H型翅片管換熱器聲波吹灰性能參數(shù)優(yōu)化分析

曹生現(xiàn)，周家寧，王 恭

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

由鍋爐排煙溫差造成的熱損失已達(dá)電站總輸入熱量的3%～8%，造成巨大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，為降低能耗、提高效率，鍋爐尾部煙氣余熱利用應(yīng)運(yùn)而生［1～3］．但也帶來了新問題，高溫?zé)煔庥龅蜏厥軣崦婺Y(jié)成的積灰，附著在低溫受熱面，嚴(yán)重影響換熱器傳熱性能，導(dǎo)致?lián)Q熱效率低于要求;同時(shí)，長(zhǎng)久沉積還會(huì)導(dǎo)致煙氣流通受阻，增大換熱系統(tǒng)電負(fù)擔(dān)［4～5］．長(zhǎng)此以往，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)垢癱瘓，影響鍋爐正常運(yùn)行．所以，對(duì)積灰的處理勢(shì)在必行．

目前常用的吹灰方式有蒸汽吹灰、燃?xì)饷}沖吹灰［6］和聲波吹灰三種．蒸汽吹灰可布置在鍋爐任何地方，對(duì)黏著性強(qiáng)的積灰效果顯著，但存在死角，由蒸汽消耗帶來的費(fèi)用較高，且設(shè)備故障較頻繁;燃?xì)饷}沖吹灰強(qiáng)度高于蒸汽吹灰，設(shè)備可靠性提高，但由于爆破而瞬間帶來巨大能量，易影響換熱器內(nèi)部正常運(yùn)行，且需定期更換乙炔瓶，過程繁瑣．聲波吹灰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，清灰無死角，運(yùn)行費(fèi)用低，但由于一次投入費(fèi)用高，并未被廣泛接受［7］．

現(xiàn)今聲波清灰技術(shù)在日常用品清潔中得到了廣泛應(yīng)用(如:聲波清洗眼鏡等)，在水泥、冶金、石化、電力等重工業(yè)也有涉及，但并沒有得到重視［8～9］．國外對(duì)待聲波吹灰的重視程度遠(yuǎn)高于國內(nèi)，但多數(shù)電廠及電力研究學(xué)會(huì)對(duì)聲波吹灰的實(shí)用性仍持保留態(tài)度，因?yàn)閷?duì)聲波吹灰在鍋爐應(yīng)用研究和分析中不夠深入，即便是使用聲波吹灰的電廠也多數(shù)缺乏理論的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，嚴(yán)重影響吹灰效果．

針對(duì)上述問題，筆者結(jié)合COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件，以H型翅片管換熱器(如圖1)為原型，固體力學(xué)、流體力學(xué)和壓力聲學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立換熱器的聲波吹灰模型，探究不同工況下污垢在煙氣沖力、附著力、聲場(chǎng)壓力三力作用下的受力，以優(yōu)化吹灰聲波各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而為聲波吹灰技術(shù)在換熱器上的應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1 基本原理

1．1 H型翅片管模型設(shè)計(jì)

建立H型翅片管換熱器模型，為聲波吹灰技術(shù)在換熱器上的應(yīng)用提供更加可靠的理論依據(jù)，建立聲、固、流三場(chǎng)耦合的3D仿真模型，如圖2所示．針對(duì)三場(chǎng)之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，提出以下合理假設(shè):

(1)不考慮換熱器中溫度場(chǎng)的變化和熱交換作用，即各處溫度分布均勻;

(2)模型中應(yīng)力應(yīng)變滿足動(dòng)力學(xué)平衡方程與幾何方程，模型中所有聲場(chǎng)均為點(diǎn)聲源;

(3)假設(shè)固體模型固定點(diǎn)為最外側(cè)管道，管道為剛性固體，中段無固定點(diǎn);

(4)管道外煙氣流體以游離態(tài)存在，不存在粘滯性，聲波在其中不存在能量的損耗;沒有非線性波形畸變導(dǎo)致的非線性系統(tǒng)產(chǎn)生［10］，滿足理想流體中運(yùn)動(dòng)方程、質(zhì)量守恒方程與物態(tài)方程．

