H型翅片管换热器声波吹灰性能参数优化分析

曹生现，周家宁，王 恭

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

由锅炉排烟温差造成的热损失已达电站总输入热量的3%～8%，造成巨大的资源浪费和经济损失，为降低能耗、提高效率，锅炉尾部烟气余热利用应运而生［1～3］．但也带来了新问题，高温烟气遇低温受热面凝结成的积灰，附着在低温受热面，严重影响换热器传热性能，导致换热效率低于要求;同时，长久沉积还会导致烟气流通受阻，增大换热系统电负担［4～5］．长此以往，会导致整个系统结垢瘫痪，影响锅炉正常运行．所以，对积灰的处理势在必行．

目前常用的吹灰方式有蒸汽吹灰、燃气脉冲吹灰［6］和声波吹灰三种．蒸汽吹灰可布置在锅炉任何地方，对黏着性强的积灰效果显著，但存在死角，由蒸汽消耗带来的费用较高，且设备故障较频繁;燃气脉冲吹灰强度高于蒸汽吹灰，设备可靠性提高，但由于爆破而瞬间带来巨大能量，易影响换热器内部正常运行，且需定期更换乙炔瓶，过程繁琐．声波吹灰结构简单可靠，清灰无死角，运行费用低，但由于一次投入费用高，并未被广泛接受［7］．

现今声波清灰技术在日常用品清洁中得到了广泛应用(如:声波清洗眼镜等)，在水泥、冶金、石化、电力等重工业也有涉及，但并没有得到重视［8～9］．国外对待声波吹灰的重视程度远高于国内，但多数电厂及电力研究学会对声波吹灰的实用性仍持保留态度，因为对声波吹灰在锅炉应用研究和分析中不够深入，即便是使用声波吹灰的电厂也多数缺乏理论的经验性设计，严重影响吹灰效果．

针对上述问题，笔者结合COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，以H型翅片管换热器(如图1)为原型，固体力学、流体力学和压力声学为理论基础，建立换热器的声波吹灰模型，探究不同工况下污垢在烟气冲力、附着力、声场压力三力作用下的受力，以优化吹灰声波各项参数，进而为声波吹灰技术在换热器上的应用提供理论依据．

1 基本原理

1．1 H型翅片管模型设计

建立H型翅片管换热器模型，为声波吹灰技术在换热器上的应用提供更加可靠的理论依据，建立声、固、流三场耦合的3D仿真模型，如图2所示．针对三场之间复杂的相互作用关系，提出以下合理假设:

(1)不考虑换热器中温度场的变化和热交换作用，即各处温度分布均匀;

(2)模型中应力应变满足动力学平衡方程与几何方程，模型中所有声场均为点声源;

(3)假设固体模型固定点为最外侧管道，管道为刚性固体，中段无固定点;

(4)管道外烟气流体以游离态存在，不存在粘滞性，声波在其中不存在能量的损耗;没有非线性波形畸变导致的非线性系统产生［10］，满足理想流体中运动方程、质量守恒方程与物态方程．

图1 H型翅片管片段实物图

图2 H型翅片管模型

1．2 声波吹灰基本原理

声波清灰技术实际就是气－声的转换过程，也就是机械能到声能的转换过程［11］．声波吹灰器转换后产生低频脉冲能量，烟道中的低频脉冲能量对烟道内的管道和污垢产生力的作用从而产生震荡和位移，使灰渣和污垢与管道的黏合力减弱进而脱离管道壁悬浮在烟道内，再跟随烟气的流动排出管道，以此完成换热器管道的防除垢．

1．3 声－固耦合控制模型

使用声－固耦合解决问题时，通常会出现几何的变形．当声波作用到弹性体上，会对弹性体产生一个力，在这个力的作用下会使弹性体变形，并且变形后的弹性体还会对声波的反射和散射产生显著影响，这就是经典的几何非线性变形．当换热器管道表面受到某一方向传播过来的声波作用时，会在管道表面施加载荷，从而使管道表面产生应变．因为声波在传播的过程中是波动的，所以在管道表面施加载荷是变化的，对管道表面的作用力也是变化的，即换热管道的应变也是变化的，因此形成了一种振动的现象，换热器管道的形变和振动都会对声场散射分布形成明显的影响［12～14］．

众所周知，偏微分方程描述的是某一类问题的共同规律，因此一般都有无穷多个解，但是具体的物理问题却只是其中的一个唯一解或特定个解．

(1)初始条件

初始条件定义了偏微分方程的初始状态．此时有:

式中:p为弹性体应力．

(2)边界条件

固体力学区域的钢管单元为线弹性材料，由于实际过程中空气是流动的，流体场与固体场之间存在着相互摩擦和热量传递，因此在流体和钢管之间定义了声－固耦合边界，使之流体边界声压P等于固体内垂直应力F，即

式中:n为边界的法向矢量;ρ为弹性体密度;!为拉普拉斯算子;qd为单级源;utt为流固耦合边界加速度;FA为边界垂直应力，Pa;P为边界声压．

1．4 声 －流耦合控制模型

假设声波传播的过程中，流体中不发生热量的传递，即没有热交换产生且不考虑流体的粘滞性、附着力，即没有能量损耗产生，流体场对固体场的作用可以简化为三个基本方程:运动方程、连续性方程和物态方程．

(1)运动方程

运动方程是指在声波的作用下，流体产生的运动趋势，包括加速度和位移．单位体积内流体的质量为ρSdx，它在力F的作用下可以得到在一维方向上的加速度，根据牛顿第二定律，可得:

简化后可得:

式中:ρ为流体密度;S为垂直于管道流向的截面面积;x为流体位移;ν为流体流动速度;p为声压．

(2)连续性方程

连续性方程也叫质量守恒定律，是指流体中单位之间内流入单位体积的质量减去流出单位体积的质量等于单位体积内质量的变化量，可得:

