（热能工程专业论文）基于pda测量技术的螺旋翅片管外热态气固两相流动的特性研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在火力发电厂中，煤燃烧后形成的烟气中含有大量飞灰，灰粒通常保持固体状态， 对于锅炉尾部烟道中的受热面带来了很严重的磨损，从而造成了大量的安全问题和经济 损失。工程实践中发现，用螺旋翅片管受热面代替光管受热面是种有效解决磨损问题 的方法。山东大学能源与动力工程学院做过一些相关的研究工作，主要是单管翅片间浓 度场和速度场的研究。本论文就是基于前面所做的工作，进一步研究热态条件下，不同 翅片几何尺寸气固两相流在螺旋翅片管翅片间的流场特性，以摸清含灰气流在管束间的 速度、浓度和粒径的分布规律。 要研究含灰烟气的流动特性，就必须掌握气固两相流的有关知识。本文从气固两相 流的基本理论入手，分析了气固两相流中单个固相颗粒的受力与运动情况。在翅片问的 流道里，对于质量微小的灰粒而言，只考虑重力，阻力，m a g n u s 力和s a f f m a n 力的影 响，其中当颗粒进入边界层后，s a f f m a n 力增大，托住颗粒使它不易沉到管壁；而当颗 粒转速较大时，m a g n u s 力可保证颗粒不向壁面沉降，这些力都减小了颗粒与壁面接触 的机会，从而为减轻磨损提供了理论基础。 对换热元件磨损起主要作用的几个参数主要是固相颗粒的速度、浓度和粒径以及撞 击角度。因此，除了理论研究以外，此次研究还在实验室建立了热态的烟气循环p d a 实验台，对气固两相流流动特性进行了实验测量。为了与工程实际紧密结合，利用三维 粒子动态分析仪( p d a ) 这种先进的激光测量仪器，首次测量了热态条件下翅片间5 个 有代表性的平面上的固相颗粒的速度、浓度和粒径分布，并分别对比测量了不同翅片高 度和不同翅片间距的速度、浓度和粒径分布。 实验结果表明，螺旋翅片管翅间固相颗粒的速度、浓度、粒径都存在着比较规律的 分布，在不同温度下、不同翅片间距和翅片高度均对上述几个参数的分布规律产生一定 的影响。这些研究为今后进一步优化螺旋翅片管结构，提高其在工程实践中的应用价值 提供了一定的借鉴意义。 关键词：螺旋翅片管束气固两相流实验研究p d a 磨损 1 1 1 山。东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o a li st h em a i n l yf u e lo fb o i l e ri nt h ep o w e rp l a n t t h e r ei sal a r g ea m o u n to fa s h a f t e rc o a l sc o m b u s t i o n ，w h i c hr e s u l t st h a tt h eh e a t - e x c h a n g e ri sa b r a d e di nt h et a i lf l u eo f t h e b o i l e r si nt h ep o w e rp l a n t ，f u r t h e rm o r e ，r e s u l t si nag r e a td e a lo ft h es a f e t yp r o b l e m sa n dt h e e c o n o m yl o s s e n g i n e e r i n gp r a c t i c ew i t n e s s e st h a tt h eh e a t e x c h a n g e r su s e do fs p i r a lf i r m e d t u b e si n s t e a do ft h a tu s e do fs m o o t ht u b e si sa ne f f e c t i v em e t h o dl i g h t e n i n ga b r a s i o n s o m er e s e a r c ha b o u tt h ec o n c e n t r a t i o na n dv e l o c i t yb e t w e e nt w oa d j a c e n tf i n sh a sb e e n o b s e r v e db yr e s e a r c h e r so fe n e r g ys o u r c ea n dp o w e re n g e e r i n gs c h o o lo fs h a n d o n g u n i v e r s i t y o nt h eb a s i so ft h ef o r m e rr e s e a r c h , t h i sr e s e a r c h p u r p o s ei so b s e r v i n gt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt w oa d j a c e n tf i n su n d e rt h eh o tc o n d i t i o n sa n dt h