基于固液兩相流的水煤漿噴嘴研究

第29卷第5期2008年5月Coal Mine MachineryMay.2008基于固液兩相流的水煤漿噴嘴研究李國威',張強,張輝(1遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械學(xué)院,遼寧阜新1230002.遼寧阜新發(fā)電廠(chǎng),遼寧阜新123000摘要:針對目前以煤代油技術(shù)日趨成熟,精細水煤漿在柴油機上燃燒、排放等問(wèn)題研究已取得重要進(jìn)展,而在供漿系統中燃燒器的重要部件—噴嘴的磨損和堵塞問(wèn)題沒(méi)有得到很好解決。對系統中燃料組成成分進(jìn)行了分析(主要是固體煤粉顆粒、液體水及少量柴油和添加劑),在燃料供給過(guò)程中運用固液兩相流理論對整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,給出了動(dòng)量方程,并根據計算結果設制造了一種新型噴嘴關(guān)鍵詞:固液兩相流;水煤漿;柴油機;燃燒;噴嘴中圖分類(lèi)號:mQ038.1文獻標志碼:A文章編號:1003-0794(2008)05004203Research on Coal Water Slurry Spray Nozzle Base on Liquid-solidTwo-phase FluidsLI Guo-wei, ZHANG Qiang, ZHANG Hui(1. Mechanical College of Liaoning Engineering Technical University, Fuxin 123000,China2. Liaoning Fuxin Power Plant, Fuxin 123000, China)for replacing oil with coal is matureclean micronized coal water slurry combusts in the diesel engine and discharges from the dieselhas made the important progress, but the questions of the important part of combustor- spray nozzle'ngineand jam have not been solved well. In view of this question, analyses the elements of the fuel in diesel engine,(it is made of solid coal granule, liquid, a few diesel oil and additive). The components accords with the ba-sic condition of applying liquid -solid two- phase fluids theory. During fuel supply applying the theory, spraynozzle's dynamic analysis has been done. Based on the analysis result and the theoretical calculation datakind of innovative spray nozzle has been developedKey words: liquid- solid two- phase fluids; coal water slurry; diesel engine; combustion; spray nozzle0引言經(jīng)過(guò)多年的探索研究水煤漿制備與燃燒實(shí)驗F,=2C4C,x△pcs0體流速的巨變易產(chǎn)生漩渦氣蝕、尖叫等異?，F象;在式中C.—流速系數;閥座拐角處形成漩渦區,在產(chǎn)生渦流的地方和節流C—流量系數;口處出現負壓區,易產(chǎn)生氣穴、氣蝕現象,所以要合a——閥口周長(cháng)理設計流道結構并選擇耐磨耐蝕材料;合理設計阻閥口開(kāi)度。尼行程以減小壓力沖擊。(2)在固定開(kāi)口下理論計算的穩態(tài)液動(dòng)力和仿N經(jīng)計算可得穩態(tài)液動(dòng)力理論計算值約為2093真得到的相差較小,說(shuō)明仿真的誤差較小。另外,壓差越大閥芯受到的穩態(tài)液動(dòng)力越大,穩態(tài)液動(dòng)力在9.000+06公式計算時(shí)都是負值,即液動(dòng)力是使閥芯趨于閉合8.e+067.00+06的作用力,要合理設計流道以減小液動(dòng)力。參考文獻[1]卞岳望,高云峰.