CN105090678A - 可实现均匀分布的气固掺混输送装置及其应用 - Google Patents

可实现均匀分布的气固掺混输送装置及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置及其应用，主要由依次相连的下砂段、缩放段、整流段和出口段构成的单根水平管道，所述下砂段为三通，其水平管道部分主要由两端的直管道、中间的直管道以及两端与中间部分的变截面管道形成，其垂直管道部分插入水平管道部分中心附近的直管道中，所述缩放段主要由两端的直管道、中间的直管道以及两端与中间部分的变截面管道形成，所述出口段为环形扩张喷嘴，在所述下砂段、缩放段、整流段以及出口段之间均设置有多层整流网。本发明可应用于1-200μm固体颗粒(微粒)与气流掺混，将径向进入的微粒，实现轴向周向出口均匀化，进入粒子分离器环形通道。

Description

可实现均匀分布的气固掺混输送装置及其应用
技术领域
本发明涉及一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置及其应用。
背景技术
在发动机的入口，为了阻挡空气中粉尘、树叶、草根、石块甚至飞鸟进入，通常要增加阻挡装置，如隔板、网罩等，可以实现大颗粒物的分离。对于小的颗粒物，可以在发动机进口增加导向装置，利用惯性实现气流中固体颗粒的分离，该装置一般被称为惯性粒子分离器(采用分叉的带曲率弯道，利用惯性，实现颗粒物从气流中分离进入分叉通道中)。
惯性粒子分离器的性能测试是验证其气固分离的有效措施。在测试中，惯性粒子分离器入口环境需要制造均匀分布的砂尘进口条件，就需要配置可实现均匀分布的气固(气体固体微粒)掺混装置。
现有的掺混装置有中心喷出式和周向喷出式，即在粒子分离器前喷出一股含尘气流；或者在粒子分离器环形通道中周向均匀布置投砂口来实现周向均匀。中心喷出式装置，其中无掺混作用，完全依靠气流裹挟微粒喷出管道，管径细，含高浓度微粒的气流速度可能过高，从而直接冲击粒子分离器进口轮毂，可能贴轮毂壁面进入粒子分离器环形通道，使粒子分离器实验性能下降。该装置无均匀性指标。周向喷出式是在粒子分离器环形通道中各个周向角度位置布置一定数量的喷口，以达到均匀性的目的，该装置必然会影响粒子分离器进口通道阻力分布，造成其流动阻力增大，同时影响通道中气流分布。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置，用于1-200μm固体颗粒(微粒)与气流掺混，将径向进入的微粒，实现轴向周向出口均匀化，进入粒子分离器环形通道。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置，主要由依次相连的下砂段、缩放段、整流段和出口段构成的单根水平管道，所述下砂段为三通，其水平管道部分主要由两端的直管道、中间的直管道以及两端与中间部分的变截面管道形成，其垂直管道部分插入水平管道部分中心附近的直管道中，所述缩放段主要由两端的直管道、中间的直管道以及两端与中间部分的变截面管道形成，所述出口段为环形扩张喷嘴，在所述下砂段、缩放段、整流段以及出口段之间均设置有多层整流网。
所述缩放段设置为相互连接的两个或以上。
所述下砂段与缩放段、缩放段之间、缩放段与整流段、整流段与出口段之间均通过法兰连接，法兰上加装所述整流网。
所述下砂段的垂直管道出口深入到水平管道部分中部位置。
所述缩放段的管道扩张角为6～10°。
所述环形扩张喷嘴主要由内锥筒、外锥筒、顶锥装配而成。
所述多层整流网的每层背后均留有用于衰减旋涡的距离。
一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置的应用，含尘气流经过所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，由环形扩张喷嘴喷出，进入粒子分离器，装置的管道中心与粒子分离器中心同高，装置出口采用环形射流口轴向出气，裹挟固体颗粒进入粒子分离器，环形射流口中心与离子分离器环形进口通道中心对齐。
所述固体颗粒的粒径为1-200μm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)通过少量气源带动颗粒，无运动掺混部件。
2)流动参数根据粒子分离器性能要求设计，整体结构简单，阻力损失小。