a to fs p i r a lf i n n e d t u b e sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e st of i n do u tt h ed i s t r i b u t i o no fv e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o na n d d i a m e t e ro f t w o - p h a s es m o k e i no r d e rt of i n do u tt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，g a s s o l i dt w o p h a s ef l o wi sas u b j e c tt h a t s h o u l db es t u d i e d as i n g l em i c r o c o s m i cg r a n u l e sf l o ws t a t ei ss t u d i e di nt h i s r e s e a r c h b e t w e e nt h ef i n sas m a l la s hg e t sg r a v i t a t i o n ，r e s i s t a n c em a g n u sf o r c ea n ds a f f m a nf o r c e m a g n u sf o r c ea n ds a f f m a nf o r c er e s u l tt h a tt h eg r a n u l ek e p ta w a yf r o mt h ep i n s ，w h i c hc a n r e d u c et h eo p p o r t u n i t yo ft h eg r a n u l ea n df i n sc o n t a c ta n di st h e o r yb a s eo fl i g h t e n i n g a b r a s i o n t h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h ea b r a t i o na r et h ep a t i c l ev e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o na n dd i a m e t e r b e s i d e st h et h e o r ys t u d y , e x p e r i m e n t a ls t u d yu n d e rt h eh o t c o n d i t i o ni sn e c e s s a r y , s ot h e r ei st h ec o l ds m o k ec i r c u l a t i n gt e s tu n i tw i t hp d as y s t e ms e tu p i nt h el a b o r a t o r y w i t ht h ep a r t i c l ed y n a m i ca n a l y z e r ( p d a ) w h i c hi sa d v a n c e dl a s e r i n s t r u m e n tm a d eo fd a n t e cc o m p a n yi nd a n m a r k ，t h ep a t i c l ev e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o na n d d i a m e t e ra r em e a s u r e do n5r e p r e s e n t a t i o n a lp l a n e sb e t w e e nt h ep i n su n d e rt h eh o tc o n d i t i o n f o rt h ef i s tt i m e e x p e r i m e n tr e s e a r c hs h o w st h a tt h e r ea r ed i s c i p l i n a r i a nd i s t r i b u t i o n sa b o u tt h ep a t i c l e v e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o n ，d i a m e t e ra n dv e l o c i t yv e c t o r , w h i c ha r ei n f l u e n c e db yt h et e m p e r a t u r e ， 山东大学硕士学位论文 t h es p a c eb e t e e na d j a c e n tf i n sa n dt h eh e i g h to ff i n s t