圖1 H型翅片管片段實(shí)物圖

圖2 H型翅片管模型

1．2 聲波吹灰基本原理

聲波清灰技術(shù)實(shí)際就是氣－聲的轉(zhuǎn)換過程，也就是機(jī)械能到聲能的轉(zhuǎn)換過程［11］．聲波吹灰器轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生低頻脈沖能量，煙道中的低頻脈沖能量對(duì)煙道內(nèi)的管道和污垢產(chǎn)生力的作用從而產(chǎn)生震蕩和位移，使灰渣和污垢與管道的黏合力減弱進(jìn)而脫離管道壁懸浮在煙道內(nèi)，再跟隨煙氣的流動(dòng)排出管道，以此完成換熱器管道的防除垢．

1．3 聲－固耦合控制模型

使用聲－固耦合解決問題時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)幾何的變形．當(dāng)聲波作用到彈性體上，會(huì)對(duì)彈性體產(chǎn)生一個(gè)力，在這個(gè)力的作用下會(huì)使彈性體變形，并且變形后的彈性體還會(huì)對(duì)聲波的反射和散射產(chǎn)生顯著影響，這就是經(jīng)典的幾何非線性變形．當(dāng)換熱器管道表面受到某一方向傳播過來的聲波作用時(shí)，會(huì)在管道表面施加載荷，從而使管道表面產(chǎn)生應(yīng)變．因?yàn)槁暡ㄔ趥鞑サ倪^程中是波動(dòng)的，所以在管道表面施加載荷是變化的，對(duì)管道表面的作用力也是變化的，即換熱管道的應(yīng)變也是變化的，因此形成了一種振動(dòng)的現(xiàn)象，換熱器管道的形變和振動(dòng)都會(huì)對(duì)聲場(chǎng)散射分布形成明顯的影響［12～14］．

眾所周知，偏微分方程描述的是某一類問題的共同規(guī)律，因此一般都有無窮多個(gè)解，但是具體的物理問題卻只是其中的一個(gè)唯一解或特定個(gè)解．

(1)初始條件

初始條件定義了偏微分方程的初始狀態(tài)．此時(shí)有:

式中:p為彈性體應(yīng)力．

(2)邊界條件

固體力學(xué)區(qū)域的鋼管單元為線彈性材料，由于實(shí)際過程中空氣是流動(dòng)的，流體場(chǎng)與固體場(chǎng)之間存在著相互摩擦和熱量傳遞，因此在流體和鋼管之間定義了聲－固耦合邊界，使之流體邊界聲壓P等于固體內(nèi)垂直應(yīng)力F，即

式中:n為邊界的法向矢量;ρ為彈性體密度;!為拉普拉斯算子;qd為單級(jí)源;utt為流固耦合邊界加速度;FA為邊界垂直應(yīng)力，Pa;P為邊界聲壓．

1．4 聲 －流耦合控制模型

假設(shè)聲波傳播的過程中，流體中不發(fā)生熱量的傳遞，即沒有熱交換產(chǎn)生且不考慮流體的粘滯性、附著力，即沒有能量損耗產(chǎn)生，流體場(chǎng)對(duì)固體場(chǎng)的作用可以簡(jiǎn)化為三個(gè)基本方程:運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)性方程和物態(tài)方程．

(1)運(yùn)動(dòng)方程

運(yùn)動(dòng)方程是指在聲波的作用下，流體產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，包括加速度和位移．單位體積內(nèi)流體的質(zhì)量為ρSdx，它在力F的作用下可以得到在一維方向上的加速度，根據(jù)牛頓第二定律，可得:

簡(jiǎn)化后可得:

式中:ρ為流體密度;S為垂直于管道流向的截面面積;x為流體位移;ν為流體流動(dòng)速度;p為聲壓．

(2)連續(xù)性方程

連續(xù)性方程也叫質(zhì)量守恒定律，是指流體中單位之間內(nèi)流入單位體積的質(zhì)量減去流出單位體積的質(zhì)量等于單位體積內(nèi)質(zhì)量的變化量，可得:

