喷射位置与风机电机频率对引射能力的影响

苑世辉

德州市产品质量标准计量研究院 山东德州 253000

1 喷管位置对引射能力的影响

1.1 控制方程与湍流模型

环形套筒窑喷射系统利用高压的驱动风来引射内套筒中的高温烟气，两股流体在混合室内混合并在扩压室内增压后进入下燃烧室参与燃烧。流体的流动及不同组分（空气、烟气）的流体之间的互相掺混属于湍流扩散问题，采用标准k-ε 双方程模型来进行求解，该数模由Launder 和Spading 于1972 年提出，控制方程包括连续性方程、质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程和k-ε方程。由于环形套筒窑喷射系统结构尺寸较大，被引射流体为高温烟气，烟气中含有粉尘，为了便于分析，在建立模型前对流体作以下假设，被引射流体为不可压缩理想流体，喷射系统中的流体流动为稳态湍流，喷射器壁面满足无滑移边界条件[1]。

1.2 模型建立

（1）几何模型。喷射系统工作流体为空气，根据现场采集数据分析，其进口压力设为45K-Pa。引射流体为空气，引射入口处压力为标准大气压。由于两股流体从喷射系统出来后进入下燃烧室内参与燃烧，因此出口即为下燃烧室内负压，设为-100Pa。喷射系统三维模型如图1 所示。

图1 喷射系统三维模型示意图

（2）网格划分。喷射系统的结构相对较简单，因此本文采用图1 喷射系统三维模型CFD 前处理工具-Gambit 进行建模和网格划分，然后将输出的mesh 文件导入Fluent 中进行计算。本文建立的喷射系统模型除引射入口段与喷射器主体连接的体结构不规则外，其他部位均为规则体，因此，不规则体采用T-Grid 生成四面体网格，规则体部分生成六面体网格[2]。

（3）边界条件。Fluent 中提供的边界条件可分为四大类：①流动的进口和出口边界条件；②壁面、重复性和奇性轴边界条件；③内部单元区域；④内部面边界。本文模型的进、出口均选择压力边界条件，驱动空气进口水力直径为158mm，引射入口水力直径为650mm，出口水力直径为700mm。

本文主要研究喷射管出口与混合室入口之间的距离的不同对驱动空气引射流体能力的影响，在模型建立时，分别选择喷射管出口与混合室入口距离L 为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm 和400mm，并通过喷射器吸入室内的速度分布和引射比来判断最佳距离。

1.3 Fluent 模拟结果讨论

（1）速度矢量图分析。本次模拟采用的三维模型，为了方便分析，选择中心轴Y=0 截面的速度矢量图对比分析。由于压力相同，计算结果选择吸入室及喷射管出口段位置进行分析。

高压的驱动空气在喷射管出口处，压力势能转化为动能，形成高速的流体喷出，在喷射管出口形成低压区，从而将引射入口的流体抽吸进吸入室，可以明显看出喷射管出口的速度最大。当喷射管出口与混合室入口之间的距离L 从100mm 变化到400mm 过程中，速度矢量最大值先增加后减小；当L=250mm 时，平面内速度矢量最大值达到峰值，约为231．3m/s。

（2）引射效果分析。喷射器的引射比是指引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比，即uGH/GP 它是喷射器工作的主要指标之一，用来衡量喷射器引射能力。分别计算不同L 对应的引射比，当喷射管与混合室入口距离在100-400mm 范围内变化时，喷射器引射比先变大后减小，并当L=250mm 时，引射比达到最大值，即此时喷射器引射性能最优[3]。

图中同时将喷射管出口面中心速度作为变量列入图中，当L=250mm 时该速度达到最大值为278m/s，较高的速度产生了强负压区，引射能力增强。从结构上看，与L=100mm 相比，L=250mm 时喷射管出口对应的喇叭口吸入室的截面积有所增加，而随着L 的继续增加，尽管对应的出口吸入室截面积有所增加，但是喷射管出口处的工作流体速度却减小了，综合因素影响下引射空气量亦相应地减少。

2 风机电机频率对引射系统的影响

环形套筒窑的引射系统动力源来自于罗茨风机提供的高压驱动空气，一般系统设计采用两台风机，一台工频一台变频，两台风机并联连接到管路中，根据系统对驱动风风压和流量的要求调节变频风机电机的频率来实现。电机频率的大小与管路风压、风量的关系对引射系统的条件和控制有很大的影响。

3 结语

喷射系统作为环形套筒窑形成并流煅烧带的核心装置，其设计的优劣关系着整个系统能否很好的运行。本文依靠CFD 模拟技术，研究喷射管出口与混合室入口之间的距离对引射比的影响，对于给定的喷射器模型，在设定的边界条件下，存在一个最佳的距离使得引射比最大。当喷射系统的性能提高后，等量的驱动空气条件下可以引射更多的高温烟气，从而为下燃烧室实现无烟燃烧技术提供必要的环境条件，最终达到减低窑系统热耗的目的。