h i sr e s e a r c hc a l lb eu s e df o rr e f e r e n c e t oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo f s p i r a lf i n n e dt u b e st oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s p i r a lf i n n e dt u b eb u n d l e g a s - s o l i dt w op h a s ef l o w e x p e r i m e n tr e s e a r c h p d a a b r a s i o n v 山东大学硕士学位论文 v l 容积 质量 预迟时间 多普勒频移 粒径参数， 微粒的折射率 激光在真空中的波长 微粒粒径 湍流脉动角频率 全压力 静压力 颗粒的自由程 阻力 重力 浮力 压力梯度力 符号表 k 虚假质量力 f b b a s s e t 力 fm a g n u s 力 几s a f f m a n 力 q 旋转矢量 摩擦系数， “，碰撞前后颗粒轴向速度差 以基管外径 艿基管厚度 厶 管长 h 翅高 工 翅间距 j ，翅厚 下标： p 颗粒 g 流体 矿 所 f 厶口 啊五d m岛尸以cc耳 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塾查塾日论文作者签名：j 止! 暨型日期：垫丛堇! 堡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) i 论文作者签名：塞挞出2 导师签名i 山东大学硕士学位论文 1 引言 1 1 换热管磨损及研究螺旋翅片管的意义 1 1 1 积灰、磨损对锅炉运行的影响 我国电站锅炉以燃煤为主，而动力用煤一般含灰量和含硫量均较高，煤粉中的灰分 在炉膛中燃烧后一部分保持固体形状，以飞灰( 煤质越劣，飞灰浓度越高) 形态通过锅 炉各受热面，使得锅炉受热面受到严重的磨损。 锅炉内积灰、磨损所引起的主要问题有： ( 1 ) 积灰，结渣会降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面沉积后，由于其导热系 数很低，热阻很大，一般积灰数小时后水冷壁的传热能力会降低3 0 6 0 ，使得炉内 火焰中心后移，炉膛出口烟温相应提高 ( 2 ) 由于炉膛出口烟温提高，使得飞灰易粘结在对流屏式过热器上，引起过热器的沾 污和腐蚀。 ( 3 ) 积灰会使省煤器和空气预热器堵塞、传热恶化，从而提高排烟温度，降低锅炉运 行经济性。 ( 4 ) 由于总的传热阻力增大，会使锅炉可能无法维持在满负荷下运行，只好增加投煤 量，引起炉膛出口烟温迸一步提高，使灰渣更容易粘在受热面上，形成恶性循环，导致 发生一系列锅炉恶性事故，如过热器、省煤器管束堵灰、爆管，空气预热器大量漏风， 出渣系统堵死。烟温升高还会导致蒸汽过热汽温偏高，使金属管子处于超温运行状态。 ( 5 ) 在高温烟气作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生复杂的化 学反应，形成高温腐蚀。发生高温腐蚀时的平均水冷壁管腐蚀量可达o 8 2 6 r a m a 。 如燃用高硫煤时，腐蚀区受火焰的直接冲刷，其腐蚀速度可达5 m m a 以上运行不当 时经常发生爆管停炉。因此，积灰、结渣可看作高温腐蚀的前兆。 ( 6 ) 由于积灰、结渣、腐蚀及磨损而造成重大经济损失： ( a ) 经国内外资料统计，由于炉膛及排烟温度的提高，致使锅炉平均效率降低，并增 加了煤耗； 山东大学硕士学位论文 ( b ) 只能低负荷运行。如某台2 0 0 m w 锅炉燃用灰熔点低的煤( t l = 1 1 4 0 0 ) ，结渣严重 时只能在4 0 负荷下运行，还经常被迫停炉； ( c ) 要经常停炉检修，因少发电而带来了很大的经济损失。国外统计表明，5 0 0 m w 机组每停运一天就要损失l o 万美元以上； ( d ) 要增加大量的检修费用，如清渣、更换炉管等所需费用。据国外估计，美国每年因 锅炉受热面积灰、结渣而带来的各种经济损失总和达2 0 1 0 0 亿美元。 我国由于燃用煤种多为劣质煤，质量比国外的差，问题更为严重。我国电站锅炉受 热面“四管”因积灰、腐蚀和磨损泄漏爆管而引起的事故也是十分惊人的。在1 9 8 2 1 9 8 5 年的4 年问，全国5 0 m w 以上火电厂共发生锅炉事故9 4 9 起，其中“四管”的泄漏爆管 事故就占3 0 5 起，占3 2 ，成为影响锅炉安全运行的主要原因。“四管”爆裂，泄漏事 故的分布情况，以某省所属电厂的统计数据作为例子，见表i - - 1 。 