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气体喷嘴的试验研究

2022-01-13张鹏飞张尔忠许有旭刘孝弟

氮肥与合成气 2022年1期
关键词:外套套管雾化

马 帅,张鹏飞,高 晶,张尔忠,许有旭,刘孝弟

(1.北京首都航天机械有限公司, 北京 100076;2.北京航天动力研究所, 北京 100076)

喷嘴在航空航天、化工、冶金等领域有着极为广泛的应用。研究者对于液体喷嘴的雾化投入了更多的关注,液体喷嘴的雾化效果和能力对于燃烧效率、除尘效果等具有十分重要的意义[1-4]。

液体喷嘴的研究重点主要是考虑液体黏性、表面张力、密度等性质对于雾化性能的影响,同时考虑雾化后的需求。采取不同的喷嘴结构及雾化方式满足雾化液滴的大小、分布以及雾化能力[5-7]。

气体本身具有良好的扩散性能,因此,气体喷嘴的研究重点,主要是考虑气体的可压缩性能。在设计气体喷嘴时,喷嘴的流量成为设计的关键指标。具体到气体燃烧器的设计,还需要考虑气体燃料与燃烧所需空气的混合问题[4]。

水煤浆气化炉烧嘴以纯氧作为氧化剂,同时利用内外两个通道的氧气对中间通道的水煤浆进行稀释、加速和雾化,从而实现水煤浆的稳定燃烧以及保证烧嘴的整体性能[8-9]。

对于特定的气体喷嘴结构进行试验研究,得出了喷嘴流量的特征参数,可作为设计类似气体喷嘴及水煤浆气化炉烧嘴的参考。

1 试验系统描述

利用现有的试验系统,进行有针对性的改进,最终形成气体喷嘴的试验系统,流程见图1。

图1 气体喷嘴试验系统流程

利用压缩空气系统为高压储罐供气,保证试验过程中稳定的供气量和供气压力。利用两级可调减压阀,保证试验喷嘴的稳定供气压力。高精度气体流量计保证试验流量的准确测量,截止阀用于保证更换喷嘴时的系统安全。喷嘴基座的设计保证所有试验喷嘴的快速切换和密封要求。数据采集系统记录喷嘴工作时的流量和对应的供气压力。

2 喷嘴基座、试验喷嘴的结构和尺寸参数

试验用喷嘴安装基座的设计,需考虑到各种试验喷嘴的更换及工作时压力和流量的测量需求。试验用喷嘴的安装结构也与喷嘴基座相对应,喷嘴的结构形式有圆锥形收缩单孔喷嘴、双套管形收缩喷嘴两种(见图2—图5)。

图2 圆锥形收缩单孔喷嘴

图3 双套管形收缩喷嘴

图4 双套管内喷嘴(长度86 mm对应于缩进型组合)

图5 双套管试验安装组合图(缩进8 mm对应于图4长度86 mm)

3 试验结果

依据上述试验系统,对有关喷嘴结构进行流量试验,大气压力为101 400 Pa。

试验1为常见的圆锥形单孔喷嘴,喷嘴流量随着喷嘴前供气压力的提高而提高,得到的压力流量参数见表1。

表1 圆锥形收缩单孔喷嘴

试验2为双套管形收缩喷嘴,喷口平齐,仅内套管工作,夹套宽度为4 mm,外套管测压,得到的压力流量参数见表2。仅内套管内有气体流动时,因引射作用,随气体流量增大,外套管内负压越明显。

表2 双套管形收缩喷嘴,仅内套管工作

试验3为双套管形收缩喷嘴,仅外套管工作,喷口平齐,夹套宽度为4 mm,内套管测压,得到的压力流量参数见表3。试验3中的现象和试验2基本相同,但是喷嘴的结构导致引射作用更大。仅外套管工作时,内套管被流动气体整体包裹;仅内套管工作时,流动气体被排放到开放空间,对于外套管的引射作用就会减少。

表3 双套管形收缩喷嘴,仅外套管工作

试验4为双套管形收缩喷嘴,喷口平齐,夹套宽度为4 mm,当内套管压力和外套管压力相同时,得到的压力流量参数见表4。内套管和外套管相互之间的流动虽有干涉,仍各自保持基本的流体流动。

表4 双套管形收缩喷嘴,内、外套管压力相同

试验5为双套管形收缩喷嘴,喷口平齐,夹套宽度为4 mm,当内套管压力始终高于外套管压力20%时,得到的压力流量参数见表5。在喷口处,受到内套管流动的干涉,外套管的流量比试验4中略有下降。

表5 双套管形收缩喷嘴,内套管压力比外套管压力高20%

试验6为双套管形收缩喷嘴,喷口平齐,夹套宽度为4 mm,保持外套管压力始终高于内套管压力20%时,得到的压力流量参数见表6。在喷口处,受到外套管流动的干涉,内套管的流动受到较大的影响,与试验3结果一致。也就是说,外套管的流动对于内套管的流动影响,远大于内套管的流动对于外套管的流动影响。

表6 双套管形收缩喷嘴,外套管压力比内套管压力高20%

试验7为双套管形收缩喷嘴,内套管缩进8 mm,夹套宽度为8 mm,内管压力和外套压力相同时,得到的压力流量参数见表7。由于内套管缩进增大了外套管的流通面积,与试验4相比,外套管内流量有所增加,同时外套管的流动对于内套管的流动干涉效应更明显。

表7 双套管形收缩喷嘴,内管缩进8 mm,内套管压力比外套管压力相同

试验8为双套管形收缩喷嘴,内套管缩进8 mm,夹套宽度为8 mm,当保持内套管压力始终高于外套管压力20%时,得到的压力流量参数见表8。外套管内流量受到内套管气体挤压而下降,同时,内套管出口处的流通面积也会适当增加,导致流量增加。

表8 双套管形收缩喷嘴,内管缩进8 mm,内套管压力比外套管压力高20%

试验9为双套管形收缩喷嘴,内管缩进8 mm,夹套宽度为8 mm,当保持外套管压力始终高于内套管压力20%时,得到的压力流量参数见表9。在较低供应压力时,由于外套管内气体的挤压,内套管气体会出现断流。整个喷嘴口始终由外套管的流动占主导地位,在同样供应压力下,外套管内流量比试验7大。

表9 双套管形收缩喷嘴,内管缩进8 mm,外套管压力比内套管压力高20%

由上述试验可知:外套管的流动对于内套管的流动影响,远大于内套管流动对外套管流动的影响。当进行组合式气体喷嘴的结构设计以及确定实际运行参数时,需予以重视,否则内套管气体将会断流或回流,导致设备损坏甚至发生运行事故。

图6 试验1结果

4 结语

针对几种常见的气体喷嘴结构进行了试验研究,得出了供应压力和流量的对应关系。尤其对于双套管式组合喷嘴,研究了组合形式(内管的缩进与否)及供应压力对于各自喷嘴流量的影响关系。对于组合喷嘴(供应不同种类的气体)设计时,需要重点关注,避免供应气体流量的不足,造成某种气体的断流甚至回流,引起设备的损坏或生产事故的发生。

图7 试验2-6结果

图8 试验7-9结果

本文的试验研究结果,对于设计组合式气体喷嘴,有一定的参考意义。

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