喷管中气体流动特性分析_郑玉

第22卷　第7期2006年7月甘肃科技GansuScienceandTechnologyVol.22　No.7July.　2006

喷管中气体流动特性分析郑　玉1,张永恒2(1兰州交通大学数理与软件工程学院,甘肃兰州730030;2.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)摘　要:分析各种工况下气流流经渐缩喷管和缩放喷管各个截面压力和流量的变化规律,比较两种喷管的基本特性,确定工作条件对喷管中气体流动的影响。并介绍了实际气流曲线偏离理想气流曲线的因素。关键词:喷管;压力;流量中图分类号:TQ028

1　引言喷管是利用气体的压力降低使气流加速的特殊管道。它广泛应用于汽轮机等动力设备中,也应用于通风、空调等热力设备中。例如在燃气轮机和汽轮机里都需要装设喷管,利用气体流经喷管获得高速气流推动叶轮叶片而作功。喷管是使流体增速的变截面流道,气流在管道中流动时的状态变化情况和管道截面积的变化情况有密切关系。由于喷管的长度较短,流速较高,气流从进入喷管到流出喷管的时间很短,因此可以认为喷管中气体流动是可逆的绝热流动过程。喷管一般分为渐缩喷管和缩放喷管。渐缩喷管如图1所示,缩放喷管如图2所示。渐缩喷管沿流动方向截面积是逐渐减小的,气流作亚音速流动。缩放喷管中气流在渐缩部分作亚音速流动,在渐放部分作超音速流动,在最小截面,即喉部是亚音速流动向超音速流动的转折点,这时流速等于当地音速。本文通过分析空气流经渐缩喷管和缩放喷管各个截面压力变化和流量变化的规律,气流在喷管内完全膨胀,膨胀过度和膨胀不足等现象,分析研究两种喷管的特性以及工作条件的改变对喷管中气体流动的影响。

2　实验方法实验中必须测量四个变量,测压孔在喷管内不同截面位置X,气流在该截面上的压力P,背压Pb,(喷管出口外介质的压力),流量m。这些量分别用位移指针位置,可移动真空表,背压真空表以及U型管压差计来显示。实验是在一喷管实验台上进

行,采用真空泵为动力,大气为气源。压力测量采用精密真空表。流量测量使用低雷诺数锥形孔板流量计,采用角接环室取压。喷管用有机玻璃制成,喷管各截面上的压力是由插入喷管内的测压探针连至可移动真空表测得,测压探针可以沿喷管轴线移动,移动的距离通过手轮一螺杆机构实现,测压探针上的测压孔在喷管的位置和刻度盘上位置相对应,可移动真空表指示的值就是喷管各截面的压力值。渐缩喷管着重考虑比较准确清晰地读取临界压力PC,这就要求出口的气流为均匀的一维流,为此流道采用了维托辛斯基型线。缩放喷管着重考虑对扩大段气流特性的分析,为此扩大段相对长度设计的长些。实验对渐缩喷管和缩放喷管分别进行。做渐缩喷管压力曲线时,首先要定出临界压力PC,是从渐缩喷管的流量曲线中定,流量达到最大流量那一点的压力就是临界压力PC,压力曲线分为三个工况:亚临界工况Pb>PC,临界工况Pb=PC和超临界工况Pb移至喷管出口之外一段距离,调节背压,使压力逐渐降低,这时流量逐渐增大,当背压降低到临界压力时,流量保持不变,不在增大,说明流量达到最大值,再降低背压,流量始终保持不变。做缩放喷管时,气体流经缩放喷管时完全膨胀的程度决定于喷管出口截面积和喷管中最小截面积的比值。做缩放喷管压力曲线时要先定出口压力P2,方法是将可移动真空表移到出口处,调节背压表,观察背压真空表和可移动真空表,当两表在某一时刻不相等时的压力就是出口压力P2。缩放喷管压力曲线也分为三个工况:亚设计工况Pb>P2,设计工况Pb=P2和超设计工况Pbm =1.373×10-4εβγ△pε=1-2.155×10-2ΔP/Pa

β=0.621pαtα+273.2

式中:m 为质量流量,kg/s;ε为流速膨胀系数;β为气态修正系数;γ为几何修正系数,取1.006;ΔP为U形管压力计读数,mmH2O;Pa为大气压力,mmHg;ta为大气温度,℃。

