灰粒沖擊換熱器管壁碰撞與磨損的數(shù)值研究

                         1.宋金鋼 1.陳克 1.李堅 1.李文春 2.樊建人
(1．北京市特種設(shè)備檢測中心，100029；2．浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，310027)
    摘耍：采用直接數(shù)值模擬方法對灰粒與受熱面管壁的碰撞和磨損問題進(jìn)行了數(shù)值計算。結(jié)果表明灰粒尺寸是影響碰撞頻率和磨損率的一個主要因素。隨著粒徑的增大，灰粒與壁面的碰撞頻率及磨損率都呈指數(shù)增長。當(dāng)灰粒的沖擊角度為2O。左右時，灰粒對壁面的磨損量最大。
    關(guān)鍵詞：直接數(shù)值模擬；碰撞頻率；磨損率
    中圈分類號：TK227．1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—3950(2006)06—0017—04
    0 引 言
    固體燃料在鍋爐內(nèi)的流動和燃燒，煤粉的制備、分離與管道運(yùn)輸，風(fēng)機(jī)和除塵器工作時流動的固體顆粒對葉片表面沖擊產(chǎn)生的磨損，煙氣中的煤灰粒子對換熱器的沖刷等，都會產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊腐蝕，影響設(shè)備的安全運(yùn)行和使用壽命。文獻(xiàn)[1]報道，在分析對流受熱面管束失效的問題中，發(fā)現(xiàn)有1／3是由于顆粒的沖蝕磨損所造成，特別是流化床鍋爐內(nèi)埋管，幾乎都是沖蝕磨損引起的。
    目前，鍋爐受熱管的安全檢測主要依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗和個人的判斷，這使得受熱面管壁缺陷的定性、定位問題存在著很大的不確定性。因此，了解鍋爐燃燒過程中灰粒對換熱器壁面的碰撞、磨損機(jī)理，對減輕磨損、提高設(shè)備的抗磨性具有十分重要的現(xiàn)實意義，同時也為安檢人員對設(shè)備安全的定性、定位分析提供有益的參考。
    本文采用高精度有限差分方法研究空間流體，顆粒跟蹤在拉格朗日框架下進(jìn)行，采用直接數(shù)值模擬方法對灰粒與受熱面管壁的碰撞和磨損問題進(jìn)行數(shù)值計算，并重點(diǎn)討論灰粒與受熱面壁面發(fā)生碰撞時的沖擊角度、灰粒尺寸對碰撞頻率和磨損率的影響。
    1 數(shù)值方法
    在實際工程應(yīng)用中?；伊Ｅc壁面發(fā)生的碰撞大多是非彈性碰撞。Tabakof 在試驗固體顆粒對葉片磨損問題時，對顆粒和金屬壁面的碰撞做了大量的研究，提出了計算顆粒碰撞前后速度公式：
                
                
    2 結(jié)果與討論
    本文的計算中，假定灰粒為均勻球體，忽略灰粒一灰粒間碰撞，考慮灰粒一壁面問的碰撞，碰撞過程中忽略灰粒的旋轉(zhuǎn)和靜電力。計算工況如表1所示。
                 
    2．1 灰粒的運(yùn)動特性
    圖1所示為不同尺寸的灰粒在受熱面管壁近壁區(qū)的運(yùn)動軌跡。從圖中可以看出，尺寸較大的灰粒由于具有較大的慣性，與管壁來流側(cè)發(fā)生碰撞；而尺寸較小的灰粒由于慣性較小，受氣流的作用較大，受到管壁后側(cè)的回流區(qū)尾渦作用，有部分灰粒沉積。這樣，管壁兩側(cè)由于受到不同尺寸的灰粒的碰撞而產(chǎn)生了磨損，磨損的程度視灰粒的尺寸大小而定。灰粒對管壁的磨損造成了管壁的減薄，因此安檢人員在檢測受熱面管壁時，應(yīng)根據(jù)爐內(nèi)的灰粒尺寸大小重點(diǎn)排查管壁的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)。
               
              
               
               
               
               
               
                
    3 結(jié) 論
    本文采用直接數(shù)值模擬方法對不同尺寸的灰粒在受熱面管壁的運(yùn)動進(jìn)行了研究，重點(diǎn)討論了灰粒經(jīng)過管壁的運(yùn)動特性，分析了灰粒的尺寸對壁面的碰撞頻率和磨損率的影響，以及在不同尺寸下的局部碰撞概率和局部磨損率，并且討論了顆粒的沖擊角度對磨損率的影響，希望為安檢人員檢測受熱面管壁磨損的定性、定位問題提供有益的理論參考。