液控單向閥動(dòng)態(tài)特性淺析[門(mén)山西礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1997(4):360-3653.D0e+062.00e+06[2]韓紀智一種進(jìn)口液控單向閥使用分析及改進(jìn)[]煤炭科學(xué)技100+06術(shù),2003(12):85-87[3]翟京,王勇,劉欣科液控單向閥卸載沖擊的動(dòng)態(tài)研究[J煤礦10-8-6-4-20246810開(kāi)釆,207,28(4):89-92兩花位置/m[4]盛敬超液壓流體力學(xué)[M]北京:機械工業(yè)出版社,1980圖6閥芯上壓力分作者筒介:岳大靈(1982-),女,河南商水人,太原理工大學(xué)碩6結語(yǔ)士研究生,機械設計與理論專(zhuān)業(yè),研究方向:機電液一體化,電子信(1)數值模擬分析表明:流體在流過(guò)節流口處速Al:yuecaling3626@163.com.度發(fā)生突變,相同邊界條件下開(kāi)口越大流速越大,流收稿日期:2007-113042第29卷第5期基于固液兩相流的水煤漿噴嘴研究—李國威,等Vol 29室,掌握了制備超純煤的技術(shù),并成功地使用超純煤由于固液兩相的速度場(chǎng)不同,采用雙流體模型在實(shí)驗室制備了精細水煤漿制漿技術(shù)已逐步成熟。分別建立液、固兩相的動(dòng)量方程。若用Cy表示兩目前精細水煤漿在小容量取暖鍋爐上基本實(shí)現了相流體中固相的體積濃度則在任一體積為v的直接代油燃燒;在柴油機上的流動(dòng)霧化燃燒的實(shí)兩相流體中,液相的體積為(1-C)V驗正在進(jìn)行中,油水煤漿代替柴油在小型高速柴油(1)液相的動(dòng)量方程機上的燃燒試驗獲得重要進(jìn)展。精細水煤漿是水煤du1f -Vp+UV(1)漿產(chǎn)品中的精品,其優(yōu)良的性能指標和理想的霧化、燃燒特性,使其在小容量取暖鍋爐上基本實(shí)現了直式中液相流體的速度矢;接代油、代煤燃燒;在一定條件下在小型高速柴油機P—液相密度上代替柴油燃燒,實(shí)踐證明是可行的。由于柴油機∫單位質(zhì)量液體的質(zhì)量力矢量;的使用范圍廣泛,數量龐大,因此,它的研究試驗成F單位體積兩相流體中固相對液相的作功,對節約石油資源、開(kāi)辟煤炭新的應用途徑有著(zhù)特用力矢量別重要的意義。Un—流體的運動(dòng)黏度;噴嘴是柴油機上主要的精密部件,也是液體燃P液體的壓強料燃燒器的一個(gè)重要組成部分,為了使液體燃料能(2)固相的動(dòng)量方程髙效地燃燒,關(guān)鍵是燃料應該霧化良好。體積為V的第i個(gè)固體顆粒的動(dòng)量方程為水煤漿在燃燒之前需進(jìn)行霧化。水煤漿霧化為細小液滴后,表面積得到極大提高,有利于提高燃燒出=W-后-「Pd+(2)時(shí)熱和質(zhì)的交換速率加快燃燒過(guò)程提高燃燒效式中—第i個(gè)固體顆粒的速度矢量;率,增進(jìn)燃燒穩定性。然而,水煤漿的特殊性質(zhì)和物P—固相密度;理組成給自身的霧化帶來(lái)了難題:(1)水煤漿是高濃∫—第i個(gè)單位質(zhì)量固體的質(zhì)量力矢量;度的煤粒懸浮體,在傳統的燃油噴嘴中容易發(fā)生堵P—作用在固相單位面積上的壓力分布函塞和磨損;(2)水煤漿為非牛頓流體,其流變學(xué)特性數多種多樣,而且均具有很高的表觀(guān)黏度;(3)水煤漿∫6—附加質(zhì)量力,f6=CepV(d-d);的熱值相對于燃油低很多,要取代油進(jìn)行燃燒,需要較大的燃料流量。水煤漿燃料和燃油最大區別在于—液體對固體顆粒的作用力矢量。它是高濃度顆粒的懸浮體,容易對噴嘴造成磨損和因為固液兩相在流場(chǎng)中同一位置所受到的壓堵塞。在水煤漿發(fā)展的早期直接對燃油噴嘴進(jìn)行力相同,所以顆粒所受壓力可用液相類(lèi)似的方法來(lái)改造應用于水煤漿的霧化。為防止噴嘴的磨損,采表示,即用單位體積所受壓力來(lái)表示用硬質(zhì)材料對噴嘴易磨損部位進(jìn)行填充或表面噴Pada V, V p.涂;為防止水煤漿的阻塞,對燃油噴嘴的燃料通道簡(jiǎn)若用N表示兩相流中單位體積的固體顆粒數,單地增大。前一種處理方法直接提高了噴嘴的成則1固液兩相流理論在水煤漿噴嘴上的應用水煤漿是由60%~70%的精細煤粉和30%~根據動(dòng)量的迭加原理,可得固體顆粒群的動(dòng)量40%的水分以及少量的添加劑組成。在以往燃燒柴油的噴嘴中,只是燃燒液態(tài)柴油,不存在固體顆粒。方程對于燃燒水煤漿已經(jīng)不適用,從而提出固液兩相流p2a=2-2-.Vp+體理論并應用在新型的噴嘴設計中。為了得到固液兩相流體在噴嘴過(guò)流表面的邊界∑(3)層方程,需要建立黏性流體固液兩相流的基本方程若用亂√,√、P代表固相的平均流動(dòng)特性式。