第28卷第26期中國電機工程學(xué)報Vol28No.26Sep.15.20089月15日roceedings of the Csee02008 Chin. Soc. for elec Eng文章編號:02588013(2008)26004006中圖分類號:O373文獻標(biāo)志碼:A學(xué)科分類號:47020水煤漿流經(jīng)局部管件阻力特性的研究劉猛,陳良勇,段鈺鋒(東南大學(xué)熱能工程研究所,江蘇省南京市21009)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)ABSTRACT: The local resistance characteristics of coal-water迅速下降然后逐漸趨于穩(wěn)定,而漸縮管當(dāng)量長度與管徑的比slurry (CwS) nowing through three types of local fittings,值L/D逐漸下降然后趨于穩(wěn)定:突縮管的L/D先下降再增namely. the gradual contraction, sudden contraction and90°加,對于彎管的LD則成線性增加horizontal bend, were investigated at a comprehensi關(guān)鍵詞:水煤漿:漸縮管:突縮管:彎管transportation test facility of CWS. The effect of experimentalarameters such as contract degree, diameter ratio and bend0引言diameter ratio on the local resistance loss of local fittings was水煤漿是一種典型的液固兩相非牛頓流體,也measured. The results show that the local friction loss of是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦腿剂?。月前水煤漿的技gradual contraction decreases as the contract degree increase;術(shù)研究主要集中在制漿、霧化燃燒、流變特性、觸When the pipe diameter ratio varies a little, the local resistance變性、穩(wěn)定性等方面4,但在管道輸送方面尚有許loss of sudden contraction changes insignificantly. There is anoptimal value of bend diameter ratio, where the local resistand多問題需要解決,如管道泵的特性,管道阻力的預(yù)ss of horizontal bend is least. as reynolds number increase.,測,管道局部裝置流動阻力的計算等等,特別對局the friction loss coefficients of three fittings decline fast at first.,部管件中的流動研究甚少,而國外一些學(xué)者對and then gradually tend to be constant values, while the three非牛頓流體流經(jīng)突擴、突縮、彎管、閥門等局部管pipes have different ratio of equivalent length to pipe diameter件的阻力特性做了許多研究,并且提出了一些經(jīng)驗D behaviors that is Led of the gradual contraction decreases公式。