实验采用的灰分是高炉炼铁厂中烧结产生的真实灰分，共有4种样本，分别标记有1、2、3、4号，粒径按序号增大。4种灰分的粒径大小，见 表1 ：

实验装置主要由加热系统、加灰系统、测试段、过滤系统四个部分组成。加热系统中空压机输出给定气流，调整空压机阀门，观测微压计读数，维持进气流量恒定；温控装置调节进气温度。加灰系统中，通过控制直流电机调节螺旋给料机的给料速度，另外通过USB转RS485转换器将浓度检测仪的实时监测浓度传输记录在计算机上，观察浓度仪示数，调节给料速率，以此来维持目标浓度。测试段放置实验试件，一定温度、一定流量的含灰气流吹向试件，管道采用盖板式，方便试件取放称量质量。过滤系统中滤网安装在换热器后方，含灰气流经滤网净化为较洁净气流排入空气中。

实验台见 图1 。永磁变频螺杆式空压机、加热器、K型热电偶温度探头、智能数显温控仪、微压计、浓度检测仪、螺旋给料机、筛子、直流电机调速器、220转24 V变压器、220转12 V变压器、USB转RS485转换器、电子计数秤、计算机。

灰分在管道内随气流方向向前运动，少部分粒径较大的灰分颗粒由于气流难以吹动，从给料口直接沉到管道底部，另一部分在管道底部缓慢向前运动；那些粒径中等的灰分颗粒由于受到气流及自身重力影响，随气流方向运动一段后，自由落体到管道底部；大部分粒径较小的灰分颗粒随气流吹向试件，一部分沉积在试件上，另一部分穿过试件到达试件下游段。灰分在管道内的运动，如 图2 所示：

实验选取装翅片有效高度为150 mm，翅片宽度为151.8 mm的波纹翅片换热器试件，具体试件实物见 图3 ，相应的结构参数见 表2 。

(一) 实验前准备

1) 用不同目数的筛子筛取粉尘，分出不同粒径区间的粉尘，根据实际要求，按照1:1:1:1的比例配比实验用灰。

2) 完成实验台的组装。在实验前，将空压机与加热器打开，对管道和换热器试件进行干燥除灰，然后放在电子秤上称重；另外测量试件参数，计算出空气流通面积，以备后面计算使用。

3) 将干燥后的试件放进试验段前端，最后密封试验段。

(二) 实验步骤

1) 打开空压机、加热器和浓度检测仪，待系统调试稳定，打开螺旋给料机通过调节调速器调整进灰速率为0.07 g/s，每次加灰量63.2 g，向管道中注入实验粉尘，经过混合段管道充分混合后，将一定浓度的粉尘吹向试件。

2) 通过不断调节空压机功率以及螺旋给料机电机转速，调节加热器功率使之维持在190℃，实现空气质量流量稳定在0.05 kg/s (气流平均速度为36.6 m/s)；使用K型热电偶测量换热器进口段含尘气流的温度；使用倾斜式微压计测量换热器进口全压和静压，以此得到管道流量。

3) 实验运行3小时，待温度降下来后，取出试件称重得到增加质量。扫取试件前段粉尘并称重记录，记录加灰次数及每次加灰量，以便后面计算总通过换热器试件的灰分质量，以此得试件上的集灰率。

1) 空气质量流量计算：

$\rho =\frac{P_1+P_2}{R_{g}T}$(1)

式中，P₁为大气压(Pa)，P₂为管道静压(Pa)，R_g为摩尔气体常数，定值287.1 J/(kg.K)，T为进口空气温度(K)。

$\stackrel{\dot{}}{m}=\rho A_1\sqrt{2P_3/2}$(2)

式中， $\stackrel{\dot{}}{m}$为空气质量流量(kg/s)，P₃为管道动压(Pa)，A₁为毕托管处管道截面面积(m²)。

2) 螺旋给料机给料速率计算：

$v=\frac{\stackrel{\dot{}}{m}}{\rho }\omega$(3)

