• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      粉末燃料的沉降速度和最小流化速度分析①

      2019-11-15 03:59:32霍東興何俊卿馬娟娟
      固體火箭技術(shù) 2019年5期
      關(guān)鍵詞:沉降速度氣力輸送流化

      霍東興,何俊卿,馬娟娟

      (1.中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所,西安 710025;2.中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十七所,西安 710025)

      0 引言

      在航天領(lǐng)域,粉末發(fā)動(dòng)機(jī)具有能量密度高、比沖高、可重復(fù)啟動(dòng)等優(yōu)勢,在導(dǎo)彈武器、空天運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。粉末燃料作為航天動(dòng)力裝置的能量源,其流量必須進(jìn)行精確控制,才能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)行精確控制,研制體積小、重量輕、流量精確可控的粉末輸送裝置是航天動(dòng)力系統(tǒng)的基本要求。粉末既具有固體的性質(zhì),又具有流體的性質(zhì),氣力輸送是工業(yè)上大量應(yīng)用的一種粉末輸送方式,即通過氣體對(duì)粉末進(jìn)行流化,由氣體攜帶粉末實(shí)現(xiàn)粉末物質(zhì)的輸送。

      鋁、鎂、硼等物質(zhì)具有熱值高、工藝性良好等特點(diǎn),是粉末燃料的優(yōu)選材料,它們的密度范圍為1.7~2.7 g/cm3,粉末燃料粒度應(yīng)同時(shí)滿足高效燃燒和氣力輸送的需要。本文研究的粉末燃料粒度為20~300 μm;顆粒密度為2.5 g/cm3,堆積密度為1.3 g/cm3,孔隙率為0.48;球形度為0.85;流化氣為空氣,并假設(shè)在高溫高壓流化過程中粉末燃料的顆粒密度、粒徑不發(fā)生變化。

      1 粉末輸送原理

      在總結(jié)國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[5]提出的氣壓驅(qū)動(dòng)活塞式輸送裝置見圖1。流化氣沿徑向進(jìn)入錐形的流化區(qū),將粉末流化并經(jīng)過球閥輸出;驅(qū)動(dòng)氣形成一定的壓強(qiáng)作用在活塞上,推動(dòng)粉末不斷進(jìn)入流化區(qū)。通過控制驅(qū)動(dòng)氣壓強(qiáng)、流化氣流量以及球閥的面積實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末流量的控制。可看出,這種輸送裝置和工業(yè)上大量應(yīng)用的粉末流化床存在如下差異:

      (1)流化區(qū)范圍不同。本裝置的流化區(qū)僅僅作用于粉末出口區(qū)域的很小范圍內(nèi),而常規(guī)流化床的流化區(qū)作用于整個(gè)物料。

      (2)粉末流動(dòng)方向不同。本裝置的粉末流向是遠(yuǎn)離物料的方向,流動(dòng)過程中幾乎沒有受到固定床的影響,而普通流化床總是全局流化,并穿過“固定床”,必須克服重力作用。

      (3)流化過程受到粉末壓實(shí)程度的影響。常規(guī)的流化床,粉末處于自由堆積狀態(tài),堆積密度較??;而本裝置粉末的壓實(shí)程度主要取決于活塞的驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng),不同的壓實(shí)程度會(huì)影響顆粒之間的作用力,從而影響流化過程。

      圖1 粉末輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

      粉末流化的原理是以氣體的動(dòng)量克服粉末重力、粉末之間的摩擦力、范德華力、靜電力等,使粉末隨著流化氣一起流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)粉末的輸送。盡管本裝置和常規(guī)流化床有一定差異,但其流化原理相似。1884年,英國科學(xué)家Isaac Roberts在研究糧倉底面的壓強(qiáng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了糧倉效應(yīng)[6],即當(dāng)糧食堆積高度約大于2倍底面直徑后,糧倉底面所受的壓強(qiáng)不隨糧食的增加而增加。由此可知,當(dāng)活塞距流化區(qū)距離較遠(yuǎn)時(shí),流化區(qū)內(nèi)粉末所受的壓強(qiáng)并不隨驅(qū)動(dòng)氣壓強(qiáng)的增大而增加。因此,粉末壓實(shí)程度對(duì)流化過程,特別是流化啟動(dòng)過程的影響是很有限的。對(duì)本文研究的粉末輸送裝置,正常工作時(shí)的固氣比范圍約為10~120,對(duì)應(yīng)的空隙率為0.97~0.71,與常規(guī)的氣力輸送沒有差異,因而可用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算分析。

      鑒于該粉末輸送裝置還處于概念設(shè)計(jì)階段,分析粉末燃料的沉降速度和最小流化速度,能夠?yàn)榱骰瘏?shù)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

