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(jiān) 1.李文春 2.樊建人
(1．北京市特種設(shè)備檢測(cè)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(duì)灰粒與受熱面管壁的碰撞和磨損問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明灰粒尺寸是影響碰撞頻率和磨損率的一個(gè)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(zhǎng)。當(dāng)灰粒的沖擊角度為2O。左右時(shí)，灰粒對(duì)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(hào)：TK227．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—3950(2006)06—0017—04
    0 引 言
    固體燃料在鍋爐內(nèi)的流動(dòng)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(shí)流動(dòng)的固體顆粒對(duì)葉片表面沖擊產(chǎn)生的磨損，煙氣中的煤灰粒子對(duì)換熱器的沖刷等，都會(huì)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(bào)道，在分析對(duì)流受熱面管束失效的問(wèn)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(cè)主要依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人的判斷，這使得受熱面管壁缺陷的定性、定位問(wèn)題存在著很大的不確定性。因此，了解鍋爐燃燒過(guò)程中灰粒對(duì)換熱器壁面的碰撞、磨損機(jī)理，對(duì)減輕磨損、提高設(shè)備的抗磨性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也為安檢人員對(duì)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(duì)灰粒與受熱面管壁的碰撞和磨損問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并重點(diǎn)討論灰粒與受熱面壁面發(fā)生碰撞時(shí)的沖擊角度、灰粒尺寸對(duì)碰撞頻率和磨損率的影響。
    1 數(shù)值方法
    在實(shí)際工程應(yīng)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(yàn)固體顆粒對(duì)葉片磨損問(wèn)題時(shí)，對(duì)顆粒和金屬壁面的碰撞做了大量的研究，提出了計(jì)算顆粒碰撞前后速度公式：
                
                
    2 結(jié)果與討論
    本文的計(jì)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(wèn)的碰撞，碰撞過(guò)程中忽略灰粒的旋轉(zhuǎn)和靜電力。計(jì)算工況如表1所示。
                 
    2．1 灰粒的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(lái)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?；伊?duì)管壁的磨損造成了管壁的減薄，因此安檢人員在檢測(cè)受熱面管壁時(shí)，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(duì)不同尺寸的灰粒在受熱面管壁的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)討論了灰粒經(jīng)過(guò)管壁的運(yùn)動(dòng)特性，分析了灰粒的尺寸對(duì)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(duì)磨損率的影響，希望為安檢人員檢測(cè)受熱面管壁磨損的定性、定位問(wèn)題提供有益的理論參考。