式中，v为给料速率(g/s)，ω为试验段检测浓度(g/m³)。

3) 试件前段积灰占总给料量比例：

$\alpha =\frac{m_1}{m_{2}N}\times 100\%$(4)

式中， $m_1$为试件前段粉尘质量(kg)， $m_2$为每次加灰质量(kg)，N为加灰次数。

4) 沉积率：

$\beta =\frac{m_3}{m_{2}N-m_1}\times 100\%$(5)

以此来定义试件上粉尘沉积率，式中 $m_3$为实验结束后试件增加的质量即沉积在试件上的灰量，β为沉积率。

5) 浓度计算：

$\gamma =\frac{m_{2}N}{{\stackrel{\dot{}}{v}}_a\tau }$(6)

式中， $\gamma$为管内灰尘浓度(g/m³)， ${\stackrel{\dot{}}{v}}_a$为空气的平均体积流量(m³/h)， $\tau$为实验时间(h)。

以试件一为例， 图7 为试件一实验后迎风面和背风面上灰分沉积的真实情况图，灰分主要集中在试件背风面的翅片和换热管上，迎风面翅片的前缘有少部分灰分堆积；后段换热管上灰分沉积量比前段换热管多，另外试件的下半部分灰分沉积量明显比上半部分多，通过分析试件表面灰分分布情况可知，由于翅片前缘正对含灰气流，灰分颗粒直接撞击在翅片前缘并堆积在其上，还有换热管的背风面形成涡，气流带着灰分撞击换热管并沉积在上面，结垢点形成使得灰分大量沉积 [7] 。另外试件上下部分沉积量明显不同，得知灰分的粒径大小和质量不同影响了灰分的沉积。

图8(a) 是靠近试件出口的灰尘分布实况图，可以看出，靠近管道的右下侧部分，近乎没有灰尘沉积。这是由于试件加工及管道制作过程中存在一定的误差，试件右下端没有贴近管道下壁面，两者之间还留有缝隙，所以部分灰尘直接通过试件下端到达试件后端管道，所以，实验前需观察并确保试件与管道下壁的贴合程度。

另外，试验段管道上面的左右两侧存在少部分灰尘，这是由于管道上方的盖壳没有密封完全，导致灰尘从管道内跑出，所以，实验前需在盖壳上方放置一定重物，保证测试段管道的密封性。

图8(b) 和 图8(c) 是试件后段管道灰尘分布实况图，可以看出灰尘呈现波纹式分布，普遍是粒径大的灰尘颗粒，这是由于粒径、质量小的灰尘随空气运动跑出管道，到达后面的滤网上，粒径、质量较大的灰尘由于流过试件后的空气不足以带动它继续流动，大部分都堆积在试件下游，呈波纹状分布。

图9(a) 是试件前段管道内灰尘分布情况，可以看出灰尘的粒径都比较大，这是由于灰尘的粒径比较大，质量比粒径小的灰尘大，管道内的空气带不走这些大粒径灰尘，粒径及质量比较大的灰分颗粒甚至从给料机进入管道就直接沉积在管道底部。随着管内空气源源不断输送，一部分沉积在给料口下端，另一部分大粒径的灰尘慢慢被带到试件前段的管道内，呈波纹形状分布。通过分析试件上游灰分分布情况，由于灰分颗粒粒径质量不一，受重力作用的影响，灰分在管道内混合不均匀，由此得知灰分的粒径及质量对实验存在一定的影响。

图9(b) 是试件位置取出后的实况图，可以看出管道左边灰尘较多，试件换热管位置处也存在少量灰尘，试件中换热管上端的孔没有密封。通过试件周边灰分分布情况得知，灰尘在空气吹动下，在管道内混合到处分布，一部分灰尘跑到试件上端换热管处，进而被圈在换热管内，待实验结束后，空压机不再工作，由于重力作用，落在管内的下端口的位置，从而在放置试件的位置也存在灰尘。