噴射位置與風機電機頻率對引射能力的影響

苑世輝

德州市產品質量標準計量研究院 山東德州 253000

1 噴管位置對引射能力的影響

1.1 控制方程與湍流模型

環形套筒窯噴射系統利用高壓的驅動風來引射內套筒中的高溫煙氣，兩股流體在混合室內混合并在擴壓室內增壓后進入下燃燒室參與燃燒。流體的流動及不同組分（空氣、煙氣）的流體之間的互相摻混屬于湍流擴散問題，采用標準k-ε 雙方程模型來進行求解，該數模由Launder 和Spading 于1972 年提出，控制方程包括連續性方程、質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程和k-ε方程。由于環形套筒窯噴射系統結構尺寸較大，被引射流體為高溫煙氣，煙氣中含有粉塵，為了便于分析，在建立模型前對流體作以下假設，被引射流體為不可壓縮理想流體，噴射系統中的流體流動為穩態湍流，噴射器壁面滿足無滑移邊界條件[1]。

1.2 模型建立

（1）幾何模型。噴射系統工作流體為空氣，根據現場采集數據分析，其進口壓力設為45K-Pa。引射流體為空氣，引射入口處壓力為標準大氣壓。由于兩股流體從噴射系統出來后進入下燃燒室內參與燃燒，因此出口即為下燃燒室內負壓，設為-100Pa。噴射系統三維模型如圖1 所示。

圖1 噴射系統三維模型示意圖

（2）網格劃分。噴射系統的結構相對較簡單，因此本文采用圖1 噴射系統三維模型CFD 前處理工具-Gambit 進行建模和網格劃分，然后將輸出的mesh 文件導入Fluent 中進行計算。本文建立的噴射系統模型除引射入口段與噴射器主體連接的體結構不規則外，其他部位均為規則體，因此，不規則體采用T-Grid 生成四面體網格，規則體部分生成六面體網格[2]。

（3）邊界條件。Fluent 中提供的邊界條件可分為四大類：①流動的進口和出口邊界條件；②壁面、重復性和奇性軸邊界條件；③內部單元區域；④內部面邊界。本文模型的進、出口均選擇壓力邊界條件，驅動空氣進口水力直徑為158mm，引射入口水力直徑為650mm，出口水力直徑為700mm。

本文主要研究噴射管出口與混合室入口之間的距離的不同對驅動空氣引射流體能力的影響，在模型建立時，分別選擇噴射管出口與混合室入口距離L 為100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm 和400mm，并通過噴射器吸入室內的速度分布和引射比來判斷最佳距離。

1.3 Fluent 模擬結果討論

（1）速度矢量圖分析。本次模擬采用的三維模型，為了方便分析，選擇中心軸Y=0 截面的速度矢量圖對比分析。由于壓力相同，計算結果選擇吸入室及噴射管出口段位置進行分析。

高壓的驅動空氣在噴射管出口處，壓力勢能轉化為動能，形成高速的流體噴出，在噴射管出口形成低壓區，從而將引射入口的流體抽吸進吸入室，可以明顯看出噴射管出口的速度最大。當噴射管出口與混合室入口之間的距離L 從100mm 變化到400mm 過程中，速度矢量最大值先增加后減小；當L=250mm 時，平面內速度矢量最大值達到峰值，約為231．3m/s。

（2）引射效果分析。噴射器的引射比是指引射流體的質量流量與工作流體的質量流量之比，即uGH/GP 它是噴射器工作的主要指標之一，用來衡量噴射器引射能力。分別計算不同L 對應的引射比，當噴射管與混合室入口距離在100-400mm 范圍內變化時，噴射器引射比先變大后減小，并當L=250mm 時，引射比達到最大值，即此時噴射器引射性能最優[3]。

圖中同時將噴射管出口面中心速度作為變量列入圖中，當L=250mm 時該速度達到最大值為278m/s，較高的速度產生了強負壓區，引射能力增強。從結構上看，與L=100mm 相比，L=250mm 時噴射管出口對應的喇叭口吸入室的截面積有所增加，而隨著L 的繼續增加，盡管對應的出口吸入室截面積有所增加，但是噴射管出口處的工作流體速度卻減小了，綜合因素影響下引射空氣量亦相應地減少。

2 風機電機頻率對引射系統的影響

環形套筒窯的引射系統動力源來自于羅茨風機提供的高壓驅動空氣，一般系統設計采用兩臺風機，一臺工頻一臺變頻，兩臺風機并聯連接到管路中，根據系統對驅動風風壓和流量的要求調節變頻風機電機的頻率來實現。電機頻率的大小與管路風壓、風量的關系對引射系統的條件和控制有很大的影響。

3 結語

噴射系統作為環形套筒窯形成并流煅燒帶的核心裝置，其設計的優劣關系著整個系統能否很好的運行。本文依靠CFD 模擬技術，研究噴射管出口與混合室入口之間的距離對引射比的影響，對于給定的噴射器模型，在設定的邊界條件下，存在一個最佳的距離使得引射比最大。當噴射系統的性能提高后，等量的驅動空氣條件下可以引射更多的高溫煙氣，從而為下燃燒室實現無煙燃燒技術提供必要的環境條件，最終達到減低窯系統熱耗的目的。