3)借助整流网后形成的气体旋涡，使气流裹挟微粒达到充分紊流状态，依靠气流绕流的旋涡带动微粒充分混合，使固体微粒与气流的充分掺混，在粒子分离器进口前实现分布均匀。
4)通过两段缩放装置使微粒撞击壁面后反弹与气流掺混，两段缩放管应用使小的微粒聚集在管道壁面处，在射流出口后，依靠其初始动量进入到粒子分离器环形通道中。
5)通过气力输送原理，保证气流速度，使含微粒的气流带动微粒喷出，不会集聚在装置中。
6)本发明装置不在粒子分离器内部，喷出的含微粒气流速度低于粒子分离器进口气流速度，不会影响粒子分离器气流流动。另外，环形喷口的设计，可以避免微粒喷出后撞击粒子分离器轮毂。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所提供的气固掺混输送装置结构图；
图2为直管道部分结构示意图；
图3为下砂段结构示意图；
图4为缩放段结构示意图；
图5为环形喷嘴结构示意图；
图6为整流网结构示意图；
图7为本发明所提供的装置应用的入口模型图；
图8为应用本发明装置的10μm颗粒运动轨迹；
图9为应用本发明装置的35μm颗粒运动轨迹；
图10为应用本发明装置的100μm颗粒运动轨迹。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明所提供的可实现均匀分布的气固掺混输送装置一实施例如图1所示，主要包括下砂段1，缩放段3，整流段4，以及位于出口的扩张段管道(环形扩张喷嘴)6，各部分间采用法兰2联接。
该实施例根据气动参数(气体动力学参数，如压强、速度、温度等)要求总长为2.9m。
如图2所示为下砂段两端、缩放段两端以及整流段的水平直管道的结构示意图，选用不锈钢焊接钢管(GB/T21835-2008)，壁厚为2mm。共有三种型号，外径分别为38.4mm、60.3mm和88.9mm，选用88.9mm外径管道，法兰采用DN65突面(RF)平板法兰(GB/T9119-2010)，其外径为160mm。四组法兰通过M16螺栓连接，均加装了整流网用于均匀化管内气流。
如图3所示，下砂段1为三通结构，其水平管道部分主要由两端下砂段水平直管道10、中间下砂段水平直管道11以及连接两端和中间直管道的下砂段变截面管道12形成，其垂直管道部分插入水平管道部分中心附近位置的中间下砂段水平直管道11中。垂直管道部分主要由垂直直管道13、收缩管14和插入管16组成。各段管道之间焊接而成。水平管道部分入口截面积为65.61cm2，喉部即中间下砂段水平直管道11的横截面面积为11.58cm2，具体通过气流压强和速度在管道内的关系计算，一定参数的入口气流可以在收缩管道内加速后形成负压，结合重力的作用，可使垂直直管道13中的微粒下落到气固掺混输送装置管道中。
垂直方向管道插入水平方向管道中，微粒进入水平方向管道中心附近位置。垂直管道上部通过DN25平面平板法兰15与水平管道部分连接。水平方向管道两段通过DN65凸面平板法兰2与两端管道连接。
如图4所示，缩放段3由五段管道焊接而成，包括两段长度为100mm的两端缩放段直管道30(外径88.9mm)、两段长度为200mm的缩放段变截面管道31和一段长度为100mm的中间缩放管直管道32(外径60.3mm)。管道的扩张角为8°，可以降低过大的流动分离损失。缩放段管道壁厚为2mm，总长700mm，通过两个法兰2与两侧管道相联接。
如图5所示，环形扩张喷嘴6主要包括内锥筒60，外锥筒61，扩张喷嘴直管道62、以及一侧法兰2，各部分间的装配均通过焊接完成，装配前须先对接合的部分进行打磨，确保内锥筒与外锥筒有较高的同轴度。
喷嘴入口处内径84.9mm，截面积56.61cm2，出口处外径270mm，内径250mm，截面积81.68cm2，通流部分为扩张管道。经过整流的气流在进入锥体环形空间后减速，压力逐步增加到接近大气压力。
图6所示，整流网的作用是使气流在整个通流截面上分布均匀，它能将较大的通道涡分割成多个小的绕流涡结构，有利于气流非均匀动量的衰减。网越细(目数高)，网的层数越多，整流效果越好。当然气流经过整流网的损失就越大，且在总损失系数不变的情况下，几层稀网的整流效果比要比一层密网更好。另一方面，每层整流网的背后应有一段距离用于衰减旋涡，筛网间的距离不宜过小。