簡(jiǎn)化后可得:

(3)物態(tài)方程

理想流體中有聲擾動(dòng)時(shí)的物態(tài)方程，是指聲場(chǎng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)的變化量與密度ρ的變化關(guān)系．

式中:下標(biāo)“s”代表擾動(dòng)過程為絕熱過程，即不考慮熱交換;c2為引入的系數(shù)符號(hào)，代表了聲傳播的速度，Ks為絕熱體積彈性系數(shù)．

2 仿真結(jié)果及分析

2．1 三場(chǎng)耦合3D模型的建立

結(jié)合COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)有限元仿真軟件，根據(jù)假設(shè)條件建立三維換熱器聲波吹灰模型，如圖3所示．

圖3 三維H型翅片管換熱器聲波吹灰模型

其中，H型翅片管道材料為鋼材，厚度d=3 mm，鰭片個(gè)數(shù)N=12，鰭片高度h=100 mm，鰭片寬度l=100 mm，鰭片間距s=20 mm，光管內(nèi)徑r=34 mm，表面光滑;煙氣流速為14．87 m/s;聲源為點(diǎn)聲源，工作頻率在20 Hz～300 Hz范圍內(nèi)．

此外，為了使聲波不發(fā)生反射和折射，加入完美匹配層吸收聲波;為了考慮到管道對(duì)煙氣流體的影響，建立勢(shì)流模型．

2．2 聲固耦合下管道的受力分析

為了清楚分析聲場(chǎng)對(duì)管道的作用，先不考慮煙氣對(duì)管道受力的影響，即先使煙氣流速為零，此時(shí)管道壓力基本等于聲壓．

(1)不同聲源位置管道受力分析

模型參考坐標(biāo)，如圖4所示．為了探究聲源位置不同時(shí)管道的受力分析，采用控制變量法，在保持聲源頻率 freq=110 Hz不變的前提下，選取了四組不同位置點(diǎn)聲源，分別為(0，－0．1，0)、(0，0，0．1)、(0．1，－0．1，0)、(0，0．1，0)．再分別進(jìn)行求解得到聲壓圖，如圖 5 所示．

點(diǎn)聲源位于(0，－0．1，0)時(shí)，y軸負(fù)方向管道壓力大于 y軸正方向管道壓力;點(diǎn)聲源位于(0，0，0．1)時(shí)，z軸正方向管道壓力大于 z軸負(fù)方向管道壓力;點(diǎn)聲源位于(0．1，－0．1，0)時(shí)，x－y正方向管道壓力大于x－y負(fù)方向管道壓力;點(diǎn)聲源位于(0，0．1，0)時(shí)，y正方向管道壓力大于y負(fù)方向管道壓力．位置相近時(shí)，光管與鰭片交界處壓力大于其它位置;鰭片在靠近聲源側(cè)，有背離聲源運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)．

圖4 H型翅片管換熱器參考坐標(biāo)

圖5 點(diǎn)聲源位于不同位置時(shí)管道壓力分布圖

(2)不同聲源頻率管道受力分析

為了探究聲源頻率不同時(shí)管道的受力分析，采用控制變量法，在保持聲源位置、功率不改變的前提下，選取了四組不同頻率參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為freq1=50 Hz;freq2=150 Hz;freq3=200 Hz;freq4=300 Hz．再分別進(jìn)行求解得到聲壓分布，為方便觀察，統(tǒng)一選取y－z截面進(jìn)行分析，如圖6所示．