但是針對水煤漿這種高粘度(工業(yè)運用要求剪gradually and then keeps stable, that of the sudden contraction切速率為100s時表觀粘度低于1200mPas)的非reduces at first and then increases and that of the horizontal牛頓流體流經(jīng)局部管件阻力特性的研究并不多見,bend increases linearly所以開展水煤漿流經(jīng)局部管件阻力特性的研究對KEY WORDS: coal-water slurry; gradual contraction; sudden水煤漿管道輸送的工業(yè)應(yīng)用和設(shè)計有重要意義contraction: bend為了擴大氣化爐的單爐容量,月前國內(nèi)外較多摘要:在水煤漿綜合輸送試驗臺研究了水煤漿流經(jīng)漸縮地采用多噴嘴對置工藝,但是在多噴嘴對置撞擊流管、突縮管以及90水平彎管的局部陽力特性,分析了漸縮中存在著一個很重要的現(xiàn)象就是撞擊面的偏移現(xiàn)角、管徑比以及彎徑比對上述局部管件阻力損失的影響結(jié)象。許多學(xué)者2l4在研究兩噴嘴對置撞擊流時都發(fā)果表明,增加漸縮角使得漸縮管的局部阻力損失減少;較小現(xiàn)了撞擊面與軸線的幾何中心不重合,而撞擊面的的管徑比變化對突編管的局部阻力損失沒有較大影響:存在一個最佳彎徑比,使得水平彎管的局部阻力損失最小。隨著偏移對多噴嘴氣化爐的燃燒效率以及維修等都造雷諾數(shù)的增加漸縮管、突縮管以及水平彎管的阻力系數(shù)先成了不利的影響。許建良等人通過實驗證實了噴嘴的速度不相等將導(dǎo)致多噴嘴對置撞擊面發(fā)生2項:家點基碰發(fā)計為日9日0大的偏移,而造威嘴述度不相的一個取要質(zhì)The National Basic Research Program of China (9173 Program)(2004CB217701均衡,使得噴嘴的動量不相等,從而導(dǎo)致了在撞擊第26期劉猛等:水煤漿流經(jīng)局部管件阻力特性的研究面上沖量的不平衡,但是月前國內(nèi)外對煤漿流經(jīng)式中:O為彎管所對應(yīng)的角度:R為彎管的彎曲半各種局部管件阻力損失均衡的研究還不多見。本文徑:D為圓管直徑。對于彎管阻力系數(shù)采用了Ks,詳細研究了水煤漿流經(jīng)漸縮管、突縮管和彎管的局則由式(3)和(4)可得下式6出部阻力損失,同時探討了局部管件與直管之間阻力損失均衡的規(guī)律。Kacl=k-he1理論分析Chasin18)、 Boger19、 Spedding02等人采用與局部管件阻力損失相等的管徑為D、長度為L的直如圖1所示,水煤漿流經(jīng)局部管件的壓力損失管沿程阻力損失來研究非牛頓流體流經(jīng)局部管件△Pua主要包括3個部分:的阻力特性,把局部管件阻力損失與直管阻力損失APmn=AP+△Pat+A/()相聯(lián)系。據(jù)L的定義和式(2),通過下式可得到L式中:ΔP為局部管件對上游流動造成的損失△Pa為流體流經(jīng)局部管件段所產(chǎn)生的損失,包括了與局部管件實際長度相等的沿程阻力損失AP3Turian認為局部管件的L不僅與管件的幾何以及管件自身所產(chǎn)生的幾何損失△ Ploss: APAn為局尺寸和雷諾數(shù)有關(guān),還和漿體的流變特性以及管道部管件對下游流動造成的損失。通過下式可以得到的粗糙度有關(guān)AP /6,)L/D=K/(4f)式中∫為范寧摩擦系數(shù),戶=16Reg△Pa1=△Pa-△P1-A2=△Pa-2試驗系統(tǒng)以及方法pv對本所原有的水煤漿輸送裝置進行改造,如圖式中:△P1和△P2分別為局部管件前后穩(wěn)定段的沿2所示,水煤漿輸送測量裝置主要包括攪拌裝置、程阻力損失;L和L2、D1和D2以及ν和v分別漿料罐、螺桿泵、循環(huán)回路和數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng),為局部管件前后穩(wěn)定段的長度、管徑以及流速;ρ由蝶桿泵送入循環(huán)回路,經(jīng)試驗管段和電磁流量計為煤漿的密度。對于阻力系數(shù)花用 Darey-Weisbach后送冋煤漿罐循環(huán)使用。流量改變通過調(diào)節(jié)螺桿泵摩擦阻力系數(shù):乙=64Re,其中R2為廣義雷諾數(shù)。的轉(zhuǎn)速實現(xiàn),試驗中最大流量為20mh。試驗管段上壓力降和流量分別用隔膜差壓計和電磁流量計測量,測量精度為土1%,2種信號均送入數(shù)字采集系統(tǒng)。