鍋爐聲波除灰的聲學(xué)分析

　鍋爐積灰結(jié)焦是指燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的大量微小灰粒在隨煙氣流向出口的過(guò)程中，由于受到各種力的作用，使灰粒子在爐膛及煙道各部位換熱器表面上的積聚和生長(zhǎng)，造成爐內(nèi)積灰結(jié)焦。積灰結(jié)焦所帶來(lái)的最直接問(wèn)題是鍋爐換熱效率下降。換熱面上積灰和焦渣層的導(dǎo)熱系數(shù)約比金屬管壁低4001000倍，所以積灰結(jié)焦嚴(yán)重影響到受熱面內(nèi)外的熱量傳遞，致使排煙溫度升高、鍋爐出力下降，異軍突起，成為新一代除灰防焦新動(dòng)技術(shù)。但是，由于迫切的市場(chǎng)需求，這門(mén)技術(shù)的應(yīng)用超前于其基礎(chǔ)研究。許多基本問(wèn)題目前都還沒(méi)有得到很好的解決。聲波在遇到鍋爐內(nèi)部換熱器管束時(shí)的聲場(chǎng)分布，滿(mǎn)足何種條件的聲場(chǎng)才能清除換熱器表面的積灰、結(jié)焦，一直是聲波除灰技術(shù)急待解決的理論問(wèn)題。但是，這個(gè)問(wèn)題從70年代歐洲提出聲波除灰技術(shù)專(zhuān)利至今，始終沒(méi)有一個(gè)明確的答案。因此，研究鍋爐換熱器管束的聲場(chǎng)作用規(guī)律是發(fā)展聲波除灰技術(shù)、指導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用推廣的重要理論環(huán)節(jié)。

　　本文，采用先進(jìn)的Helmholtz積分方程法M（HIEM）討論了爐內(nèi)換熱器管排的聲場(chǎng)散射問(wèn)題，給出了聲波在通過(guò)管排時(shí)所表現(xiàn)的聲場(chǎng)分布情況，計(jì)算中假設(shè)管壁材料為鋼，管內(nèi)充滿(mǎn)水，管外是空氣，分別就單管和多管兩種情況進(jìn)行了聲學(xué)分析與計(jì)算，其結(jié)果預(yù)計(jì)對(duì)聲波除灰技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要實(shí)際意義。

　　假設(shè)鍋爐管束由N個(gè)半徑為a、壁厚為的相同圓管組成，沿y軸等間距（管距為0平行排放，所示，管內(nèi)充水，管外為空氣，管壁材料為鋼。

　　考慮單一鐸率平曲聲波入射，其速度勢(shì)為考管的場(chǎng)點(diǎn)位置極坐標(biāo)。為討論方便，在文中其余各處將省略項(xiàng)4根據(jù)邊界條件ot管嗇載荷、管壁周邊界層的熱粘損失和管壁材料阻尼等因素影響，形式如下的熱粘系敢關(guān)的參數(shù)，是頻率、熱傳導(dǎo)率和界面處粘滯系數(shù)的函數(shù)下標(biāo)i、分別表示管璧的內(nèi)部和外部介質(zhì)參數(shù)i人（岣和Ab）分別表示級(jí)Bessel函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)。根據(jù)特征長(zhǎng)度的數(shù)攝級(jí)W，液一管分界面上的能最損失可以忽略，根據(jù)聲場(chǎng)香加原理，空間聲場(chǎng)的總速度勢(shì)嶺（r）=咖（r）+t（r），其中，也、也分別為入射聲波與散射聲波的速度勢(shì)。

　　根據(jù)Helmholtz積分理論，散射聲場(chǎng)的速度勢(shì)可用式⑵表示，L為第管的邊界曲線(xiàn)（在所示平面）；切（，）為空間聲場(chǎng)總速度勢(shì)G（r為二維Green函數(shù)P‘5l.根據(jù)。

　　圓管表面外的聲場(chǎng)總速度勢(shì)可由。表示d/a =3、=5時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)聲強(qiáng)的角分布曲線(xiàn)。（a）、=0.1、2.0、3.0時(shí)，表面聲場(chǎng)的角分布曲線(xiàn)。（a）、（b）、則表示“下邊管”（=1）的聲場(chǎng)角分布曲線(xiàn)。

