锅炉声波除灰的声学分析

锅炉声波除灰的声学分析

　炉上推广应用，但是与之相关的多数基本问题目前还没有得到很好的解决，成为制约技术发展和应用的重要障碍本文采用Helmholtz积分方程数值计算了锅炉换热器管排的声场散射问题，得到了管束表面及管排周围的声场分布特性，针对除灰要求进行了声学分析，对当前声波除灰技术的发展及应用均具有实际意义。

　　锅炉积灰结焦是指燃料燃烧时所产生的大量微小灰粒在随烟气流向出口的过程中，由于受到各种力的作用，使灰粒子在炉膛及烟道各部位换热器表面上的积聚和生长，造成炉内积灰结焦。积灰结焦所带来的最直接问题是锅炉换热效率下降。换热面上积灰和焦渣层的导热系数约比金属管壁低4001000倍，所以积灰结焦严重影响到受热面内外的热量传递，致使排烟温度升高、锅炉出力下降，异军突起，成为新一代除灰防焦新动技术。但是，由于迫切的市场需求，这门技术的应用超前于其基础研究。许多基本问题目前都还没有得到很好的解决。声波在遇到锅炉内部换热器管束时的声场分布，满足何种条件的声场才能清除换热器表面的积灰、结焦，一直是声波除灰技术急待解决的理论问题。但是，这个问题从70年代欧洲提出声波除灰技术专利至今，始终没有一个明确的答案。因此，研究锅炉换热器管束的声场作用规律是发展声波除灰技术、指导工业应用推广的重要理论环节。

　　本文，采用先进的Helmholtz积分方程法M（HIEM）讨论了炉内换热器管排的声场散射问题，给出了声波在通过管排时所表现的声场分布情况，计算中假设管壁材料为钢，管内充满水，管外是空气，分别就单管和多管两种情况进行了声学分析与计算，其结果预计对声波除灰技术的工业应用具有重要实际意义。

　　假设锅炉管束由N个半径为a、壁厚为的相同圆管组成，沿y轴等间距（管距为0平行排放，所示，管内充水，管外为空气，管壁材料为钢。

　　考虑单一铎率平曲声波入射，其速度势为考管的场点位置极坐标。为讨论方便，在文中其余各处将省略项4根据边界条件ot管啬载荷、管壁周边界层的热粘损失和管壁材料阻尼等因素影响，形式如下的热粘系敢关的参数，是频率、热传导率和界面处粘滞系数的函数下标i、分别表示管璧的内部和外部介质参数i人（岣和Ab）分别表示级Bessel函数及其导数。根据特征长度的数摄级W，液一管分界面上的能最损失可以忽略，根据声场香加原理，空间声场的总速度势岭（r）=咖（r）+t（r），其中，也、也分别为入射声波与散射声波的速度势。

　　根据Helmholtz积分理论，散射声场的速度势可用式⑵表示，L为第管的边界曲线（在所示平面）；切（，）为空间声场总速度势G（r为二维Green函数P‘5l.根据。

　　圆管表面外的声场总速度势可由。表示d/a =3、=5时，远场声强的角分布曲线。（a）、=0.1、2.0、3.0时，表面声场的角分布曲线。（a）、（b）、则表示“下边管”（=1）的声场角分布曲线。

　　为验证本文的数值结果，分别用方程组（8）按两种途径计算了独立管的壁面声场角分布特征，并与刚性独立管散射理论结果进行比较，发现两者具有很好的一致性。如（a）表示fca=1时，方程组取管数W=1所得计算结果（“一”）与单管散射理单管散射理论结果一表示多极子散射结果单个独立管壁面声场角分布4结果分析根据计算结果（5），声波在通过换热器管束时，在各个换热器管面产生多极子散射。表明在换热器壁面上散射声场的频率响应具有尖锐的峰值特征，这是由于多管散射相互加强时而产生的干涉现象，其结果可使壁面声场大幅度强，对声波除灰等应用预计具有关键性的作用。、5结果及的讨论指出了壁面散射声场的角分布在fca￡0.1时，没有明显的指向性，而fca>0.1时，壁面声场角分布开始出现比较明显的指向性特征，个别方向具有较大增益。

　　道“迎风面”在fca=4.6时，发生最大增益，增益指数G =10dB.管道“背风面”的最大增益发生=0.1时，最大增益指数G=0.2（接近于0）。此时，“背风面”各处声压振幅均接近入射波声压振幅，对清除背面积灰而言，能得到相对较篼的声压级，但最大增益指数较低，整个壁面声场均不会大大篼于入射声强。

　　如果清除具有较篼强度的“迎风面”积灰，在入射波最大声强受到声源限制的情况下，设定toS 0.1似乎不是最好选择。

　　=2，3时，最大增益指数分别为G=6.68dB和G=6.01dB，而（b）、（c）表明“边管”在=2，3时，最大增益指数分别为G=6.77dB和G=6.60dB，两者随fca值的变化分别出现在不同位置。根据，fca=1时，“中心管”G7=5.22dB，“边管”Gi"=5.84dB，而fca =5时，“中心管”G=8.26dB，“边管”G=8.22dB.所以在fca较大时，一般容易得到较篼的G值，但最大增益位置分布在“迎风面”范围的机会相对较多。给出了fca=5时，远场声强的角分布曲线，类似于光栅衍射。在入射波传播方向为中央主极大（P=），增益指数G7=11.27dB，入射声强得到极大提篼，这一特点将使管排极有可能用于远场声聚焦等用途，另外在P之间似有缺级现象出现，而在管排正面P排对声场的作用似类同于闪烁光栅。

　　4结论用声波清除锅炉内部换热器管束表面的积灰结焦，是一种有效的非触及式除灰方法；除灰频段应考虑换热器管束的几何结构、管壁半径以及炉内环境等因素，合理选用可以达到更好的除灰效果；从机理上讲在频段内采用由低到篼的连续变频除灰方式应该优于固定频率除灰方式。