表1 i某省火电厂“四管”爆裂、泄漏统计表m 四管水冷壁过热器 再热器省煤器合计 年份 1 9 8 91 9 9 01 9 8 91 9 9 0 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 8 91 9 9 01 9 8 9 1 9 9 0 1 0 0 6 0 0 71 091 7831 01 93 44 9 m w 锅炉2 l 2 0 2 6 3 5 2 4 6 2 9 3 9 1 0 0 1 0 0 1 0 0 m w 以 1 51 3651 31 63 43 4 下 4 4 3 8 1 8 1 5 3 8 4 7 1 0 0 1 0 0 锅炉 合1 次数 2 22 31 52 2832 33 56 88 3 计i 比例3 2 2 8 2 2 2 6 1 2 4 3 4 4 2 1 0 0 1 0 0 由表可见，“四管”泄漏事故有逐年增高的趋势，而且1 9 9 0 年增加幅度较大；1 0 0 m w 以上大机组中以过热器及省煤器爆管泄漏最为严重，再热器事故较少，而小机组中则以 省煤器及水冷壁事故为主，因为通常情况下省煤器中磨损和腐蚀同时发生。表1 2 中列 出了泄漏和爆管事故的原因。 表1 2泄漏和爆管事故的原因统计表( 1 9 9 0 年) 磨损腐蚀过热焊接其它 合计 1 0 0 6 0 0 m w 次数 1 7222 475 2 机组比例( )3 3444 61 3 1 0 0 次数 3 1742 41 78 3 全部机组 比例( )3 7 8 53 0 2 01 0 0 由表可见磨损而引起爆管是最为严重的如果把磨损、腐蚀、过热归结为积灰、结 山东大学硕士学位论文 渣和磨损所引起的，则占总事故的5 0 。 由上表可见，磨损引起爆管最为严重。因此电站锅炉需要经常停炉检修，从而减少 了发电量，带来了很大的经济损失表1 3 是某电业局直属各厂各型锅炉的统计资料， 从中可以看出减少一次临修带来的经济效益。 表1 3 某电业局直属各厂各型锅炉的统计资料 锅炉容量( t h ) 8 5 0 t h 及以上 6 7 04 1 02 2 0 1 3 0 煤油煤煤煤煤 年均临修次数( 次) 1 11 5 - 2o 5 3 52 1 - 3 5 1 6 - 2 0 临修一次平均时间( h ) 7 07 01 3 01 0 06 0 4 0 一次临修损失电量( 万k w h ) 1 7 5 02 1 0 02 0 0 0 1 0 0 0 3 0 0 1 0 0 启停用油损失减少量( t ) 8 08 06 01 55 2 启动标煤损失减少量( t ) 6 06 05 03 01 51 0 总效益( 万元) 8 0 1 0 0 1 5 05 0 1 55 不难看出，飞灰对受热面的磨损对电厂的安全运行和经济效益都带来了极大的负面 影响。因此在实际运行中需要采取措施防止磨损的发生，加翅防磨法就是一种简单有效 的措施，加翅指的是加装翅片管，本文中研究的螺旋翅片管就是其中一种。 1 1 2 飞灰磨损的主要原因及规律 飞灰磨损的主要原因主要有以下几个方面： ( 1 ) 烟气的流速。飞灰磨损量随烟速的3 3 3 次方剧增。飞灰浓度一定的烟气，烟 速增大时，飞灰颗粒对管壁的撞击力、冲刷力加大，磨损加快。当锅炉超出额定负荷运 行时，烟速将超出设计值，飞灰对管壁的均匀磨损大大加剧。当断面烟速分布不均时， 烟速大的部位磨损比烟速小的部位厉害。如烟气走廊部位。 ( 2 ) 飞灰浓度。烟气中飞灰含量与燃煤中灰分成正比。当灰分增大时，单位体积 的烟气含灰量就大，飞灰浓度高，此时飞灰对受热面的磨损就大。 ( 3 ) 飞灰颗粒的物理、化学性能不同的影响。煤种不同，飞灰的物化性能不同， 研磨性能有差别，因此，对管壁的磨损在飞灰浓度、烟速相同时也会不同。 ( 4 ) 灰粒直径对磨损的影响。材料的磨损量与颗粒的直径大小有关颗粒直径很 小时，材料所受的冲蚀磨损很小随着颗粒直径的增大，磨损量随之而增加，当颗粒直 径大到某一临界值后，磨损量几乎不变或者变化十分缓慢对这种现象，一般是认为在 相同颖粒浓度下，颗粒直径越大，单位体积内颗粒数就越少，虽然大颗粒冲击管壁的磨 山东大学硕士学位论文 损能力较大，但由于冲击到壁面的总的颗粒数降低，故材料的磨损量仍然变化不大。 ( 5 ) 烟气温度变化。若飞灰颗粒在低于软化温度以下，则温度变化将不影响其硬 度，也不影响其外形，因此飞灰本身的的磨损性能基本上不随温度的变化而有所改变。 但是烟气温度的变化将影响到受热面管壁温度，管壁温度在很大程度上影响到金属材料 的机械强度。 ( 6 ) 燃烧工况。运行中如果燃烧风量使用过大，除对燃烧安全、经济造成影响外， 还会由于烟气量的加大而使磨损速度增加。锅炉烟道的漏风也会带来同样的问题：运行 中如果煤粉细度控制不良，飞灰粒度和动能大，磨损加速。 1 1 3 研究螺旋翅片管的意义 国家“十一五”科技规划中，将节能降耗放在非常重要的位置，节能降耗技术与产 品势必会得到国家的大力支持和推广螺旋翅片管便是一种价格低廉、换熟效率高的高 效换热元件。并且在实际应用中发现，螺旋翅片管对防止磨损和防止积灰也有很好的效 果因此，有必要对螺旋翅片管的特性进行更深入的研究，对其结构进行优化，取得更 好的强化传热、防磨和防积灰效果。 螺旋翅片管是在光管外壁以某种工艺( 如钎焊、高频焊等) 缠绕螺旋翅片，如图1 1 。 它能够增大换热面积( 为光管的几倍至几十倍) ，强化换热，减少金属耗量，减轻磨损 和腐蚀，提高设备的经济性和运行可靠性。螺旋翅片管受热面( 如热管空气预热器和省 煤器) 在电力、石油、化工等部门都得到了广泛的应用。 