基本类型
多年来，燃气轮机已广泛应用于发电领域、机械机组和飞机推进领域，回热器在系统的热效率方面一直发挥着重要的作用。在燃机机组中使用的初始交换器，包括回热器，基本上是基于锅炉技术设计的，但由于这些换热器体积大、可靠性差、成本高，其适用性受到限制。现在，微型燃气轮机增加了许多类型的回热器，传热表面一般均采用紧凑型传热表面。而依据回热器采用的传热表面，除了前文提到的PSR之外，微型燃机运用较为广泛的还有板翅形回热器。
板翅形回热器
板翅形回热器是用一次传热表面的板作隔板，另以二次传热表面的弓形或齿形翅片与板形成流道的回热器。它由隔板、翅片和封条三种元件组成，一般燃气流道与空气流道相间积叠成单元体，燃气的热量通过隔板和翅片传给空气，通常将翅片用铜焊接在金属片上以保证良好的传热性。
板翅式的优点是传热系数高，结构紧凑，单位体积传热面积大，可达1500～2500m2/m3；重量轻、强度高、工作温度和压力范围大，特别适合高压循环。其缺点是结构较复杂，要求加工工艺和单元体组焊技术高，流道小、压损较大。但近年来由于设计和工艺水平的不断提高，它的应用最为广泛，国内也已基本具备了研制条件。
图1 部分板翅式表面的几何形状
一次表面回热器（PSR）
一次表面回热器是当今世界一种小尺寸、轻质量、高集成的先进热交换设备，紧凑、轻重、高效的特点使其非常适用于车辆、舰艇及各种小型燃气轮机装置。一次表面式回热器是一种板式结构，冲压一次成型，避免了板翅式表面中的二次表面，主表面具有不同类型的通道波纹，如椭圆波纹、正弦波纹、抛物线波纹和矩形波纹，这些根据微型燃气轮机机组要求使用。按照冲压成型后的表面型式，进一步又可以分为型CC型(Cross Corrugated)、CU型(Corrugated Undulated)和CW型(Cross Wave)等形式，如图2。
它除了具有传统板翅式换热器所具有的紧凑、高效等特点外，它还满足低成本、能进行大量生产的要求。这种回热器的设计思想是在一卷金属薄板材上压制出呈一定角度的波状起伏的表面，并在薄板的两边分别焊接上封条。然后把带封条的薄板反复折叠，这样就形成金属薄板格开的两种流道。封条的厚度刚好使得折叠后在两边形成一面金属墙。
由于一次表面回热器的全部传热表面是一次表面，能以百分之百效率传热，还可以节省金属，实现制造较轻的回热器。以上种种好处使得回热器制造成本大大降低，以至于其只有所需金属材料成本的1.5倍。
自20世纪70年代开始，Caterpillar Tracto r Co.公司开发了一次表面回热器。霍尼韦尔公司开发了一种主表面反流回热器，如图3(a)，(b)和(c)所示。在回热器中，用于主传热区域的CC板被焊接在外围。它有两个包裹着的平板。它被设计为一个瑞士卷的样子，燃烧器被包裹在回热器内，用于主传热区域的CC板被焊接在外围。随着回收循环的应用，微型燃机的热效率提高，油耗率降低。
另一种回热器是环形渐开线型横波一次表面（CWPS）回热器。环形CWPS回热器可环绕地安装在微型燃气轮机的燃烧室周围。这是与长方体形状的CWPS回热器相比，更紧凑的优点。此外，设计了具有渐开线轮廓的换热元件（称为空气单元），可以充分利用该空间进行更大的传热面积。
传热与压降
一次表面回热器的热分析依据是小通道内气体流动和换热的特性，其热效率计算如下，
其中Tair in、Tair out和Tgas in分别为回热器进气、出口空气和进气废气的温度。
总相对压降为
其中，∆Pair和∆Pgas分别为空气侧和废气侧的压力下降，Pair和Pgas分别为对应的入口压力。
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设计和优化方法
微型燃机回热器设计的主要目标是确定回热器的几何形状，以确定传热效率、压降、紧凑的回热器尺寸、低成本要求和更高的效率之间的协调。
对于回热器传热性能的研究，国外学者主要采用实验研究和数值模拟研究的方法，如采用最优理论对PSR进行优化设计分析，以确定PSR的最优结构和流量参数，从而使PSR的结构、流量和传热组合性能达到最佳效果。PSR优化设计的基本目标是重量轻，压损低，传热系数高。
CFD方法被应用于预测各种主表面型回热器的换热性能和压损。比如，使用STAR-CD，通用CFD软件对 上述Swiss-roll回热器的设计进行建模和分析质量、动量和能量守恒用SIMPLE算法求解。Swiss-roll燃烧器或热量循环燃烧器被用作热电系统的加热器。该回热器的分析由CFD完成 模型。
再比如通过CFD方法估计在层流条件下，适用于CU型结构的热力性能利水力性能。结果表明：CU型结构要比简单的直管型结构的性能好，而且CU型回热器的性能与结构的几何参数，比如波纹和扰动方向之间的夹角以及波纹的内部高度等，都有很大的关系。
文章来源：燃气轮机聚焦
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