工业烧嘴冷却水管路阻力损失的计算

李艳

工业烧嘴冷却水管路阻力损失的计算  

  煤的气化技术是煤炭洁净、高效和综合利用的关键技术，尤其是高压、大容量气流床气化技术，具有良好的经济和社会效益，更是当前的发展趋势，是最清洁的煤利用技术。利用该技术，不仅减少空气污染，而且可生产出许多有价值的副产品，如高纯度硫、CO2和无毒炉渣。随着环境标准的日趋严格，它的优势将越来越突出。在国家“863计划”的支持下，华东理工大学和山东兖矿集团有限公司等共同开发成功四烧嘴对置式水煤浆气化技术，在煤的气化领域达到国际领先水平，并建成商业示范装置，且运行良好。
  烧嘴是气化工艺的关键部件，其工艺目标是通过氧流股与煤浆流股的动量交换，达到雾化煤浆的目标，为炉内的气化与燃烧过程创造条件，它的运行状态和寿命直接决定着装置能否长周期、经济运行。为保护在高温下工作的烧嘴，烧嘴冷却水通过烧嘴端部的冷却盘管和水夹套连续循环流动，以冷却烧嘴，防止高温损坏。对烧嘴冷却水的阻力损失进行准确地预测计算是一项非常重要的工作，可以为烧嘴的设计和烧嘴冷却水泵选型等提供科学依据。只有烧嘴冷却水阻力损失计算准确，才能保证烧嘴冷却水达到合适的流量，才能真正保护好烧嘴。到目前为止，还未发现有关计算工业烧嘴冷却水管路阻力损失的资料。
一，烧嘴冷却水管路的结构
    图1给出了烧嘴冷却水管路结构示意图，采用螺旋盘管式冷却。烧嘴通过法兰与气化炉连接，置于烧嘴室中，为使烧嘴免受高温影响，烧嘴的头部(向火面)采用水夹套冷却，冷却水从A处进入，沿烧嘴柱体经管路AB、BC，然后经CD旋转数周，进入向火面夹层DE，冷却向火面金属，自夹层出来的冷却水沿烧嘴螺旋盘管EF旋转数周，经管路FG、GH流出炉外。烧嘴端部的冷却盘管为螺旋管，螺旋管内的流动过程：在螺旋盘管内，流体除了沿轴向流动外，还要产生和轴向垂直的两个对称的涡流流动，称为二次回流。当流体在螺旋盘管内流  动时，由于受到离心力的作用，流体从管子中心部分由螺旋盘管内侧流向外侧壁面，因而造成了螺旋盘管内侧的低压区。在压差作用下，流体从外侧沿着圆管的上部和下部壁面流回内侧。流体的这种二次回流与轴向的主流复合成螺旋式的前进运动。

二，阻力损失的计算方法
    进行烧嘴冷却系统的设计需要根据设计流量、管径大小、管路长度、管件材料、管路附件等来确定管路系统的阻力。可以看出，影响管路系统阻力的因素很多，因此较难准确计算管路系统的阻力。由于水力学理论的局限性，单从理论方面还难以准确计算出管路系统阻力，一般使用半理论半经验法，从某种意义上讲，经验法计算的阻力值更接近真实值。
-----某工业装置烧嘴冷却水的工艺条件为：流量V=16.9m3/h，出口压力P2=0 Pa(表)，冷却水进、出口平均温度46℃，求出冷却水进口压力P1，即可得到整个烧嘴冷却管路总阻力损失△P。
以进水管内侧为截面1-1，出水管内侧为截面2-2，0-0′平面为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式，即：
   
            

               

            
Z1、Z2—截面1-1与截面2-2的中心至基准水平面0-0′的垂直距离，m；u1、u2—流体分别在截面1-1与截面2-2处的流速，m/s；p1、p2—流体分别在截面1-1与截面2-2处的压强，Pa；∑hf—管路系统中的总能量损失，J/kg。式中，Z1=Z2，u1=u2，p2=0，所以p1=ρ∑hf=△p。
  由于冷却管路由若干直径不同的管段组成，各段的流速不同，故把整个烧嘴冷却管路分为6部分，用Matlab软件进行编程，分别计算每部分阻力，最后求和即为总阻力损失△p。查得46℃下水的密度ρ=988.172 8kg/m3，黏度μ=5.740 5×10-4Pa·s，取所有管件绝对粗糙度ε=0.3mm。
三，结果及分析
  取某工业装置烧嘴冷却水的工艺条件：冷却水流量V=15.0m3/h，进行计算检验，两种条件的计算结果见表1。由于冷却管路内水流速度较高，所以整个冷却管路阻力损失较大。出头部腔室之后螺旋管阻力损失△P4，即EF段阻力损失最大，约占整个管路阻力损失的56%；其次是进头部腔室之前螺旋管阻力损失△P3，即CD段，约占整个管路阻力损失的18%，说明螺旋管的盘绕方式和几何因素对流动阻力的影响不可低估。


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