灰粒沖擊換熱器管壁碰撞與磨損的數值研究

                         1.宋金鋼 1.陳克 1.李堅 1.李文春 2.樊建人
(1．北京市特種設備檢測中心，100029；2．浙江大學機械與能源工程學院，310027)
    摘耍：采用直接數值模擬方法對灰粒與受熱面管壁的碰撞和磨損問題進行了數值計算。結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增長。當灰粒的沖擊角度為2O。左右時，灰粒對壁面的磨損量最大。
    關鍵詞：直接數值模擬；碰撞頻率；磨損率
    中圈分類號：TK227．1 文獻標識碼：A 文章編號：1004—3950(2006)06—0017—04
    0 引 言
    固體燃料在鍋爐內的流動和燃燒，煤粉的制備、分離與管道運輸，風機和除塵器工作時流動的固體顆粒對葉片表面沖擊產生的磨損，煙氣中的煤灰粒子對換熱器的沖刷等，都會產生嚴重的沖擊腐蝕，影響設備的安全運行和使用壽命。文獻[1]報道，在分析對流受熱面管束失效的問題中，發(fā)現有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人員的經驗和個人的判斷，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、磨損機理，對減輕磨損、提高設備的抗磨性具有十分重要的現實意義，同時也為安檢人員對設備安全的定性、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行，采用直接數值模擬方法對灰粒與受熱面管壁的碰撞和磨損問題進行數值計算，并重點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 數值方法
    在實際工程應用中。灰粒與壁面發(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和靜電力。計算工況如表1所示。
                 
    2．1 灰粒的運動特性
    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，受到管壁后側的回流區(qū)尾渦作用，有部分灰粒沉積。這樣，管壁兩側由于受到不同尺寸的灰粒的碰撞而產生了磨損，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，應根據爐內的灰粒尺寸大小重點排查管壁的迎風側和背風側。
               
              
               
               
               
               
               
                
    3 結 論
    本文采用直接數值模擬方法對不同尺寸的灰粒在受熱面管壁的運動進行了研究，重點討論了灰粒經過管壁的運動特性，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。