基于固液两相流的水煤浆喷嘴研究

第29卷第5期煤矿机械Vol. 29No 52008年5月Coal Mine Machinery基于固液两相流的水煤浆喷嘴研究李国威',张强,张辉(1辽宁工程技术大学机械学院,辽宁阜新1230002.辽宁阜新发电厂,辽宁阜新123000摘要:针对目前以煤代油技术日趋成熟,精细水煤浆在柴油机上燃烧、排放等问题研究已取得重要进展,而在供浆系统中燃烧器的重要部件—喷嘴的磨损和堵塞问题没有得到很好解决。对系统中燃料组成成分进行了分析(主要是固体煤粉颗粒、液体水及少量柴油和添加剂),在燃料供给过程中运用固液两相流理论对整个过程进行了动力学分析,给出了动量方程,并根据计算结果设计制造了一种新型喷嘴关键词:固液两相流;水煤浆;柴油机;燃烧;喷嘴中图分类号:TQ038.1文献标志码:A文章编号:1003-0794(200805004203Research 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 Univ2. Liaoning Fuxin Power Plant, Fuxin 123000, China)Fuxin 123000, ChinaAbstract: At present the technology for replacing oil with coal is mature increasingly. The study on which theultra-clean micronized coal water slurry combusts in the diesel engine and discharges from the diesel enginehas made the important progress, but the questions of the important part of combustor-spray nozzles wearand 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 basic condition of applyid- 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 ealculation data, akind of innovative spray nozzle has been developedKey words: liquid-solid two- phase luids; coal water slurry; diesel engine; combustion; spray nozzle0引言经过多年的探索研究水煤浆制备与燃烧实验F=2CCam△pcos0体流速的巨变易产生漩涡气蚀尖叫等异常现象;在式中C—流速系数;阀座拐角处形成漩涡区,在产生涡流的地方和节流C—流量系数;口处出现负压区,易产生气穴、气蚀现象,所以要合阀口周长理设计流道结构并选择耐磨耐蚀材料;合理设计阻阀口开度。尼行程以减小压力冲击。经计算可得稳态液动力理论计算值约为2093(2)在固定开口下理论计算的稳态液动力和仿真得到的相差较小,说明仿真的误差较小。另外,压N差越大阀芯受到的稳态液动力越大,稳态液动力在9.00+068.0+06公式计算时都是负值,即液动力是使阀芯趋于闭合7.00e+06的作用力,要合理设计流道以减小液动力。参考文献R40e6[]卞岳望高云峰.液控单向阀动态特性浅析[门山西矿业学院学报,1997(4):360-365[2]韩纪智.一种进口液控单向阀使用分析及改进[门]煤炭科学技[3]翟京,王勇,刘欣科液控单向阀卸载冲击的动态研究[煤矿1086-4-20246810开釆,200,28(4):89-92[4]盛敬超液压流体力学[M].北京:机械工业出版社,1980图6阀芯上压力分布中国煤化工水人,太原理工大学碳CNMHG:机电液一体化电子信(1)数值模拟分析表明:流体在流过节流口处速度发生突变,相同边界条件下开口越大流速越大,流收稿日期:2007-11-30第29卷第5期基于固液两相流的水煤浆喷嘴研究—李国威等Vo2N5室,掌握了制备超纯煤的技术,并成功地使用超纯煤由于固液两相的速度场不同,采用双流体模型在实验室制备了精细水煤浆,制浆技术已逐步成熟。分别建立液、固两相的动量方程。若用Cv表示两目前精细水煤浆在小容量取暖锅炉上基本实现了相流体中固相的体积浓度则在任一体积为V的直接代油燃烧;在柴油机上的流动、雾化燃烧的实两相流体中,液相的体积为(1-Cv)VM验正在进行中,油水煤浆代替柴油在小型高速柴油(1)液相的动量方程机上的燃烧试验获得重要进展。精细水煤浆是水煤du浆产品中的精品,其优良的性能指标和理想的雾化f-VP+UnV2Ⅱ+燃烧特性使其在小容量取暖锅炉上基本实现了直式中——液相流体的速度矢;接代油、代煤燃烧;在一定条件下在小型高速柴油机P—液相密度;上代替柴油燃烧,实践证明是可行的。由于柴油机∫单位质量液体的质量力矢量;的使用范围广泛,数量庞大,因此,它的研究试验成F4单位体积两相流体中固相对液相的作功,对节约石油资源、开辟煤炭新的应用途径有着特用力矢量别重要的意义。Un流体的运动黏度喷嘴是柴油机上主要的精密部件,也是液体燃P——液体的压强料燃烧器的一个重要组成部分,为了使液体燃料能(2)固相的动量方程高效地燃烧,关键是燃料应该雾化良好。