整个装置共加装了四层金属丝网用于整流。对于含尘气流，筛网的网孔尺寸在保证足够的透气率的同时应能保证大部分微粒的顺畅通过，避免造成过大的局部损失。根据国家标准，可选择4～5目的金属丝网。
本发明通过两个缩放段以及整流网令气流均匀化，然后通过环形喷嘴将砂粒与气流喷出。
应用时，管道中心高与粒子分离器进口中心高一致，采用水平布置。含尘气流经过两个缩放段和四层整流网的整流后实现流道截面的均匀分布，最终由环形喷嘴喷出，进入粒子分离器。该装置经过水平方向的两个缩放管道和紊流网实现微粒的均匀分布。
本发明根据气固掺混输送装置的设计与进口空间的流动分析，将通过两种措施实现颗粒的扩散和均匀分布，一是缩放管路，另一个措施是采用网状整流网结构。为了尽量避免颗粒撞击粒子分离器进口轮毂处，装置出口与粒子分离器环形进口中部平行，在其射流扩张和粒子分离器入口真空状态下的共同作用下进入粒子分离器。
图7为流场模型，包括进口管(左侧等径管中部)、气固掺混输送管道、粒子分离器5入口与粒子分离器与气固掺混输送管道间的空间。图7中，左边一凹槽孔为微粒进口处，左侧为高压气体入口，经过中间缩放管道，再经过一段平直管道进入圆锥分叉通道，通过环形射流口进入大气环境。
采用数值模拟计算的方法，对气固掺混输送管道出口速度约13m/s，粒子分离器进口速度为70m/s的情况进行分析，当微粒大小分别为10μm、35μm、100μm三种情况下，微粒运动轨迹结果见图8～图10所示。
从图8～图10中颗粒的运动轨迹和分布来看，颗粒越大，投放后均匀性越好。当气固掺混输送管道采用2段缩放结构后，颗粒分布已经趋向均匀结构。如果在这个基础上，再加入4段整流网，管内流动分布必然更加均匀，使得颗粒分布更加均匀。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，主要是由依次相连的下砂段、缩放段、整流段和出口段构成的单根水平管道，所述下砂段为三通，其水平管道部分主要由两端的直管道、中间的直管道以及两端与中间部分的变截面管道形成，其垂直管道部分插入水平管道部分中心附近的直管道中，所述缩放段主要由两端的直管道、中间的直管道以及两端与中间部分的变截面管道形成，所述出口段为环形扩张喷嘴，在所述下砂段、缩放段、整流段以及出口段之间均设置有多层整流网。
2.根据权利要求1所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述下砂段深入到水平管道部分中部。
3.根据权利要求1所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述缩放段设置为相互连接的两个或以上。
4.根据权利要求3所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述下砂段与缩放段、缩放段之间、缩放段与整流段、整流段与出口段之间均通过法兰连接，法兰上加装所述整流网。
5.根据权利要求3所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述下砂段的垂直管道部分通过法兰与水平管道部分连接。
6.根据权利要求1所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述缩放段的管道扩张角为6°～10°。
7.根据权利要求1所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述环形扩张喷嘴主要由内锥筒、外锥筒、喷嘴直管道装配而成。
8.根据权利要求1所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置，其特征在于，所述多层整流网的每层背后均留有用于衰减旋涡的距离。
9.一种可实现均匀分布的气固掺混输送装置的应用，其特征在于，含尘气流经过权利要求1～8所述的任一可实现均匀分布的气固掺混输送装置，由环形扩张喷嘴喷出，进入粒子分离器，装置的管道中心与粒子分离器中心同高，装置出口采用环形射流口轴向出气，裹挟固体颗粒进入粒子分离器，环形射流口中心与离子分离器环形进口通道中心对齐。
10.根据权利要求9所述的可实现均匀分布的气固掺混输送装置的应用，其特征在于，所述固体颗粒的粒径为1-200μm。
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