在循環(huán)回路中設(shè)有換熱裝置,試驗過程中通過調(diào)節(jié)冷卻水量來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定漿料罐內(nèi)漿體溫度。X△Pai當(dāng)水煤漿濃度改變后,對電磁流量計和差壓計進行校準(zhǔn)22081沿著局部管件中心線壓力損失分布Fig. 1 Pressure distribution along centerline of local fitting根據(jù)式(2)可以獲得水煤漿流經(jīng)局部管件的阻力系數(shù):K值得注意的是式(3)中K對應(yīng)的是包含局部管件實際長度沿程阻力損失的△Pa,而在研究彎管局部阻力特性時需去掉沿程阻力損失△P31—煤漿儲罐;2—螺桿泵;3—電磁流計:4差壓變送器:5—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);6換熱裝置:7一電阻溫度計;8—局部管件△P3=6p圖2水煤漿綜合輸送試驗裝置Fig 2 Schematic diagram of experimental setup國電機工程第28卷在水煤漿輸送裝置上對不同漸縮角(3°5°、10和209)的漸縮管(50mm:25mm)不同管徑比的突縮管(50mm:25mm和68mm:25mm)以及不同彎徑比50d(1.5、20、4.0和60)的彎管(50mm進行實驗,試5(2)★20°(2)驗測量段為普通鋼管,為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,對實驗進行了2-3次測量。50試驗以神華煤制成的水煤漿作為研究對象,煤02004006008001000漿的質(zhì)量濃度分別為57%和59%,在進行局部管件阻力特性試驗之前首先通過直管實驗確定2種濃度圖4漸縮角對漸縮管局部阻力系數(shù)K的影響漿體的本構(gòu)方程,屬于賓漢流體,本構(gòu)方程分別為Fig 4 Eects of angle of smooth contraction on K2838+01y≠1180.181y其中,內(nèi)剪切應(yīng)力,非牛頓流體流經(jīng)局部管件的阻力系數(shù)K隨著雷諾為剪切速率。數(shù)Reg的增加而迅速下降,然后逐漸趨于穩(wěn)定,并且滿足如下關(guān)系:3結(jié)果與討論3.1水煤漿流經(jīng)漸縮管的阻力特性式中a、b為擬合參數(shù)由圖3(圖中(1)和(2)分別代表了同種試驗條件采用式(8)對圖4進行擬合,擬合結(jié)果見表1。下上行程和下行程的實驗數(shù)據(jù),以下類同)可以看表I采用經(jīng)驗公式擬合的參數(shù)以及相應(yīng)的最大誤差出,不同漸縮角的漸縮管局部壓力損失隨著雷諾數(shù)Tab 1 Parameter and the corresponding maximum(采用出口端的流速,突縮管類同)的增加而迅速增error of fitting using empirical formula加。在相同的雷諾數(shù)下,漸縮管局部壓力損失隨著部局部阻力系數(shù)擬合參數(shù)擬合參數(shù)漸縮角的增加而逐漸減小,漸縮角為3°的漸縮管局最大誤差%A1最大誤差隔漸縮管138×105-1451.8部壓力損失明顯大于漸縮角為20°的漸縮管。主要縮管1.5×103-1246原因是對于水煤漿這種高粘度的非牛頓流體隨著21-5.36漸縮角的增大,漸縮段的沿程阻力損失減少較大,但是較小的漸縮角變化并不能形成擾流現(xiàn)象,從而七40500-098770015-557143徑0012-48596無法造成漸縮管段較大的幾何損失,所以導(dǎo)致漸縮0018893104角越大局部阻力損失越小。Rosa2在研究非牛頓流研究表明,漿體流經(jīng)漸縮管的LD與雷諾數(shù)有體流經(jīng)漸擴管阻力特性時認為隨著漸擴角的增加很大的關(guān)系。從圖5中可以看出,不同漸縮角的漸擴管段的沿程阻力損失減少的要比幾何阻力損漸縮管LDD為小管徑,突縮管類同)隨著雷諾數(shù)失增加的大。