体积为V的第讠个固体颗粒的动量方程为水煤浆在燃烧之前需进行雾化。水煤浆雾化为du细小液滴后,表面积得到极大提高,有利于提高燃烧pd=V-后-Pad4+J(2)时热和质的交换速率,加快燃烧过程,提高燃烧效式中L第i个固体颗粒的速度矢量;率,增进燃烧稳定性。然而,水煤浆的特殊性质和物P—固相密度;理组成给自身的雾化带来了难题:(1)水煤浆是高浓∫—第i个单位质量固体的质量力矢量;度的煤粒悬浮体,在传统的燃油喷嘴中容易发生堵作用在固相单位面积上的压力分布函塞和磨损;(2)水煤浆为非牛顿流体,其流变学特性数多种多样,而且均具有很高的表观黏度;(3)水煤浆的热值相对于燃油低很多,要取代油进行燃烧,需要∫6—附加质量力,后=CcpH、d-);较大的燃料流量。水煤浆燃料和燃油最大区别在于f—液体对固体颗粒的作用力矢量。它是高浓度颗粒的悬浮体,容易对喷嘴造成磨损和因为固液两相在流场中同一位置所受到的压堵塞。在水煤浆发展的早期直接对燃油喷嘴进行力相同,所以颗粒所受压力可用液相类似的方法来改造应用于水煤浆的雾化。为防止喷嘴的磨损,采表示,即用单位体积所受压力来表示用硬质材料对喷嘴易磨损部位进行填充或表面喷PadA= V, V p.涂;为防止水煤浆的阻塞,对燃油喷嘴的燃料通道简若用N表示两相流中单位体积的固体颗粒数,单地增大。前一种处理方法直接提高了喷嘴的成则1固液两相流理论在水煤浆喷嘴上的应用水煤浆是由60%~70%的精细煤粉和30%油的喷嘴中,只是燃烧液态柴油,不存在固体颗粒方据动量的迭加原理,可得固体颗粒群的动量40%的水分以及少量的添加剂组成。在以往燃烧柴对于燃烧水煤浆已经不适用,从而提出固液两相流p2a=P2几-2-vvp+体理论并应用在新型的喷嘴设计中。为了得到固液两相流体在喷嘴过流表面的边界f(3)层方程,需要建立黏性流体固液两相流的基本方程若用乱√√、P代表固相的平均流动特性,式。依据N-S方程,考虑到液固之间的相间耦合,则式在基本假设条件下建立黏性流体固液两相流的方中国煤化工程。CNMHGVP+nA (4)基本假设:①假设固相由均匀球形颗粒组成;②若单位体积两相流体中液相对固相的作用力为忽略固相颗粒之间的作用力。F,则有v=F,连同附加质量力f一起代人式Vol. 29No 5基于固液两相流的水煤浆喷嘴研究—李国威,等第29卷第5期(4),整理后得射流迅速扩展,从而雾化成许多小液滴e,'di - o di f.-lvp#Cd(1+C:)(5)图1为简单离心式雾化喷嘴,其基本结构是由雾化片、旋流片和分流片组成。燃料经过第1个分(3)固相液相连续方程配器被分割成几股小液流,由背面的环形槽进入第固液两相流体的连续方程是质量守恒定律的具2个旋流片的3片小孔,再由切向槽进入中间的大体表现两相流体的每一相都满足组元质量的连续孔在大孔中产生旋转运行。这个大孔称为旋涡室条件。最后水煤浆从第3个雾化片的中间小孔喷出对于固相a(e, Ce).a(p,Cu,(6)或2+y(x,)=0其中固相浓度系数x。=PC对于液相p(1-C),(1-C)0(7)或+y·x]=0图1简单离心式机械喷嘴其中液相浓度系数x=P/(1-C)1.雾化片2.旋流片3.分流片(4)固液两相流的一般方程3结语综上所述,黏性固液两相流体的一般方程式可为了检验新型喷嘴的雾化性能,应用油水煤浆表示为M28对其进行实际测量,得到表1数据。①液相动量方程和连续方程表1在不同喷浆器启喷压力时浆滴的特征参数du 1启喷压力比表面积P+ Um/MPaDo. /m Do. 1/pm Do.9/um SMD/60.85+v·(x)=011.690.57031320.39448132.1412.450.5355②固相动量方程和连续方程新喷嘴的主要优点是:系统和喷嘴结构简单,不用雾化介质能量消耗较少,火焰短而粗流量密度分(+2=n-c出=-2p*工精度要求高小容量喷嘴易积炭堵塞化细度受V·(xa,)=0液压影响大,要求雾化得细则油压要求很高,但新③固液两相流体相间耦合方程的喷嘴对以煤代油技术的进一步发展有推动作用。Fy=-Fs(10)朱永新柴油机燃料特性及其应用[M].北京:北方交通大学出式(8)式(9)和式(10)是黏性流体固液两相流的)版:99机燃烧与排放学M西安:西安交通大学出版杜,一般方程。它既适合于主流区两相流场的分析,也适合于边界层内流体运动规律的研究。根据边界层流罪原准小速豪油机烧出耕先动的力学特性及过流表面的边界条件进行简化可得(51精雄期备与燃烧关键设备的研制1m到固液两相流体在边界层区域所遵循的主要规律。[6]姚强.水煤浆燃烧技术和水煤浆在燃烧室中燃烧过程的研究2水煤浆喷嘴的设计].杭州:浙江大学热能系,19927]何希杰,离心泵理论及设计方法的发展[].华北水泵,1993(2)根据以上理论并通过计算设计了一种新型机(8练次吕两相流泵的理论与设计(M1北京:兵器工业出版社械雾化喷嘴,原理是高压固液混合燃料通过切向槽和旋涡室使混合体燃料强烈旋转,再经过喷孔喷出,[9]蔡保元离心泵的“二相流”理论和设计原理[J]科学通报,1983在离心力的作用下使射流径向膨胀,形成空心雾化[10]郭自杰陆逢升关于两相流基础理论讨论[J].水泵技术,1996锥体。燃料在一定压力差作用下沿切向孔(或槽)进[1刘中国煤化工教育出版社,93个旋转动量可以保持到喷嘴出口。当混合体燃料流人喷嘴旋流室,在其中产生髙速旋转获得转动量,这CNMHG,硕土,讲师,辽宁工程x刀同八承仅不出孔口时,壁面约束突然消失,于是在离心力作用下收稿日期:2007-1206