简化后可得:

(3)物态方程

理想流体中有声扰动时的物态方程，是指声场产生的压强的变化量与密度ρ的变化关系．

式中:下标“s”代表扰动过程为绝热过程，即不考虑热交换;c2为引入的系数符号，代表了声传播的速度，Ks为绝热体积弹性系数．

2 仿真结果及分析

2．1 三场耦合3D模型的建立

结合COMSOL Multiphysics多物理场有限元仿真软件，根据假设条件建立三维换热器声波吹灰模型，如图3所示．

图3 三维H型翅片管换热器声波吹灰模型

其中，H型翅片管道材料为钢材，厚度d=3 mm，鳍片个数N=12，鳍片高度h=100 mm，鳍片宽度l=100 mm，鳍片间距s=20 mm，光管内径r=34 mm，表面光滑;烟气流速为14．87 m/s;声源为点声源，工作频率在20 Hz～300 Hz范围内．

此外，为了使声波不发生反射和折射，加入完美匹配层吸收声波;为了考虑到管道对烟气流体的影响，建立势流模型．

2．2 声固耦合下管道的受力分析

为了清楚分析声场对管道的作用，先不考虑烟气对管道受力的影响，即先使烟气流速为零，此时管道压力基本等于声压．

(1)不同声源位置管道受力分析

模型参考坐标，如图4所示．为了探究声源位置不同时管道的受力分析，采用控制变量法，在保持声源频率 freq=110 Hz不变的前提下，选取了四组不同位置点声源，分别为(0，－0．1，0)、(0，0，0．1)、(0．1，－0．1，0)、(0，0．1，0)．再分别进行求解得到声压图，如图 5 所示．

点声源位于(0，－0．1，0)时，y轴负方向管道压力大于 y轴正方向管道压力;点声源位于(0，0，0．1)时，z轴正方向管道压力大于 z轴负方向管道压力;点声源位于(0．1，－0．1，0)时，x－y正方向管道压力大于x－y负方向管道压力;点声源位于(0，0．1，0)时，y正方向管道压力大于y负方向管道压力．位置相近时，光管与鳍片交界处压力大于其它位置;鳍片在靠近声源侧，有背离声源运动的趋势．

图4 H型翅片管换热器参考坐标

图5 点声源位于不同位置时管道压力分布图

(2)不同声源频率管道受力分析

为了探究声源频率不同时管道的受力分析，采用控制变量法，在保持声源位置、功率不改变的前提下，选取了四组不同频率参数进行实验，分别为freq1=50 Hz;freq2=150 Hz;freq3=200 Hz;freq4=300 Hz．再分别进行求解得到声压分布，为方便观察，统一选取y－z截面进行分析，如图6所示．

图6 声源频率不同时管道受力分析

由图6(a)得freq1=50 Hz时，截面最大压强约1．4×104Pa;由图6(b)得freq2=150Hz时，截面最大压强约为5×104Pa;由图6(c)得freq3=200 Hz时，截面最大压强约7×104Pa，由图6(d)得freq4=300 Hz时，截面最大压强有略微降低，约为6×104Pa．点声源频率小于200 Hz时，管道截面所受压强随频率升高而变大;当点声源频率在200 Hz附近时，管道截面所受压强达到最大值;点声源频率大于200 Hz时，管道截面所受压强随频率增大而减小．

2．3 声流耦合下的管道受力分析

针对省煤器部分的实际情况，加入烟气流速，进行声场流场的耦合作用下管道压力分布特性分析．烟气流向如图7所示，流动速度设置为v=14．87 m/s．

图7 烟气流向图

(1)不同烟气流速下的声压级分析

为分析烟气流速对声场及声压级的影响，取以点声源为中心左右对称的两点(迎风面和背风面)，首先求解确定不通入烟气时两点声场强度及声压分布完全相同，然后考虑烟气作用，求解两点声压随流速变化如图8所示．

图8 迎风面、背风面两点声压级随流速的变化

由图8可知，通入烟气对声压的分布产生了非常明显的影响，并且随着流速的增大，对声压分布的影响也逐渐增大;烟气通入对背风面声压的影响相对来说较小，对迎风面的影响较大，通入烟气后迎风面声压明显高于背风面．

(2)不同积灰位置的声压级分析

为分析声压级随积灰位置不同的响应，控制声源频率、位置不变，控制烟气流速不变，求解沿光管外表面(x轴)的一条直线上所有点在相同工况下的声压级分布，得到结果如图9所示．

图9 x轴上所有点在相同工况下的声压级分布

由图 9 可知，当 x=－0．03、－0．01、0．01、0．03 即遇到鳍片时，声压级发生跃变，鳍片阻碍了声波的传递，削弱了声压级的分布趋势，点声源应尽量垂直于管道设置，尽量避免鳍片的削弱．

3 结 论

(1)经验证，仿真模型求解与实际相吻合，该模型可为声波吹灰技术在换热器中的应用提供理论依据和设计指导;

(2)点声源频率小于200 Hz时，管道截面所受压强随频率升高而变大;当点声源频率在200 Hz附近时，管道截面所受压强达到最大值;点声源频率大于200 Hz时，管道截面所受压强随频率增大而减小;点声源频率在200 Hz左右时吹灰效果最好;

(3)迎风面积灰程度小于背风面积灰程度，鳍片会阻碍声波传递，因此声波吹灰装置应布置于靠近背风面且尽量垂直于管道的位置;

(4)采用声波吹灰技术对换热器进行吹灰处理时，不同于蒸汽吹灰，应采用连续、或短间隔吹灰方式，才可以有效的防垢除垢．

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