從圖4中可以看出,隨著雷諾數(shù)的增的增加而迅速下降,然后逐漸趨于穩(wěn)定,而漸縮角加,漸縮管的局部阻力系數(shù)迅速下降然后逐漸趨于的變化對漸縮管的LD影響并不大,根據(jù)圖5進行定值,同時發(fā)現(xiàn)較小的漸縮角變化并沒有對漸縮回歸得出了水煤漿流經(jīng)漸縮管的LD和雷諾數(shù)的管的局部阻力系數(shù)產(chǎn)生影響。許多學(xué)者6212認為關(guān)系式(9),相關(guān)系數(shù)為097846130L/D=24240R82C=59%求103*1BC=5%45°(1)·20°(1)a37(2)10°(2)·5°(1)★20(°5(2)★20°(2)50200400600800I00002004006008001000圖3漸縮角對漸縮管局部壓力損失的影響Fig 3 Effects of angle of smooth contraction圖5漸縮角對漸縮管L/D的影響Fig 5 Effects of angle of smooth contraction on LD第26期劉猛等:水煤漿流經(jīng)局部管件阻力特性的研究32水煤漿流經(jīng)突縮管的阻力特性趨于穩(wěn)定,而且不同的管徑比和濃度對局部阻力系由圖6可知,水煤漿流經(jīng)突縮管的局部壓力損數(shù)影響并不大,然而對圖7圈出部分進行局部放大失隨著雷諾數(shù)的增加先降低后迅速增加。在雷諾數(shù)可以發(fā)現(xiàn)水煤漿流經(jīng)局部管件的阻力系數(shù)隨著雷較小時,2種濃度的水煤漿流經(jīng)不同管徑比的突縮諾數(shù)的增加先下降然后再緩慢增加。采用式(8)對圖管時,局部壓力損失相差不大。當(dāng)煤漿流經(jīng)不同管7進行擬合,結(jié)果見表1。徑比的突縮管時,煤漿的高粘度特性減少了較小管從圖8可以看出突縮管的LD隨著雷諾數(shù)的增徑比變化對流動阻力損失產(chǎn)生的影響。隨著雷諾加先迅速下降然后逐漸增加,這與 boger得出的數(shù)的增大,濃度為59%的水煤漿的局部壓力損失明突縮管的LD隨雷諾數(shù)線性增加的結(jié)論相矛盾顯大于57%的水煤漿。另外從圖6中可以看出,較 Rocha國認為非牛頓流體流經(jīng)局部管件的阻力特性小的溫度上升能夠在一定的程度上降低漿體流經(jīng)與資料所給出的阻力特性出現(xiàn)較大偏差,不但與局突縮管的阻力損失。由于溫度升高,水煤漿中液相部管件的尺寸有關(guān),而且與流體的流變特性有關(guān)。的粘度會顯著降低,尤其是自由水分的粘度降低,本次試驗所采用的突縮管管徑比有2和272,而且導(dǎo)致了煤水混合物綜合粘度的降低,從而減少了流煤漿的流變特性較其他非牛頓流體相差較大。根據(jù)動阻力損失。如圖7所示,水煤漿流經(jīng)突縮管的圖8的實驗數(shù)據(jù)進行回歸獲得了突縮管的LD與雷局部阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而迅速降低然后諾數(shù)之間的關(guān)聯(lián)式(10),相關(guān)系數(shù)為04635C=59%L/D=40e0)-7+00147R1(0st Di D- 0x( 2 *5t D: D 30242059%n2℃D;D2040080012001600200000管徑比對突縮管局部壓力損失的影響6 Effects of ratio of pipe diameteron local pressure loss圖8管徑比對突縮管LD的影響cts of ratio of pipe diameter on LDC=57%2st D: Da33水煤漿流經(jīng)水平彎管的阻力特性如圖9所示,在較小雷諾數(shù)下,水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓力損失較小且出現(xiàn)波動,其后隨著雷諾數(shù)的增大,局部壓力損失迅速增加。彎管的局部壓力損失之所以出現(xiàn)波動,主要是因為水煤漿是一種具有觸變性的非牛頓流體,在受到某一剪切之后內(nèi)0400800120016002000部結(jié)構(gòu)遭到破壞,粘度降低,如果停止剪切,其內(nèi)(a)Re=0-2200部結(jié)構(gòu)又會緩慢恢復(fù),粘度又會增大,從而導(dǎo)致再Cw=5%%TD:D2-5025D2=50250D:D2-6525(1)★32℃▲25CD:D252)*]2℃D:D2=5水R暄2.5▲R/D=220000400600800100(b)Reg=200-1400圖7管徑比對突縮管局部阻力系數(shù)K的影響圖9彎徑比RD對彎管局部壓力損失的影響Fig. 