水煤浆流经局部管件阻力特性的研究

第28卷第26期中国电机工程学报Vol28No26Sep.15,2008008年9月15日@2008 Chin. Soc. for Elec En文章编号:02588013(2008)26004006中图分类号:O373文献标志码:A学科分类号:47020水煤浆流经局部管件阻力特性的研究刘猛,陈良勇,段钰锋(东南大学热能工程研究所,江苏省南京市210096)Research on Resistance Characteristic of Coal-water SlurryFlowing Through the Local FittingsLIU Meng, CHEN Liang-yong, DUAN Yu-feng(Institute of Thermal Power Engineering, Southeast University, NanJing 210096, Jiangsu Province, China)ABSTRACTe The local resistance characteristics of coal-water迅速下降然后逐渐趋于稳定,而渐缩管当量长度与管径的比sumy(cws) nowing through three types of local fittings,值L/D逐渐下降然后趋于稳定:突缩管的LD先下降再增namely. the gradual contraction, sudden contraction and90°加,对于弯管的LD则成线性增加horizontal bend, were investigated at a comprehensive关键词:水煤浆;渐缩管:突缩管:弯管meters such as contract degree, diameter ratio and bend0引言diameter ratio on the local resistance loss of local fittings was水煤浆是一种典型的液固两相非牛顿流体,也measured. The results show that the local friction loss of是一种很有发展潜力的新型燃料。月前水煤浆的技gradual contraction decreases as the contract degree increases术研究主要集中在制浆、雾化燃烧、流变特性、触When the pipe diameter ratio varies a little, the local resistance变性、稳定性等方面,但在管道输送方面尚有许ges insignificantly. There isoptimal value of bend diameter ratio, where the local resistance多问题需要解决,如管道泵的特性,管道阻力的预loss of horizontal bend is least. As Reynolds number increases,测,管道局部装置流动阻力的计算等等,特别对局the friction loss coefficients of three fittings decline fast at first,部管件中的流动研究甚少,而国外一些学者1对and then gradually tend to be constant values, while the three非牛顿流体流经突扩、突缩、弯管、阀门等局部管pipes have different ratio of equivalent length to pipe diameter件的阻力特性做了许多研究,并且提出了一些经验Ld behaviors that is L/d of the gradual contraction decreases公式。但是针对水煤浆这种高粘度(工业运用要求剪切速率为100s1时表观粘度低于1200mPa)的非reduces at first and then increases. and that of the horizontal牛顿流体流经局部管件阻力特性的研究并不多见,bend increases linearly所以开展水煤浆流经局部管件阻力特性的研究对KEY WORDS: coal-water slurry: gradual contraction; sudden水煤浆管道输送的工业应用和设计有重要意义contraction: bend为了扩大气化炉的单炉容量,H前国内外较多摘要:在水煤浆综合输送试验台研究了水煤浆流经渐缩地采用多喷嘴对置工艺,但是在多喷嘴对置撞击流管、突缩管以及90°水平弯管的局部阻力特性,分析了渐缩中存在着一个很重要的现象就是撞击面的偏移现角、管径比以及弯径比对上述局部管件阻力损失的影响结象。