气固喷射器的理论和实验研究(转)

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气固喷射器的理论和实验研究

郑金宝
史慧玲
1 K+ L. }  q+ f梁译远
武汉工业大学机械系(430070)
9 O. Y* R0 f- J* ?摘要
- U8 c1 G5 X! ~3 P5 h; H, M6 }' Z根据气固两相流流体力学推导了计算公式,并通过改变其几何参数和操作参数,对它的性能进行了实验研究,给出它的特性曲线和最佳工况,特别是研究了高背压情况下的影响。结果证明:正确选择气固喷射器的几何参数和操作参数,就能大大改善它的性能。
) e1 A" B0 j4 K, b7 Q  c* D; N5 x水泥工业中气力提升泵、螺旋输送泵、喷煤管和气流喷射磨都应用了与气固喷射器相同的工作原理,气固喷射器是气力输送装置中极其重要的组成部分。如图1所示,它是由喷嘴、接受室、混合管、扩散管和输送管组成。具有一定压强的空气通过喷嘴后,以很高的速度通过接受室并进入混合管中。此时,在接受室内形成一定的负压,物料立即被喷射气流所吸入,一同进入混合管。物料与高速气流在混合管中进一步混合均匀并通过扩散管增压。在此过程中,空气把一部分动能传给物料,使物料加速,以获得一定的输送速度。其主要特点是1)把负压进料与正压输送巧妙地结合起来;(2)结构简单,加工容易;(3)可向正压空间输送物料,密封性好,有利于输送高温、有毒、易燃等物料;(4)喷出物料速度快,连续性好,呈分散状态。可用作煤粉燃烧器,将煤粉以分散状态喷入燃烧炉中,这样使煤粉燃烧完善。
( `. x$ O) ]- a. K3 o; c1 I) ?    由于以上特点,它还被广泛用于冶金、化工、铸造等部门。在气流喷射磨中,也采用它来作为加料装置和粉粒体加速器。由于气固喷射器在工作过程中除了传能外,还有传热、传质及化学反应,因此还没有完善的计算方法。国内外对其有一定的研究,但对在高背压情况下的性能研究较少。下面就我们研究情况叙述如下。
1  理论分析
  C1 K. h& m7 T# U1 Q4 a1.1  喷嘴
    喷嘴有三种型式1)直孔型喷嘴虽然其结构简单,制造容易,但它的出口处气流处于亚音速范围内且其摩擦损失大、效率低。此类型多用于气力提升泵中。(2)缩扩型喷嘴,能产生超音速气流,气流较发散(膨胀角大)。但只有气体入口状态参数严格地处于设计条件下,才能发挥其长处。此外,其设计计算较复杂,制造也较困难。它常用作气流喷射磨中的粉料加速器,以利于粉碎。(3)渐缩型喷嘴,只能产生亚音速气流,气流较集中(膨胀角小)。入口处气流状态偏离设计值时,对喷嘴正常工作影响不大,其设计和制造均较容易。
    综上所述,在输送粉、粒物料的场合,常采用渐缩型喷嘴。因为气流速度不太高,喷嘴效率可达0.94～0.99;气流较集中且制造方便。下面仅对这种喷嘴进行理论分析。
    首先作如下假设1)喷嘴中的气体为稳定流动;(2)流动是一维的;(3)忽略粘性摩擦的影响;(4)流动是绝热过程;(5)作可压缩气体来处理。
! K# X6 u  m# P    利用气体的质量守恒、动量守恒、能量守恒三原理和气体状态方程,对图1中的截面Ⅰ—Ⅰ和Ⅱ—Ⅱ进行理论分析,可得到喷嘴出口气流速度ωⅡ和喷嘴出口处气体流量QⅡ。
! k: K' l* b0 \* `+ N: e1.2  接受室
    由于空气射流的作用,在接受室中产生负压,则粉粒料很容易从漏斗进入接受室内。在此处,喂入的物料被加速,而空气射流逐渐扩散且速度下降。这样会引起截面Ⅱ—Ⅱ和截面Ⅲ—Ⅲ之间的静压上升。
1.3  混合管
    在混合管中,粉粒体被进一步加速且空气和粉料进一步混合。根据能量和动量守恒定理对图1中截面Ⅲ—Ⅲ和Ⅳ—Ⅳ可列出方程,求得
a、第一项是空气速度进一步下降而增加的静压差;
6 P$ x7 q: l  t5 {5 b, yb、第二项是考虑粉料体继续加速所消耗的静压能;
c、第三项是考虑气体和粉料的摩擦损失。
% w- C9 @; M  G1.4  扩散管
    扩散管的作用是使空气的动能降低而使静压上升,以便克服输送管道中阻力。由于扩散管流程短,可不考虑摩擦损失。又因此处粉粒体速度变化很小,可不考虑此项影响。根据能量守恒定理可得到截面Ⅳ—Ⅳ、Ⅴ—Ⅴ压力差。
* s* y4 s! ~; f! Y' f! Q. w2  实验研究