　　為驗(yàn)證本文的數(shù)值結(jié)果，分別用方程組（8）按兩種途徑計(jì)算了獨(dú)立管的壁面聲場(chǎng)角分布特征，并與剛性獨(dú)立管散射理論結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。如（a）表示fca=1時(shí)，方程組取管數(shù)W=1所得計(jì)算結(jié)果（“一”）與單管散射理單管散射理論結(jié)果一表示多極子散射結(jié)果單個(gè)獨(dú)立管壁面聲場(chǎng)角分布4結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果（5），聲波在通過(guò)換熱器管束時(shí)，在各個(gè)換熱器管面產(chǎn)生多極子散射。表明在換熱器壁面上散射聲場(chǎng)的頻率響應(yīng)具有尖銳的峰值特征，這是由于多管散射相互加強(qiáng)時(shí)而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，其結(jié)果可使壁面聲場(chǎng)大幅度強(qiáng)，對(duì)聲波除灰等應(yīng)用預(yù)計(jì)具有關(guān)鍵性的作用。、5結(jié)果及的討論指出了壁面散射聲場(chǎng)的角分布在fca￡0.1時(shí)，沒(méi)有明顯的指向性，而fca>0.1時(shí)，壁面聲場(chǎng)角分布開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的指向性特征，個(gè)別方向具有較大增益。

　　道“迎風(fēng)面”在fca=4.6時(shí)，發(fā)生最大增益，增益指數(shù)G =10dB.管道“背風(fēng)面”的最大增益發(fā)生=0.1時(shí)，最大增益指數(shù)G=0.2（接近于0）。此時(shí)，“背風(fēng)面”各處聲壓振幅均接近入射波聲壓振幅，對(duì)清除背面積灰而言，能得到相對(duì)較篼的聲壓級(jí)，但最大增益指數(shù)較低，整個(gè)壁面聲場(chǎng)均不會(huì)大大篼于入射聲強(qiáng)。

　　如果清除具有較篼強(qiáng)度的“迎風(fēng)面”積灰，在入射波最大聲強(qiáng)受到聲源限制的情況下，設(shè)定toS 0.1似乎不是最好選擇。

　　=2，3時(shí)，最大增益指數(shù)分別為G=6.68dB和G=6.01dB，而（b）、（c）表明“邊管”在=2，3時(shí)，最大增益指數(shù)分別為G=6.77dB和G=6.60dB，兩者隨fca值的變化分別出現(xiàn)在不同位置。根據(jù)，fca=1時(shí)，“中心管”G7=5.22dB，“邊管”Gi"=5.84dB，而fca =5時(shí)，“中心管”G=8.26dB，“邊管”G=8.22dB.所以在fca較大時(shí)，一般容易得到較篼的G值，但最大增益位置分布在“迎風(fēng)面”范圍的機(jī)會(huì)相對(duì)較多。給出了fca=5時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)聲強(qiáng)的角分布曲線(xiàn)，類(lèi)似于光柵衍射。在入射波傳播方向?yàn)橹醒胫鳂O大（P=），增益指數(shù)G7=11.27dB，入射聲強(qiáng)得到極大提篼，這一特點(diǎn)將使管排極有可能用于遠(yuǎn)場(chǎng)聲聚焦等用途，另外在P之間似有缺級(jí)現(xiàn)象出現(xiàn)，而在管排正面P排對(duì)聲場(chǎng)的作用似類(lèi)同于閃爍光柵。

　　4結(jié)論用聲波清除鍋爐內(nèi)部換熱器管束表面的積灰結(jié)焦，是一種有效的非觸及式除灰方法；除灰頻段應(yīng)考慮換熱器管束的幾何結(jié)構(gòu)、管壁半徑以及爐內(nèi)環(huán)境等因素，合理選用可以達(dá)到更好的除灰效果；從機(jī)理上講在頻段內(nèi)采用由低到篼的連續(xù)變頻除灰方式應(yīng)該優(yōu)于固定頻率除灰方式。