许多学者1214在研究两喷嘴对置撞击流时都发表明,增加渐缩角使得渐缩管的局部阻力损失减少;较小现了撞击面与轴线的几何中心不重合,而撞击面的的管径比变化对突缩管的局部阻力损失没有较大影响:存在个最佳弯径比,使得水平弯管的局部阻力损失最小。随着偏移对多喷嘴气化炉的燃烧效率以及维修等都造雷诺数的增加,渐缩管、突缩管以及水平弯管的阻力系数先成了不利的影响S。许建良等人通过实验证实了中国煤化工嘴对置撞击面发生基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(93项目200C0较CNMHG相等的一个重要原217701)因就是浆体在流经喷嘴乙丽的管道时阻力损失不The National Basic Research Program of China (973 Program2004CB217701)均衡,使得喷嘴的动量不相等,从而导致了在撞击第26期刘猛等:水煤浆流经局部管件阻力特性的研究面上冲量的不平衡,但是月前国内外对煤浆流经式中:O为弯管所对应的角度:R为弯管的弯曲半各种局部管件阻力损失均衡的研究还不多见。本文径;D为圆管直径。对于弯管阻力系数采用了Ks,详细研究了水煤浆流经渐缩管、突缩管和弯管的局则由式(3)和(4可得下式612部阻力损失,同时探讨了局部管件与直管之间阻力Keel=k-ne损失均衡的规律。1理论分析Chasin18、 boger19、 Spedding22等人采用与局部管件阻力损失相等的管径为D、长度为L的直如图1所示,水煤浆流经局部管件的压力损失管沿程阻力损失来研究非牛顿流体流经局部管件△Pua主要包括3个部分:的阻力特性,把局部管件阻力损失与直管阻力损失P()相联系。据L的定义和式(2),通过下式可得到L式中:△P为局部管件对上游流动造成的损失△Pha为流体流经局部管件段所产生的损失,包括了与局部管件实际长度相等的沿程阻力损失APsTurian认为局部管件的L不仅与管件的几何以及管件自身所产生的几何损失△Po:APn为局尺寸和雷诺数有关,还和浆体的流变特性以及管道部管件对下游流动造成的损失。通过下式可以得到的粗糙度有关:L /D=K/(4f)式中∫为范宁摩擦系数,户=16RegP1=AP-△P-AP,=△P2试验系统以及方法22对本所原有的水煤浆输送装置进行改造,如图式中:△P;和△P2分别为局部管件前后稳定段的沿2所示,水煤浆输送测量装置主要包括搅拌装置、程阻力损失:L1和L2、D1和D2以及v和n2分别浆料罐、螺杆泵、循环回路和数据测量采集系统,为局部管件前后稳定段的长度、管径以及流速:尸图螺杆泉送入循环回路,经试验管段和电磁流量计为煤浆的密度对于阻力系数采用Daey,weih后送同媒浆罐循环使用,流量改变通过调节螺杆泵摩擦阻力系数:164BR,其中R为广义雷诺数。的转速实现,试验中最大流量为20m/h试验管段上压力降和流量分别用隔膜差压计和电磁流量计测量,测量精度为±1%,2种信号均送入数字采集APo系统。在循环回路中设有换热装置,试验过程中通过调节冷却水量来调节和稳定浆料罐内浆体温度APto△Pwa当水煤浆浓度改变后,对电磁流量计和差压计进行校准图1沿着局部管件中心线压力损失分布Fig. 1 Pressure distribution along centerline of local fitting根据式(2)可以获得水煤浆流经局部管件的阻去雾化力系数:K值得注意的是式(3)中K对应的是包含局部管件实际长度沿程阻力损失的△Pa1,而在研究弯管局部阻中国煤化x力特性时需去掉沿程阻力损失△Ps31—煤↓一差压变送器CNMHG计:8局部管件AP =10R pv图2水煤浆综合输送试验装置Fig 2 Schematic diagram of experimental setup中国电机工程学报第28卷在水煤浆输送装置上对不同渐缩角(3°5°、10和209)的渐缩管(50mm:25mm)、不同管径比的突缩管(50mm:25mm和68mm:25mm)以及不同弯径比(1.5、20、4.0和60)的弯管(50mm)进行实验,试验测量段为普通钢管,为了保证试验结果的准确性,对实验进行了2~3次测量。