由于气固喷射器内部流动涉及到有限空间内的空气射流和气固两相流动,情况比较复杂。虽然我们作了理论推导,建立了公式,但其中的许多系数有待试验确定,否则定量计算会发生困难。从上述理论分析结果定性可知,影响气固喷射器性能的因素可归纳为三类,即几何参数、操作参数和粉粒料性能。几何参数包括dⅡ、dM/dⅡ、dM/dⅥ及相应距离S、LM、LD;操作参数包括喷嘴进口处的风量和风压、气固混合比m和背压PⅥ(输送管道中压力);粉粒体性能包括粒径大小及其分布、密度和含水量等,它与确定粉粒体速度ω′大小有关。
2.1  实验目的及实验装置
2.1.1  实验目的
    以水泥生料作为被输送粉料来研究下述问题:(1)气固喷射器几何参数的选择对混合比的影响;(2)操作参数对粉料输送量的影响;(3)最佳的几何参数和操作参数的确定。
2.1.2  试验装置
    试验流程示意图如图2所示。空气压缩机从大气抽取空气并加以压缩,通过工作管道供给气固喷射器。由于空气射流在接受室形成负压,水泥生料从漏斗进入气固喷射器内。从工作喷嘴喷出的高速气流把水泥生料送入流化床中。离心鼓风机鼓入的空气经多孔板进入流化床内形成有一定压强的流化床。改变流化床的压强就是改变了气固喷射器的背压。粉粒体和空气的混合物通过床顶进入旋风收尘器除尘,然后清净的空气排入大气中。
2.2  试验结果及数据整理
    实验中使用的气固喷射器的结构和尺寸,如图3所示。θ=2.2°;dM=20mm;dⅠ=20mm;dⅥ=33mm。进行了如下试验:
　    (1)改变进入喷嘴的风量,保持几何参数和背压不变时,混合比的变化。
    按三种试验条件:①dⅡ=9mm,S=19mm,背压为1275Pa;②dⅡ=6mm,S=25mm,背压为1275Pa;③dⅡ=6mm,S=19mm,背压为1471Pa,进行试验。根据试验数据,作出喷嘴出口速度ωⅡ与混合比m的关系曲线。
    由曲线可知,ωⅡ=90～180m/s时,m随ωⅡ增加而增加;在ωⅡ=180～200m/s时,m达到最大值;当ωⅡ>200m/s时,m随ωⅡ增加而减少。即ωⅡ=0.53～0.6a时,m达到最大值。式中a表示当地音速。混合比表示每kg/min的空气可输送的粉粒料量。所以,从经济效益来看,应以混合比m最大为佳。因此,这个原则可作为设计喷嘴出口直径dⅡ的设计准则。
) D; g$ X: u5 M+ [: e+ B3 b$ f    (2)改变距离S,保持其他几何参数和背压不变时,喷料量变化。
# p5 k* u4 E/ `+ k' V+ i. _; u% a4 Y    实验条件:dⅡ=6mm,背压为1471Pa,工况流量为46.5m3/h,风压为4.73×105 Pa,改变S值时,喷料量相应变化。 由而可知,S=20mm时,喷料量Q′最大。因此,对某个已知的气固喷射器而言,有一个最佳位置S,使喷料量最大。
    (3)改变背压,保持几何参数不变时,喷料量变化。
: z7 h% P" o* C5 J2 l- @1 C& ]5 p    实验条件,dⅡ=6mm,S=19mm。背压为1471Pa、3236Pa、5198Pa、7159Pa,风量Q与喷料量Q′的关系曲线。当风量一定时,随着背压增加,喷料量减少。
# `; v, H- C) ~& I% o3 q. [& k, S    (4)改变dM/dⅡ比值时,m与ωⅡ关系。
6 f/ q9 @0 N; x    实验条件:dM=20mm,S=19mm,背压为1275Pa,根据实验结果可知dM/dⅡ=3.33时,混合比最大。
3  结论
    第一,根据气固两相流流体力学和流体动力学基本理论,推导出喷嘴、接受室、混合管和扩散管的公式,为气固喷射器的试验研究提供了依据。同时也便于理解各组成部分的功能。
    第二,理论分析和试验研究表明:影响气固喷射器输送量大小的重要因素是其几何尺寸、操作参数和物料性质。几何尺寸包括dⅡ、dM/dⅡ、dM/dⅥ和S;操作参数包括工作流体的压力、流量和背压;物料性质包括粉料的密度、粒径及其分布、流动性能等。
    第三,气固喷射器的几何尺寸选择是极其重要的,由研究得知如下结果:
  V9 F3 W1 h& z6 A    (1)dⅡ应按ωⅡ=(0.5～0.6)a来确定,此时混合比可达最大值。ωⅡ是用来加速粉粒体的主要动力,应根据粉料的密度和粒径来确定。如果过小,则不能送粉料;若过大,则输送能耗大。
    (2)dM/dⅡ比值是影响经济输送粉料的重要参数。ωⅡ一定时,存在一个最佳dM/dⅡ比值,使混合比m最大。本实验得出dM/dⅡ=3.3。
    (3)喷嘴出口截面到喉部进口截面距离S对混合比和喷料量影响很大。S有一个最佳值,使混合比最大。
    第四,操作参数对气固喷射器性能有重大影响。由研究可知:
! R( \* l1 E- G    (1)喷嘴进口风量和风压必须满足喷嘴出口处的ωⅡ=(0.5～0.6)a要求,才能达到m最大。进口处风量和风压变动会影响喷料量大小。
! k- P; E9 Y6 |3 G- H    (2)背压对喷料量和混合比有重大影响。背压越高,则混合比和喷料量越小。当几何参数和操作参数不变,当背压提高到某个程度时,将会停止输送物料。
    第五,本文结论,同样可作为气力提升泵、气流粉碎机、喷煤管等结构设计和工况参数选择的理论和实验依据。

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cshezhi

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chenhj20040921

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chenhj20040921

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