图1 1 螺旋翅片管外观结构图 以螺旋翅片管作换热元件的受热面具有以下特点： ( 1 ) 增加管外换热面积螺旋翅片管在光管外扩展了换热面积，在外形尺寸相同的情 况下，其换热面积为光管的几倍甚至几十倍，因而显著地提高了管外侧的换热能力及受 热面的传热效率 4 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 受热面结构紧凑螺旋翅片管束增加了单位体积内换热面积，在换热量相同的情 况下，可减小受热面的体积。 ( 3 ) 减轻受热面的磨损由于螺旋翅片管受热面传热能力的提高，可降低管外流体的 速度，因而大大减轻了受热面的磨损。 由于螺旋翅片管束有上述特点，用其作为换热元件的换热设备具有结构紧凑、金属 耗量低、运行费用省等优点，因此可用于锅炉的省煤器、管式空气预热器、对流蒸发受 热面，以及冶金、化工系统的热交换设备中。国外在2 0 世纪6 0 年代就开始将螺旋翅片管 应用于锅炉省煤器。前苏联为降低燃用高灰分燃料锅炉中的烟速，达到减轻省煤器磨损 的目的，在实验研究的基础上，采用螺旋翅片管省煤器相继对几台锅炉进行了改造。如 配5 0 0 m w 机组的1 5 7 型锅炉，采用螺旋翅片管省煤器后，烟速从5 8 m s 降到5 ，4 m s 。 与光管省煤器相比，螺旋翅片管省煤器的弯头数和焊口数分别减少了5 0 、5 9 ，管子总 长度缩短6 1 ，总重量降低2 3 ，既减轻了磨损，降低了制造成本，又提高了省煤器的运 行可靠性。2 0 世纪6 0 年代初，a b b 、美国c e 公司先后设计了膜式省煤器和螺旋翅片管省 煤器，由于单位长度的螺旋翅片的面积是膜式省煤器的2 倍，大大改善了省煤器的布置和 运行状况n 。美国福斯特惠勒公司与东锅厂联合设计、东锅制造的d g 2 2 0 9 8 - 5 型流化床 锅炉，在分离器后的外置烟道内也设计使用了螺旋翅片管省煤器，其目的就是采用翅片 管型省煤器在分离器达不到设计效率或回料器工作不正常时来减轻磨损 除强化换热之外，翅片高度较低的厚翅片管在有强烈腐蚀或磨损的场合还显示了其 独特的优势，因此又常被应用到燃用劣质煤的锅炉尾部受热面。国内一些燃煤电站锅炉， 如广西田东电厂锅炉，四川江油电厂高压锅炉等均己将原来的光管省煤器改装成翅片管 结构。改装后不仅提高了设备经济性，而且有效地解决了燃劣质煤时受热面磨损、腐蚀、 泄漏等安全问题。 随着各种螺旋翅片管换热设备的广泛应用，有必要对其抗磨损性能进行研究。在工 业应用中发现，与光管相比，螺旋翅片管能够减小含灰烟气对管子的磨损，但这点在 理论上一直没有一个合理的解释而本课题的提出，不仅可以为该问题提供理论依据， 而且对螺旋翅片管的设计以及结构优化具有重要的指导意义。 目前，对螺旋翅片管的研究和应用虽然取得了较大的进展，但基于气固两相流理论， 以考察气固两相烟气流经螺旋翅片管时翅片间的流动状态的研究还较少。 山东大学硕士学位论文 1 2 翅片管研究现状 翅片管受热面已应用多年，早期的研究重点在于直翅片管和环形翅片管，螺旋翅片 管则由于自身形状的复杂性而少有人涉足。由于螺旋翅片管流场的不规律性使其分析极 为复杂，解析解的方法无法考虑如此众多的影响因素，所以一般都是采用试验的方法。 从国内外公开发表的众多文献来看，关于螺旋翅片管强化传热性能的研究较多，但对其 防磨机理研究较少。关于螺旋翅片管在气固两相流场中的研究比较少，少数文献研究了 一些直翅片管和特殊形状的翅片管在气固两相流场中进行了研究，这些文献为本研究提 供了借鉴。 西安交通大学对气流绕过螺旋翅片管的流动特性进行了研究。该文研究了空气横向 冲刷螺旋翅片管时的表面压力分布特性、螺旋翅片管的阻力特性及螺旋翅片管的翅片高 度、翅片节距对表面压力分布特性、阻力特性的影响，取得了定的进展。 浙江大学岑可法等对一种翅片管分离元件进行了气固两相流动特性的p d a 实验研究 和数值模拟5 ，得出该种类型的翅片管不但能够带来较好的气固分离效果，而且在翅片 区域，两相速度急剧下降，且速度很低，对锅炉受热面降低磨损有好处，这充分表明在 光管上加不同类型的翅片可以降低烟气对管子的磨损。 近几年，山东大学能源与动力工程学院对螺旋翅片管做了一些相关的研究工作。利 用p d a 对单管翅片间浓度场和速度场进行了初步研究，研究初步得出了螺旋翅片管速度 和浓度分布的基本规律：在螺旋翅片管的翅片之间，固相颗粒的浓度存在着规律性分布， 即在远离翅片的中心区域固相颗粒的浓度较大，从中心区域向两侧翅片浓度逐渐减小， 到近翅片区域，浓度要比中心区域小很多，主流速度也呈现从远离翅片的中心区域向近 翅片区域逐渐降低的规律。 有些文献以省煤器为研究对象也研究了螺旋翅片管的特性。与光管省煤器相比较， 螺旋翅片管省煤器能大幅度扩展换热面积( 一般为光管的几倍甚至十几倍) ，使省煤器的 传热面积增加，体积减少，结构紧凑。减少了受压元件的数量和弯头数、焊缝数，从而 降低了爆管泄漏的概率。同时可以选取比光管低的烟气流速，减轻了省煤器的磨损，即 使采用与光管的烟气流速相同，由于烟气流过翅片管时形成附面层，产生旋涡，飞灰颗 6 山东大学硕士学位论文 粒撞击到管壁的机会就减少，因此工业上开始广泛应用。 