50试验以神华煤制成的水煤浆作为研究对象,煤02004006008001000浆的质量浓度分别为57%和59%,在进行局部管件阻力特性试验之前首先通过直管实验确定2种浓度图4渐缩角对渐缩管局部阻力系数K的影响浆体的本构方程,属于宾汉流体,本构方程分别为Fig.4 Effects of angle of smooth contraction on k838401c18+0181y其中,t为剪切应力,非牛顿流体流经局部管件的阻力系数K随着雷诺为剪切速率数Reg的增加而迅速下降,然后逐渐趋于稳定,并且满足如下关系:3结果与讨论k=aRe3.1水煤浆流经渐缩管的阻力特性式中a、b为拟合参数由图3(图中(1)和(2)分别代表了同种试验条件采用式(8)对图4进行拟合,拟合结果见表1。下上行程和下行程的实验数据,以下类同)可以看表1采用经验公式拟合的参数以及相应的最大误差出,不同渐缩角的渐缩管局部压力损失随着雷诺数Tab 1 Parameter and the corresponding maximum采用出口端的流速,突缩管类同)的增加而迅速增error of fitting using empirical formula加。在相同的雷诺数下,渐缩管局部压力损失随着局部局部阻力系数拟合参数LD拟合参数渐缩角的增加而逐渐减小,渐缩角为3的渐缩管局b最大误差%A1B1最大误差渐缩管138×105-1451部压力损失明显大于渐缩角为209的渐缩管。主要突缩管1.5×103-1246原因是对于水煤浆这种高粘度的非牛顿流体随着0021-53665渐缩角的增大,渐缩段的沿程阻力损失减少较大径500098370015-557143但是较小的渐缩角变化并不能形成扰流现象,从而无法造成渐缩管段较大的几何损失,所以导致渐缩0018-893角越大局部阻力损失越小。Roa2在研究非牛顿流研究表明,浆体流经渐缩管的LD与雷诺数有体流经渐扩管阻力特性时认为随着渐扩角的增加,很大的关系。从图5中可以看出,不同渐缩角的渐扩管段的沿程阻力损失减少的要比几何阻力损渐缩管LDD为小管径,突缩管类同)随着雷诺数失增加的大。从图4中可以看出随着雷诺数的增的增加而迅速下降,然后逐渐趋于稳定,而渐缩角加,渐缩管的局部阻力系数迅速下降然后逐渐趋于的变化对渐缩管的LD影响并不大。根据图5进行定值,同时发现较小的渐缩角变化并没有对渐缩回归得出了水煤浆流经渐缩管的LD和雷诺数的管的局部阻力系数产生影响。许多学者22认为关系式(,相关系数为097846L/D=244×10ReC=5%求110·3°)★10°()·5°(1)★20°(D)°5(2)★20°2)2004006008001000中国煤化工8001000图3渐缩角对渐缩管局部压力损失的影响CNMHGFig 3 Effects of angle of smooth contraction图5渐缩角对渐缩管LD的影响on local pressure lossFig 5 Efects of angle of smooth contraction on LjD第26期刘猛等:水煤浆流经局部管件阻力特性的研究32水煤浆流经突缩管的阻力特性趋于稳定,而且不同的管径比和浓度对局部阻力系由图6可知,水煤浆流经突缩管的局部压力损数影响并不大,然而对图7圈出部分进行局部放大失随着雷诺数的增加先降低后迅速增加。在雷诺数可以发现水煤浆流经局部管件的阻力系数随着雷较小时,2种浓度的水煤浆流经不同管径比的突缩诺数的增加先下降然后再缓慢增加。采用式(8)对图管时,局部压力损失相差不大。当煤浆流经不同管7进行拟合,结果见表1。径比的突缩管时,煤浆的高粘度特性减少了较小管从图8可以看出突缩管的LD随着雷诺数的增径比变化对流动阻力损失产生的影响。随着雷诺加先迅速下降然后逐渐增加,这与 Boger得出的数的增大,浓度为59%的水煤浆的局部压力损失明突缩管的LD随雷诺数线性增加的结论相矛盾显大于57%的水煤浆。另外从图6中可以看出,较 rocha'认为非牛顿流体流经局部管件的阻力特性小的温度上升能够在一定的程度上降低浆体流经与资料所给出的阻力特性出现较大偏差,不但与局突缩管的阻力损失。由于温度升高,水煤浆中液相部管件的尺寸有关,而且与流体的流变特性有关的粘度会显著降低,尤其是自由水分的粘度降低,本次试验所采用的突缩管管径比有2和272,而且导致了煤水混合物综合粘度的降低,从而减少了流煤浆的流变特性较其他非牛顿流体相差较大。