鍋爐聲波除灰的聲學(xué)分析

　爐上推廣應(yīng)用，但是與之相關(guān)的多數(shù)基本問題目前還沒有得到很好的解決，成為制約技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要障礙本文采用Helmholtz積分方程數(shù)值計算了鍋爐換熱器管排的聲場散射問題，得到了管束表面及管排周圍的聲場分布特性，針對除灰要求進行了聲學(xué)分析，對當前聲波除灰技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用均具有實際意義。

　　鍋爐積灰結(jié)焦是指燃料燃燒時所產(chǎn)生的大量微小灰粒在隨煙氣流向出口的過程中，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，造成爐內(nèi)積灰結(jié)焦。積灰結(jié)焦所帶來的最直接問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技術(shù)。但是，由于迫切的市場需求，這門技術(shù)的應(yīng)用超前于其基礎(chǔ)研究。許多基本問題目前都還沒有得到很好的解決。聲波在遇到鍋爐內(nèi)部換熱器管束時的聲場分布，滿足何種條件的聲場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)急待解決的理論問題。但是，這個問題從70年代歐洲提出聲波除灰技術(shù)專利至今，始終沒有一個明確的答案。因此，研究鍋爐換熱器管束的聲場作用規(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，采用先進的Helmholtz積分方程法M（HIEM）討論了爐內(nèi)換熱器管排的聲場散射問題，給出了聲波在通過管排時所表現(xiàn)的聲場分布情況，計算中假設(shè)管壁材料為鋼，管內(nèi)充滿水，管外是空氣，分別就單管和多管兩種情況進行了聲學(xué)分析與計算，其結(jié)果預(yù)計對聲波除灰技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要實際意義。

　　假設(shè)鍋爐管束由N個半徑為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，其速度勢為考管的場點位置極坐標。為討論方便，在文中其余各處將省略項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Bessel函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)。根據(jù)特征長度的數(shù)攝級W，液一管分界面上的能最損失可以忽略，根據(jù)聲場香加原理，空間聲場的總速度勢嶺（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。

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

　　圓管表面外的聲場總速度勢可由。表示d/a =3、=5時，遠場聲強的角分布曲線。（a）、=0.1、2.0、3.0時，表面聲場的角分布曲線。（a）、（b）、則表示“下邊管”（=1）的聲場角分布曲線。

　　為驗證本文的數(shù)值結(jié)果，分別用方程組（8）按兩種途徑計算了獨立管的壁面聲場角分布特征，并與剛性獨立管散射理論結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。如（a）表示fca=1時，方程組取管數(shù)W=1所得計算結(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)果單個獨立管壁面聲場角分布4結(jié)果分析根據(jù)計算結(jié)果（5），聲波在通過換熱器管束時，在各個換熱器管面產(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時而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，其結(jié)果可使壁面聲場大幅度強，對聲波除灰等應(yīng)用預(yù)計具有關(guān)鍵性的作用。、5結(jié)果及的討論指出了壁面散射聲場的角分布在fca￡0.1時，沒有明顯的指向性，而fca>0.1時，壁面聲場角分布開始出現(xiàn)比較明顯的指向性特征，個別方向具有較大增益。

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

　　如果清除具有較篼強度的“迎風面”積灰，在入射波最大聲強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，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，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，“中心管”G7=5.22dB，“邊管”Gi"=5.84dB，而fca =5時，“中心管”G=8.26dB，“邊管”G=8.22dB.所以在fca較大時，一般容易得到較篼的G值，但最大增益位置分布在“迎風面”范圍的機會相對較多。給出了fca=5時，遠場聲強的角分布曲線，類似于光柵衍射。在入射波傳播方向為中央主極大（P=），增益指數(shù)G7=11.27dB，入射聲強得到極大提篼，這一特點將使管排極有可能用于遠場聲聚焦等用途，另外在P之間似有缺級現(xiàn)象出現(xiàn)，而在管排正面P排對聲場的作用似類同于閃爍光柵。

　　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，合理選用可以達到更好的除灰效果；從機理上講在頻段內(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。