从目前使用的多家螺旋翅片管束省煤器的运行情况来看，省煤器的结灰问题不严 重，并且容易清洁，只要定期吹灰清洁，翅片管侧的灰污不是十分严重。现有标准的灰 污系数为前苏联在实验研究烟气横向冲刷圆翅片管的基础上得出的，许多文献报道了螺 旋翅片管束省煤器的灰污系数要小于标准值1 3 1 , 山东省电力试验研究所的韩小岗对光管省煤器和螺旋翅片管省煤器进行了比较1 ， 发现改造后的螺旋翅片管省煤器比光管省煤器承压管总长度减少5 2 ，弯头数减少4 3 ，受热面总重量减少3 2 ，同时，受热面结构紧凑，烟气侧流阻降低，水侧流阻略有 增加。由于烟速降低，承压管总长度和弯头数减少，磨损速度、漏泄、爆管的几率将会 减少；再者，由于螺旋翅片的作用，烟气横掠冲刷角已不像光管集中在4 5 0 范围，而是 沿管表面相对均匀。因此，这种省煤器耐磨性显著提高了。由于在光管上焊上了螺旋肋 片，干扰了管道背流面局部负压区的形成，使靠近管壁的灰浓度降低。如在设计时选择 合理的烟气速度；布置采用合适的横向、纵向节距；制造安装检修各方面加以重视，积 灰和污染情况是可以解决的。 翅片管省煤器由于大幅度扩展了受热面，使传热得到强化，所以在与光管省煤器相 同空间的条件下，可以采用较低的烟气流速，而使省煤器的磨损减轻，在光管外面加装 螺旋翅片后，当烟气流过管子时，在翅片表面形成附面层，并可能出现小的旋涡区由 于两翅片的间距通常在l o 2 0 m m 左右，烟气中的大颗粒飞灰较难碰撞到基管的表面。 由于磨损主要是由大颗粒的飞灰造成的，因此，省煤器采用了翅片管结构形式后可以减 轻翅片管的磨损。而翅片的磨损，一方面是翅片基本上与烟气的流动方向平行，磨损较 轻；另一方面，即使磨损也只会使传热强化效果有所下降，对锅炉的安全运行将不会产 生大的影响。 1 3 本课题的研究内容 本课题将在热态下研究气固两相流在螺旋翅片管中的流动规律。 般认为，在热态条件下，如果飞灰颗粒在低于软化温度以下，则温度变化将不影 响其硬度，也不影响其外形，因此飞灰本身的的磨损性能基本上不随温度的变化而有所 改变。但是烟气温度的变化将影响到含灰气流的速度以及固相颗粒的分布规律，因此有 7 山东大学硕士学位论文 必要对热态下螺旋翅片管翅间气固两相流场流动特性进行研究。 针对对换热元件磨损起关键作用的固相颗粒的速度、浓度和粒径，在本论利用三维 粒子动态分析仪p d a ，围绕螺旋翅片管管外翅间气固两相流场流动特性展开理论研究和 热态实验研究，具体内容如下： ( 1 ) 对热态不同温度下的螺旋翅片管翅间固相颗粒的速度、浓度和粒径进行实验 测量及分析，与冷态下的基本规律作对比，分析温度对固相颗粒速度、浓度和粒径的影 响： ( 2 ) 分别对比相同基管直径下不同翅片高度和不同翅片间距对固相颗粒速度、浓 度和粒径分布的影响，为进一步优化螺旋翅片管的结构奠定基础； ( 3 ) 分析螺旋翅片管翅间固相颗粒的速度矢量，进一步研究螺旋翅片管的防磨机 理。 山东大学硕士学位论文 2 气固两相流研究概述 两相流动是自然界和工业过程( 特别是在机械、能源、化工、冶金、环保、石油、 轻工等领域) 中普遍存在的一种基本物理现象，它有着极其广泛的应用背景，有着大量 国民经济发展所亟待解决的课题。 与普通流体动力学类似，研究两相流问题的方法可以分为理论研究和实验研究两方 面。由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不甚清楚，许多工程设计都只能依靠大 量观察和测量建立起来的经验关系式，因此，实验研究与测量在两相流领域目前仍占据 着不可替代的首要地位。 从理论分析方法来看，仍然存在微观和宏观两种观点。微观分析法就是从分子运动 论出发，利用b o l t z m a n ( 波尔兹曼) 方程和统计平均概念及其理论，建立两相流中各相 的基本守恒方程。这种微观分析法可以作为一级近似从b o l t z m a n 方程导出宏观描述的 基本方程，对连续介质理论的基本方程的有效性取得一些指导性原则。同时还可以给出 关于粘性系数、导热系数等输运系数以及有关颗粒的分压，内能等等概念和状态参数的 重要知识，这些输运系数在宏观分析中只是作为流体状态变量的已知函数被引入的。应 该说两相流分子运动论在描述流动问题上有许多概念上的优点，可以比宏观的连续介质 理论给我们更多的知识，但由于物理上和数学上的许多困难，目前还不能使用分子运动 论来处理任何实际流动问题。对于两相流而言，气体分子运动论发展中的所有限制和困 难部依然存在，此外在粒子气体系统的分子运动论中还必须作一些附加的近似，如 气固两相流还必须考虑： ( 1 ) 粒子的尺寸分布； ( 2 ) 固体粒子的物理性； ( 3 ) n 体粒子问及固体粒子与气体分子间的碰撞过程等。 所谓宏观分析法，就是以连续介质假设为基础，将两相流中各相都视为连续介质流 体，根据每一相的质量、动量和能量宏观守恒方程以及相同相互作用，建立两相流的基 本方程组，再利用这些两相流基本方程去研究分析各种具体的两相流问题。在许多实际 问题中，我们所关心的不是单个物质粒子的运动而是大量粒子运动所产生的总效果，也 就是所谓的宏观量，如压强、密度、温度、平均流速等尽管把固相作为流体处理存在 许多局限性或不适当处，但迄今为止，在两相流及多相流领域的丰富成果大多数是以连 9 山东大学硕士学位论文 续介质为理论基础，通过理论与实践两方面的研究取得的。 