根据动阻力损失2。如图7所示,水煤浆流经突缩管的图8的实验数据进行回归获得了突缩管的LD与雷局部阻力系数随着雷诺数的增大而迅速降低然后诺数之间的关联式(10,相关系数为094635:L/D=40·c14)-7+00147R,(10202003020°DD2y0400800120016002000图6管径比对突缩管局部压力损失的影响0400800120016002000Fig 6 Effects of ratio of pipe diameteron local pressure loss图8管径比对突缩管LD的影响Fig. 8 Effects of ratio of pipe diameter on LDCw=57%25℃33水煤浆流经水平弯管的阻力特性如图9所示,在较小雷诺数下,水煤浆流经弯管的局部压力损失较小且出现波动,其后随着雷诺数的增大,局部压力损失迅速增加。弯管的局部压力损失之所以出现波动,主要是因为水煤浆是一种具有触变性的非牛顿流体,在受到某一剪切之后内0400800120016002000部结构遭到破坏,粘度降低,如果停止剪切,其内部结构又会缓慢恢复,粘度又会增大,从而导致再10凝25CD:D9021·25℃D:D2=3025水嗝R田啶★RD60(2)2001400中国煤化工CNMHG图7管径比对突缩管局部阻力系数K的影响9弯径比RD对弯管局部压力损失的影响Fig. 7 Effects of ratio of pipe diameter on KFig9 Effects of RD on local pressure loss第28卷次启动时压力迅速增大。当水煤浆内部结构破坏与 pedding在研究流体流经垂直弯管时认为弯恢复达到平衡状态时,输送阻力也就稳定下来。管的LD随着雷诺数的增加而线性增加,并且满足在相同的雷诺数下,水煤浆流经弯管的局部压如下关系:力损失并不是随着弯径比的增大而增加,而是存在L /D=A Re+B,个最佳弯径比,使得弯管的局部压力损失最小。采用式(1)对图12进行拟合,结果见表1。如从图9中可以看出弯径比为20的弯管局部压力损图12所示,水煤浆流经不同弯径比的弯管的LD失最小而弯径比为60的弯管则最大。主要原因就同样随着雷诺数的增加而成线性增加弯径比为15是水煤浆流经弯管的局部压力损失主要包括不规的弯管LD明显大于其他弯径比的弯管则流动的几何压力损失和弯管轴线加长所带来的C=57%沿程压力损失。对于水煤浆这种高粘度非牛顿流体,在弯管内更趋于规则流动,当弯径比较小时不规则流动造成的影响大于轴线加长所带来的沿程阻力。随着弯径比的逐渐增大,弯管的弯曲程度变缓,水煤浆在弯管内运动的方向改变程度减缓,但是相应的弯管轴线将会加长,流动所造成的沿程阻力的影响将大于不规则流动的影响。由图10可以看出弯径比为40和60的弯管局部压力损失主图12弯径比对弯管L/D的影响要是沿程压力损失,而弯径比为15的弯管,其局Fig. 12 Effects of RD on Lel部压力损失主要是不规则流动所造成的几何压力损失4结论1)相同雷诺数下水煤浆流经渐缩管的局部压力损失随着渐缩角度的增加而减小。较小的渐缩角变化对渐缩管的局部阻力系数和LD影响不大3)+…Dan…2)水煤浆流经突缩管的局部压力损失先降低然后迅速增加,管径比变化没有对流动产生较大°。"的影响,突缩管的LD随着雷诺数的增加先降低1000后上升3)水煤浆流经弯管的局部压力损失并不是随图10几何损失与沿程损失之比与弯径比的关系着弯径比的增加而减少,而是存在一个最佳弯径Fig 10 Relation between R D and ratio of geometry比。随着雷诺数的增加,弯管的阻力系数迅速下降由图11可以看出不同弯径比弯管的阻力系数然后趋于稳定,而LD成线形增加。κω随着雷诺数的增加而迅速下降,并且趋于稳定,参考文献而且弯径比的变化对弯管的阻力系数Kd并无较岑可洗,姚强,曹欣玉,等,煤浆燃烧、流动、传热和气化的理大的影响采用式(8)对图11进行拟合,结果见表1。论与应用技术]杭州:江大学出版社,1992】于海龙,刘建忠,范晓伟,等.喷嘴结构对水煤浆喷嘴雾化性能C=57%655555R∥D=151)影响的试验研究叮中国电机工程学报,2006,26(14):8085Yu Hailong, Liu Jianzhong, Fan Xiaowei, et al. 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