3　实验结果与讨论3.1工作条件对气流流动的影响渐缩喷管压力曲线如图3所示,在工作条件是亚临界工况和临界工况下,气流在管内得到完全膨胀,喷管出口压力P2等于背压Pb,在工作条件是超临界工况下,气流在管内膨胀不足,喷管出口压力P2大于背压Pb,也就是说喷管出口压力要求那么大,而出口以外的压力达不到,气流被抽吸,只能在喷管口外做自由膨胀,这种自由膨胀已不遵循定熵流动规律,这部分压降因没有相应的流道引导,是工作范围所不允许的。因此渐缩喷管的压力曲线表明,渐缩喷管的出口压力不能降低到临界压力以下,只能大于或等于临界压力。缩放喷管压力曲线如图4所示,在工作条件是亚设计工况和设计工况下,气流在管内膨胀过度和完全膨胀,在超设计工况下,气流在管内膨胀不足,只能在喷管外膨胀,变成扰动损失。由于季节变化,气温变化以及大气压的变化,实际的工况点也在变化,经过反复实验,渐缩喷管的临界压力一般在410～460mmHg范围内变化,缩放喷管出口压力在510～560mmHg范围内变化,缩放喷管达到最大流量时喉部压力在620mmHg左右范围内变化。由于渐缩喷管的出口压力可以降到临界压力,做压力曲线时,是用背压和临界压力比较,而缩放喷管的临界压力在喉部,如将喉部压力和背压比较,就看不到从喉部到扩大段的压力,因此缩放喷管是用出口压力和背压比较,这样才能看到气流从进口段到出口段各截面的压力。从渐缩喷管的流量曲线中可以看出,如图5所示,渐缩喷管在临界压力时流量达到最大值。缩放喷管流量曲线如图6所示,缩放喷管在喉部压力时流量达就到最大值。并且两种喷管的最大流量基本上是相等的。(下转第23页)

77第7期 郑　玉等:喷管中气体流动特性分析中的酚类物质为天然抗氧剂,若预碱洗深度过大,酚类物质也被除去,不利于汽油氧化安定性。一般碱浓度10-13%为宜。4.3　汽油温度即脱硫醇反应温度本装置通过调节稳定汽油温度来控制反应床层温度,从表格4看汽油温度高低对博士实验并不明显。但温度太低不利于催化氧化反应进行,所以反应温度控制在35-40℃为宜。4.4　助剂注入量ZH-22助剂作用是促进硫醇碱性催化氧化反应及清洁床层。生产实践表明,助剂加入超过一定量后,对脱臭效果无明显改变。相反助剂加入较少时分析依然合格。助剂加入过多,会引起操作费用增加,并有可能造成汽油博士实验不通过。降低助剂的加入量和采用新型助剂是操作费用下降的关键。因此助剂加入量一般控制在80-150ug/g。4.5　床层停留时间下流式固定床反应器中的流体存在气相和液相两部分,因此汽油(液相)液位的高低将影响汽油与催化剂接触时间,直接影响脱臭效果。4.6　反应注风量与反应压力硫醇催化氧化过程所需的氧化剂为注入空气中的氧气,注入空气量为理论所需风量的3-4倍。反应器压力控制高有利于氧分压的提高,从而提高氧气在汽油中的溶解度。一般风压低于0.3MPa,空气不易溶于汽油中。增加注风量,对催化氧化反应进行有利,但不宜过大。太大则会引起床层的沟流,汽油在反应器中停留时间变短;另一方面,沉降分离罐压力升高,使尾气携带汽油进入低压瓦斯线,增加汽油损失。

5　工业应用结果5.1　结果脱硫醇自2000年8月开工,到2001年5月一直运行平稳,脱臭率较高汽油质量稳定。后出现出现博士实验连续不合格现,经4%稀碱洗涤反应床层、提高注入氧化风风压后,汽油质量合格。运行结果表明催化剂活性高,稳定性好,产品合格率高。表2　脱硫醇前后硫含量序号碱洗前%碱洗后%脱硫醇后%精制脱硫率%1544268628232481351367884775578756755885

5.2　结论①无碱脱臭Ⅱ型工艺经过两年多的运行,产品合格率高,催化剂和助剂活性稳定,工艺流程合理,操作简便。②无碱脱臭Ⅱ型工艺与原液-液法比较有较好的合格率高,操作费用少。开工简便、节省劳动力。③无碱脱臭Ⅱ型工艺排放废碱少,预碱洗苛刻度低,对环保有利。

(上接第77页)3.2实际气流曲线偏离理想气流曲线因素由于各种原因,在实验中实际气流曲线将偏离理想气流曲线,其主要因素是:(1)由于气流有粘性摩擦,在壁面附近形成边界层,随着流程的延长,边界层厚度增加,减小了实际流通面积,所以实际流量总是小于理论流量。(2)边界层还使压力的分布发生一些变化,对渐缩喷管的超临界工况,由于出口处被抽吸,使临界截面向前移。对缩放喷管的亚设计工况,偏离更为显著。(3)气流中含有水份,当气流在缩放喷管中具备深度膨胀条件时,温度急剧降低,水份将凝结,放出潜热加热气流,使压力曲线形成一个小的突跃。(4)喷管使用一段时间后会形成一层污垢,喷管流道在加工时不可避免会有一些误差,由于流道尺寸变化,必然引起压力和流量的变化。4　结束语以上通过分析渐缩喷管和缩放喷管各工况下压力曲线和流量曲线的变化规律,气流在喷管中的基本特性已经清楚。在工程应用中,一般要根据临界压力比正确设计和选择喷管,使喷管在正常条件下工作,保证流体按一定的流线发生状态变化,减少流动中的不可逆性,使喷管更好更有效地发挥其加速作用,以达到高效能量的转换。参考文献:[1]　华自强,张忠进.工程热力学,高等教育出版社,2000.[2]　严家禄,王永青.工程热力学,中国电力出版社,2004.[3]　余宁.热工学基础,中国建筑工业出版社,2005.[4]　施明恒,薛宗荣.热工实验的原理和技术,东南大学出版社,1992.

23第7期 张　彤等:无碱脱臭Ⅱ型工艺在重油催化裂化装置的应用