2 1 气固两相流的基本理论 气固两相流不同于单相流，其中存在着一定浓度的颗粒，运动非常复杂，且浓度变 化不一。气固两相流有以下特点： 颗粒是分散相，其大小及运动规律各异。 颗粒及颗粒与壁面存在看相互碰撞，可对运动带来较大影响。 湍流工况下，颗粒与气流的脉动相互影响。 由于气流和颗粒惯性不同，气流与颗粒间存在着相对速度，因而存在着运动规 律的相互影响。 颗粒之间及颗粒与壁面的碰撞和磨擦可产主静电效应。 在不等温流动中存在着热泳现象。 流场中压力梯度和速度梯度的存在，及颗粒形状的不规则，颗粒之间及与壁面 的碰撞等原因均会引起颗粒高带旋，从而产生升力效应。 颗粒质量的变化，如颗粒在燃烧过程中的失重等。 两相流和单相流的主要差别在于两相之间存在着耦合作用，即两相间的相互作用，这 种相互作用包括质量、动量、能量和湍流间的相互作用。对稀相气固多相流来说，颗粒的 存在对气相影响很小，可不予考虑，这种情况称为单向耦合，即只认为气相特性单方面决 定着固相的运动情况。对浓相气固两相流来讲，不仅气相决定着固相的运动，同时固相对 气相的影响也不应忽略，这种情况称为双向耦合，这种两相间复杂的相互作用和交换机理， 是气固两相流湍流流动研究的关键。 2 2 气固两相流中颗粒的受力分析 颗粒悬浮于流体中的两相流动的主要特征是颗粒与流体的速度和温度不相等，因此 两相间存在相互作用力和热交换。气固两相流中颗粒受力情况非常复杂，主要受到下列 力的作用；阻力，重力和浮力，压力梯度力，虚假质量力，b a s s e t 力，m a g n u s 升力， s a f f m a a 升力等，在岑可法，樊建人( 1 9 9 0 ) 的专著中对气固两相流中的颗粒进行了受 山东大学硕士学位论文 力分析。 1 阻力 颗粒的阻力大小受到许多因素的影响，它 与颗粒的雷诺数r e 。、流体的湍流运动、流体 的可压缩性、流体与颗粒温度的差异、颗粒的y 形状、颗粒的燃烧速率，壁面的存在及颗粒群 的浓度等因素有关。因此，颗粒的阻力很难用 统一的形式表达。 现在来分析匀速、等温、不可压缩及无限大 流场的实际( 粘性) 流体绕球体流动时的情况。 由于流体有粘性，在颗粒表面有一粘性附 面层，它在颗粒表面上的压强和剪应力分布如 图2 一l 所示。球面上的压强随口的分布是不对 称的，颗粒受到与来流方向一致的合力，称压 oi 图2 1 实际流体绕球形颗粒流动 时颗粒表面上的压强和剪应力分 差阻力。另一方面，颗粒表面上的摩擦剪应力，其合力也与来流方向一致，称摩擦阻力。 因此，颗粒在粘性流体中运动时，流体作用于球体上的阻力由压差阻力和摩擦阻力组成。 为研究方便，引入阻力系数的概念，定义为： 巳= ( 2 - 1 ) 0 为球形颗粒半径；p s 为流体密度；k 为流体的速度；v ，为颗粒的速度，f 为阻 力，则： f = 孚c o p s 陈一习一万) ( 2 - 2 ) 则c 。依各种具体情况而定。 从理论上讲，阻力系数可以从不可压缩粘性流体绕球流动的纳维斯托克斯 ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程中获得。但由于球形颗粒表面的附面层非常复杂，只有极少数 特殊情况可从方程组导出计算式。目前，阻力系数主要依靠实验来确定。 从理论上导出的计算公式主要有s t o k e s 定律和o s e e n 公式。 翔 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) s t o k e s 定律 s t o k e s 于1 8 5 0 年在理论上研究了匀速流体绕球流动。因流体速度很低，颗粒雷诺数 r e 很低，可忽略n a v i e r - - s t o k e s 方程中的惯性项。他解得流体作用于球体上的力为 兄= 2 ：t p r p c v i 一匕) + 4 掣( 巧一) = 6 7 r t r p ( f y 一) ( 2 3 ) ( e - 差阻力)( 摩擦阻力) 式中 流体动力粘性系数 对于气相按下面经验关系式计算：= 1 1 8 4 6 x 1 0 - 7 以们乏( e a j ) ，其中心和乏分别 是气相平均相对分子量和气相温度。 由式( 2 3 ) 可见，阻力中的；是压差阻力，詈是摩擦阻力，由于没有考虑惯性项， 阻力与p ，无关。 由阻力公式得到阻力系数为 = 芸 (rc1)(2-4) 式中r e 颗粒雷诺数，r e ：2 r ：i v ：- l 。 式( 2 - - 4 ) 称为s t o k e s 定律，其适用范围为r e 1 ，满足s t o k e s 定律的流动称为斯 托克斯流，c i 称为斯托克斯阻力系数。 ( 2 ) o e e e n 公式 o s e e n 考虑了惯性项，于1 9 1 0 年推出乐流体作用于球体上的力为 尼= 6 掣( _ 一) ( 1 + 素r e ) ( 2 5 ) 阻力系数为 该公式可改写为 气= 鬈( i + 素r e ) ( r e 5 ) ( 2 - - 6 ) c d z c j 式中，f ( r e ) 称为惯性效应修正因子，是由惯性项引起的。