圖6 聲源頻率不同時(shí)管道受力分析

由圖6(a)得freq1=50 Hz時(shí)，截面最大壓強(qiáng)約1．4×104Pa;由圖6(b)得freq2=150Hz時(shí)，截面最大壓強(qiáng)約為5×104Pa;由圖6(c)得freq3=200 Hz時(shí)，截面最大壓強(qiáng)約7×104Pa，由圖6(d)得freq4=300 Hz時(shí)，截面最大壓強(qiáng)有略微降低，約為6×104Pa．點(diǎn)聲源頻率小于200 Hz時(shí)，管道截面所受壓強(qiáng)隨頻率升高而變大;當(dāng)點(diǎn)聲源頻率在200 Hz附近時(shí)，管道截面所受壓強(qiáng)達(dá)到最大值;點(diǎn)聲源頻率大于200 Hz時(shí)，管道截面所受壓強(qiáng)隨頻率增大而減?。?/p>

2．3 聲流耦合下的管道受力分析

針對(duì)省煤器部分的實(shí)際情況，加入煙氣流速，進(jìn)行聲場(chǎng)流場(chǎng)的耦合作用下管道壓力分布特性分析．煙氣流向如圖7所示，流動(dòng)速度設(shè)置為v=14．87 m/s．

圖7 煙氣流向圖

(1)不同煙氣流速下的聲壓級(jí)分析

為分析煙氣流速對(duì)聲場(chǎng)及聲壓級(jí)的影響，取以點(diǎn)聲源為中心左右對(duì)稱的兩點(diǎn)(迎風(fēng)面和背風(fēng)面)，首先求解確定不通入煙氣時(shí)兩點(diǎn)聲場(chǎng)強(qiáng)度及聲壓分布完全相同，然后考慮煙氣作用，求解兩點(diǎn)聲壓隨流速變化如圖8所示．

圖8 迎風(fēng)面、背風(fēng)面兩點(diǎn)聲壓級(jí)隨流速的變化

由圖8可知，通入煙氣對(duì)聲壓的分布產(chǎn)生了非常明顯的影響，并且隨著流速的增大，對(duì)聲壓分布的影響也逐漸增大;煙氣通入對(duì)背風(fēng)面聲壓的影響相對(duì)來說較小，對(duì)迎風(fēng)面的影響較大，通入煙氣后迎風(fēng)面聲壓明顯高于背風(fēng)面．

(2)不同積灰位置的聲壓級(jí)分析

為分析聲壓級(jí)隨積灰位置不同的響應(yīng)，控制聲源頻率、位置不變，控制煙氣流速不變，求解沿光管外表面(x軸)的一條直線上所有點(diǎn)在相同工況下的聲壓級(jí)分布，得到結(jié)果如圖9所示．

圖9 x軸上所有點(diǎn)在相同工況下的聲壓級(jí)分布

由圖 9 可知，當(dāng) x=－0．03、－0．01、0．01、0．03 即遇到鰭片時(shí)，聲壓級(jí)發(fā)生躍變，鰭片阻礙了聲波的傳遞，削弱了聲壓級(jí)的分布趨勢(shì)，點(diǎn)聲源應(yīng)盡量垂直于管道設(shè)置，盡量避免鰭片的削弱．

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)驗(yàn)證，仿真模型求解與實(shí)際相吻合，該模型可為聲波吹灰技術(shù)在換熱器中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo);

(2)點(diǎn)聲源頻率小于200 Hz時(shí)，管道截面所受壓強(qiáng)隨頻率升高而變大;當(dāng)點(diǎn)聲源頻率在200 Hz附近時(shí)，管道截面所受壓強(qiáng)達(dá)到最大值;點(diǎn)聲源頻率大于200 Hz時(shí)，管道截面所受壓強(qiáng)隨頻率增大而減小;點(diǎn)聲源頻率在200 Hz左右時(shí)吹灰效果最好;

(3)迎風(fēng)面積灰程度小于背風(fēng)面積灰程度，鰭片會(huì)阻礙聲波傳遞，因此聲波吹灰裝置應(yīng)布置于靠近背風(fēng)面且盡量垂直于管道的位置;

(4)采用聲波吹灰技術(shù)對(duì)換熱器進(jìn)行吹灰處理時(shí)，不同于蒸汽吹灰，應(yīng)采用連續(xù)、或短間隔吹灰方式，才可以有效的防垢除垢．

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