依據N-S方程,考慮到液固之間的相間耦合,則式(3)為在基本假設條件下建立黏性流體固液兩相流的方程P, V,n d:=P, V nf, - e-V, nVp+nf(4)基本假設:①假設固相由均勻球形顆粒組成;②若單位體積兩相流體中液相對固相的作用力為忽略固相顆粒之間的作用力。F,則有v=F,連同附加質(zhì)量力f一起代人式43Vol. 29No 5基于固液兩相流的水煤漿噴嘴研究——李國威,等第29卷第5期(4),整理后得射流迅速擴展,從而霧化成許多小液滴。(1+cn)-c出圖1為簡(jiǎn)單離心式霧化噴嘴,其基本結構是由Ad= CVP+Fs(5)霧化片、旋流片和分流片組成。燃料經(jīng)過(guò)第1個(gè)分(3)固相液相連續方程配器被分割成幾股小液流,由背面的環(huán)形槽進(jìn)入第固液兩相流體的連續方程是質(zhì)量守恒定律的具2個(gè)旋流片的3片小孔,再由切向槽進(jìn)入中間的大體表現兩相流體的每一相都滿(mǎn)足組元質(zhì)量的連續孔在大孔中產(chǎn)生旋轉運行。這個(gè)大孔稱(chēng)為旋渦室。條件。最后水煤漿從第3個(gè)霧化片的中間小孔噴出。對于固相a(p, C,).a(p, C u,)(6)或其中固相濃度系數x。=pC對于液相叫B-c)p(1-c)20(7)+V·[x,]=0其中液相濃度系數x=9(1-C)圖1簡(jiǎn)單離心式機械噴嘴1.霧化片2.旋流片3.分流片(4)固液兩相流的一般方程結語(yǔ)綜上所述,黏性固液兩相流體的一般方程式可為了檢驗新型噴嘴的霧化性能,應用油水煤漿表示為M28對其進(jìn)行實(shí)際測量,得到表1數據。①液相動(dòng)量方程和連續方程表1在不同噴漿器啟噴壓力時(shí)漿滴的特征參數啟噴壓力比表面積dusfr-psDo.s/m Do. 1/um Do.9/Am SMDvp+Um V10.654.7326.11512.586.13l1.690.570314②固相動(dòng)量方程和連續方程新噴嘴的主要優(yōu)點(diǎn)是:系統和噴嘴結構簡(jiǎn)單,不用霧化介質(zhì),能量消耗較少,火焰短而粗流量密度分+只(x減÷d=-nVpx(9)工精度要求高;小容量噴嘴易積炭堵塞霧化細度受布比較均勻,操作方便。但也存在不足之處,如:加液壓影響大,要求霧化得細,則油壓要求很高,但新③固液兩相流體相間耦合方程的噴嘴對以煤代油技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有推動(dòng)作用。Fy=-FR參考文獻[]朱永新.柴油機燃料特性及其應用[M].北京:北方交通大學(xué)出式(8)式(9)和式(10)是黏性流體固液兩相流的[2]蔣德明.內燃機燃燒與排放學(xué)[M]西安西安交通大學(xué)出版社一般方程。它既適合于主流區兩相流場(chǎng)的分析,也適合于邊界層內流體運動(dòng)規律的研究。根據邊界層流鄧東密?chē)娮毂迷砼c調試[M].北京;機械工業(yè)出版社,1988.柴保明精細油水煤漿在小型高速柴油機上燃燒的研究[D].北動(dòng)的力學(xué)特性及過(guò)流表面的邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化可得京:中國礦業(yè)大學(xué),2003[5]王新文精細水煤漿制備與燃燒關(guān)鍵設備的研制R],2003到固液兩相流體在邊界層區域所遵循的主要規律[6]姚強.水煤漿燃燒技術(shù)和水煤漿在燃燒室中燃燒過(guò)程的研究2水煤漿噴嘴的設計[7何希杰,離心泵理論及設計方法的發(fā)展[].華北水泵,1993(2):根據以上理論,并通過(guò)計算設計了一種新型機[8陳次昌.兩相流泵的理論與設計[M].北京:兵器工業(yè)出版社械霧化噴嘴,原理是高壓固液混合燃料通過(guò)切向槽和旋渦室使混合體燃料強烈旋轉,再經(jīng)過(guò)噴孔噴出,[9]蔡保元離心泵的“二相流”理論和設計原理[J]科學(xué)通報,19838):498-502在離心力的作用下使射流徑向膨脹,形成空心霧化[10]郭自杰,陸逢升關(guān)于兩相流基礎理論討論[J].水泵技術(shù),19%6(2):23-25,2錐體。燃料在一定壓力差作用下沿切向孔(或槽)進(jìn)1劉大有兩相流體動(dòng)力學(xué)M北京:高等教育出版社,19人噴嘴旋流室,在其中產(chǎn)生髙速旋轉獲得轉動(dòng)量,這者簡(jiǎn)介:李國威(1978-),遼寧營(yíng)口人,碩士,講師遼寧工程個(gè)旋轉動(dòng)量可以保持到噴嘴出口。當混合體燃料流技術(shù)大學(xué)機械學(xué)院,主要研究方向為水泵技術(shù)出孔口時(shí),壁面約束突然消失,于是在離心力作用下收稿日期:2007-1206