对于o s e e n 公式 f f a e ) = l + 未r e 从实验得到的主要结果有牛顿n e w t o n 公式和标准阻力曲线。 。 ( 3 ) n e w t o n 公式 n e w t o n 在1 7 1 0 年进行了球体以很大速度在不可压缩粘性流体中作匀速运动的实 山东大学硕士学位论文 验。他得到流体作用于颗粒上的力为 乃= o 2 2 石2 乃7 ，2 ( 2 7 ) 阻力系数为 c o = 0 4 4 5 0 0 r e 2 1 0 5( 2 8 ) ( 4 ) 标准阻力曲线吲 经过大量实验得到的单个刚性球体在静止、等温、不可压缩及无限大流场的流体中 作匀速运动时的阻力系数与雷诺数之间的关系( 称为标准阻力曲线) 如图2 2 中曲线4 所示。图中也示出n e w t o n 公式，s t o k e s 定律和o s e e n 公式的曲线。由图可见，在这些 公式的适用范围内，它们与标准阻力曲线基本一致。 图2 - 2 阻力系数于雷诺数的关系 l 一斯托克斯定律；2 一奥森公式：3 一牛顿公式；4 一标准 c d 随r e 的变化没有统一的规律，难于用一个公式来精确地拟合。对于r e 0 2 ，可 用s t o k e s 定律；对于0 2 r e 8 0 0 的情况，可用下面的公式拟合： c d2 嚣( 1 + o 1 5 r e ) ( 2 _ 9 c d 随r e 变化的情况复杂，这是由流体绕球流动时球表面附面层和尾流的复杂情况 引起的。图2 2 中示出了不同雷诺数时的流型图，由流型图可以把阻力曲线分成4 个 区域。 i 区( r e 1 0 ) ：球表面为不脱体的层流附面层，尾流无脉动现象，c d 随r e 增加近 似地按直线规律下降。 i i 区( 1 0 r e 5 0 0 ) ：球面上有层流附面层脱体，在脱体点下游形成旋涡和尾流，当 雷诺数较小时，在球的后滞止点处形成小旋涡，当雷诺数较大时，涡的大小和强度进一 步增长，甚至发生涡系振荡。随着r e 增加，脱体点往上游移动，阻力曲线随r e 增加而 1 3 山东大学硕士学位论文 缓慢下降。 m 区( 5 0 0 r e 1 8 1 0 5 ) ：球面上存在由层流转换为湍流的附面层，附面层脱体点后移， 这不仅使尾流较小而且使球下游部分压力升高，从而大大地减小了阻力，如图5 一1 1 所示。由图可见，当及r e = 1 5 7 2 0 0 时，球面上为层流附面层，脱体点约在8 3 0 处，当 r e = 4 2 4 5 0 0 时，球面上为层流转换为湍流的附面层，脱体点约在1 4 0 0 处，脱体点大大 后移，球下游压力显著提高。 争1 o 。 o o 0 + 0 。o - o 一o 一1 一l 1 、 l l 1 s , l3 k s ， 蘸2 二 w 嘞烂 l us i ，一 、： r n j t j 1 匕i ! 洌i m 灏少t t 旧 “。， 图2 3 不同雷诺数时球面上压强分布 l l 沁= 1 5 7 2 0 0 ；c d = 0 4 7 1 ；2 - - r e = 2 5 1 3 0 0 ；c d = 0 3 1 3 ； 3 - - r e = 2 9 8 5 0 0 ；c d = o 1 5 1 ；4 - - r e = 4 2 4 5 0 0 ；c o = 0 1 4 3 ： m 一最低压力点；s 一附面层分离点；t 一层流附面层与湍流附面层 在计算中取： c 。= 羔矗 ( 2 1 0 ) 其中 r 铲垒查区二习 而无= 1 + 0 1 5 r e ；啪，当i 沁s 1 0 0 0 厶= 0 , 0 1 8 3 r e ，当r e ) 1 0 0 0 ( 2 1 1 ) 山东大学硕士学位论文 2 重力和浮力 对一自由下落的球形颗粒，所受的重力和浮力分别为： 瓦= 喜砟所g( 2 1 2 ) f 。2 吉群以g ( 2 - 1 3 ) 由于& 远小于办，二者之比一般为1 0 3 数量级，则只也就远小于。 3 压强梯度力 压强梯度力，即当颗粒在有压力梯度的流场中运动时，颗粒所受到的由于压力梯度 引起的作用力。 设颗粒所在范围内的压强梯度勿o x 为常数，图2 4 示出了由压强梯度引起的附 加压强分布的不均匀性。设流体在( - r p ，o ) 点的压强为p 。，则颗粒表面由压强梯度引起的 压强分布为 ， p = 岛+ r p ( i + c o s 口) 罢( 2 - 1 4 ) ， o p 瞄x 严 r 、 吝 毯 卜一 hi 3 ，。 图2 - 4 压力梯度引起的附加压强 流体作用于颗粒上的附加力为 川石哆f r ( 风+ r 0 + c o s o ) 罢) c o s g s i n o 棚叫扣，罢p 均 因此，压强梯度力f p 的方向与压强梯度孚的方向相反。大小等于颗粒体积与压强 c 梯度的乘积，这个力实际上是浮力。 山东大学硕士学位论文 考察压力梯度力与惯性力的比，f p 。2 五：互； ( 2 1 6 ) v8 p 8 p m p n pm p l t p p s a p 因为著* p 。口，这里口，为颗粒的加速度，吒为流体的加速度， 当a ，和口：相差不大的时候，压力梯度力远小于惯性力，其比约为1 0 。 4 视质量力 当球形颗粒在静止、不可压缩、无限大、无粘性流体中作匀速运动时，颗粒所受的 阻力