7 Effects of ratio of pipe diameter on KFig. 9 Effects of RJD on local pressure loss中國電機工程學(xué)報第28卷次啟動時壓力迅速增大。當(dāng)水煤漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞與Spedding在研究流體流經(jīng)垂直彎管時認為彎恢復(fù)達到平衡狀態(tài)時,輸送阻力也就穩(wěn)定下來。管的LD隨著雷諾數(shù)的增加而線性增加,并且滿足在相同的雷諾數(shù)下,水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓如下關(guān)系:力損失并不是隨著彎徑比的增大而增加,而是存在L/D=A·R+B個最佳彎徑比,使得彎管的局部壓力損失最小。采用式(1)對圖12進行擬合,結(jié)果見表1。如從圖9中可以看出彎徑比為2.0的彎管局部壓力損圖12所示,水煤漿流經(jīng)不同彎徑比的彎管的LD失最小而彎徑比為6.0的彎管則最大。主要原因就同樣隨著雷諾數(shù)的增加而成線性增加彎徑比為1.5是水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓力損失主要包括不規(guī)的彎管LD明顯大于其他彎徑比的彎管則流動的幾何壓力損失和彎管軸線加長所帶來的沿程壓力損失。對于水煤漿這種高粘度非牛頓流體,在彎管內(nèi)更趨于規(guī)則流動,當(dāng)彎徑比較小時840C=57%B RJD=1.3(I不規(guī)則流動造成的影響大于軸線加長所帶來的沿RD=40RD=400程阻力。隨著彎徑比的逐漸增大,彎管的彎曲程度6。RD=602)變緩,水煤漿在彎管內(nèi)運動的方向改變程度減緩,但是相應(yīng)的彎管軸線將會加長,流動所造成的沿程阻力的影響將大于不規(guī)則流動的影響。由圖10可以看出彎徑比為40和60的彎管局部壓力損失主圖12彎徑比對彎管LJD的影響要是沿程壓力損失,而彎徑比為1.5的彎管,其局Fig 12 Effects of RdD on LyD部壓力損失主要是不規(guī)則流動所造成的幾何壓力損失。4結(jié)論1)相同雷諾數(shù)下水煤漿流經(jīng)漸縮管的局部壓I5▲R/D=201力損失隨著漸縮角度的增加而減小。較小的漸縮角變化對漸縮管的局部阻力系數(shù)和LD影響不大。3°804022)水煤漿流經(jīng)突縮管的局部壓力損失先降低★R∥D=6.0(2)a然后迅速增加,管徑比變化沒有對流動產(chǎn)生較大的影響,突縮管的LD隨著雷諾數(shù)的增加先降低后上升。3)水煤漿流經(jīng)彎管的局部壓力損失并不是隨圖10幾何損失與沿程損失之比與彎徑比的關(guān)系著彎徑比的增加而減少,而是存在一個最佳彎徑Fig. 10 Relation between R/D and ratio of geometryss to friction loss比。隨著雷諾數(shù)的增加,彎管的阻力系數(shù)迅速下降由圖11可以看出不同彎徑比彎管的阻力系數(shù)然后趨于穩(wěn)定,而LD成線形增加。Ks隨著雷諾數(shù)的增加而迅速下降并且趨于穩(wěn)定,參考文獻而且彎徑比的變化對彎管的阻力系數(shù)Ka并無較岑可法,姚強,曹欣玉,等,媒漿燃燒、流動、傳熱和氣化的理大的影響。采用式(8)對圖11進行擬合,結(jié)果見表1。論與應(yīng)用技術(shù)M杭州:江大學(xué)出版社,1992】于海龍,劉建忠,范曉偉,等.噴嘴結(jié)構(gòu)對水煤漿噴嘴霧化性能=57%655555影響的試驗研究門,中國電機工程學(xué)報,2006,26(14):80-85of atomizing performance of a new type nozzle for coal waterslurry[]. 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