      2 沉降速度

      置于無限大靜止氣體介質(zhì)中的一個(gè)顆粒,在重力作用下會(huì)向下降落,受到的力包括重力、浮力和氣流曳力。由牛頓第二定律得到:

      (1)

      隨著氣流速度ug的增加,曳力不斷增大。到達(dá)某個(gè)速度ut時(shí),作用在顆粒上的重力、浮力和曳力之和為零,顆粒以該速度勻速下落,這個(gè)速度為顆粒的終端沉降速度[7]。

      對(duì)終端沉降速度可以這樣理解:假定單顆粒靜止在一個(gè)篩網(wǎng)上,氣流穿過篩網(wǎng)對(duì)顆粒產(chǎn)生向上的作用力。當(dāng)氣流速度低于終端沉降速度時(shí),顆粒將靜止在篩網(wǎng)上不動(dòng);當(dāng)氣流速度等于終端沉降速度時(shí),顆粒將漂浮在空中,不需要篩網(wǎng)的支撐而靜止不動(dòng);當(dāng)氣流速度大于終端沉降速度時(shí),顆粒將以絕對(duì)速度(ug-ut)隨氣流一起運(yùn)動(dòng)。

      由式(1)當(dāng)dup/dt=0時(shí),可求得顆粒的終端沉降速度:

      (2)

      (3)

      其中,ν為運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;常用的還有動(dòng)力粘度μ,Pa·s。二者關(guān)系為ν=μ/ρg。

      流化氣為空氣時(shí),其粘度和溫度的關(guān)系為μg=1.46×10-6×T1.504/(T+120),T為絕對(duì)溫度。流化氣的壓強(qiáng)、密度、溫度遵守理想氣體方程。

      阿基米德準(zhǔn)則數(shù)Ar為

      (4)

      CD和雷諾數(shù)Re有關(guān),具體為[7]:(1)當(dāng)Re≤1時(shí),CD=24/Re;(2)當(dāng)700

      (5)

      對(duì)于一般的氣力輸送,顆粒直徑、顆粒密度、流化氣密度、流化氣粘度可以得到。由式(4)可得到Ar,然后由式(5)得到Ret。最后,根據(jù)雷諾數(shù)的定義式,得到沉降速度ut。

      對(duì)粉末燃料的沉降速度計(jì)算結(jié)果見圖2。沉降速度隨著顆粒直徑的增大而增大,隨著流化氣溫度的升高而減小,隨著流化氣壓強(qiáng)的升高而降低。壓強(qiáng)越高,溫度對(duì)沉降速度的影響越弱。從圖2(b)可見,25 ℃、0.1 MPa下的沉降速度最大為2.5 m/s,表明流化區(qū)域內(nèi)流化氣的速度至少需要2.5 m/s,才能實(shí)現(xiàn)粉末燃料的氣力輸送。

      (a)0.026 5 MPa (b)0.1 MPa

      (c)1.0 MPa (d)3.0 MPa

      3 最小流化速度

      將粉末顆粒置于一個(gè)敞口容器中,從底部均勻地加入氣體,隨著氣體流量的增加,顆粒之間的結(jié)合力逐漸減弱。當(dāng)氣體對(duì)顆粒的曳力剛好等于顆粒的重力減去氣體對(duì)它的浮力時(shí),顆粒就像沒有重量一樣,可以橫向移動(dòng)。剛好使床層阻力不再增加的流化氣速度稱為最小流化速度。試驗(yàn)中,一般用沿床層厚度的氣體壓降來表征床層阻力,當(dāng)通過床層的氣體壓降不再隨著流化氣的速度改變時(shí),床層就處于臨界流化狀態(tài),此時(shí)的氣體速度叫做最小流化速度,也叫臨界流化速度。針對(duì)特定的粉末顆粒和流化氣,通過大量的流化試驗(yàn)獲得一系列臨界流化條件下的顆粒的臨界雷諾數(shù),并計(jì)算阿基米德數(shù)Ar,通過數(shù)據(jù)擬合獲得類似于式(5)的關(guān)系式,這樣就能夠預(yù)測其他流化參數(shù)下的最小流化速度。

      最小流化速度是針對(duì)有限空間內(nèi)的顆粒群,而非單個(gè)顆粒,而沉降速度是針對(duì)無限大空間內(nèi)的單個(gè)顆粒。實(shí)際流化床中,粉末顆粒均以顆粒群的形式進(jìn)行輸送,顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞,流化床沿橫向的顆粒濃度不均勻性等均影響顆粒速度。因此,最小流化速度更能反映氣力輸送的實(shí)際情況。有研究者將其定義為床層孔隙率ε由0.4向大于0.4過渡時(shí)的速度[8],大于臨界速度且小于沉降速度就是流態(tài)化速度。此時(shí),床層孔隙率ε=0.55~0.75。而沉降速度下,床層孔隙率ε=1。

      幾十年來,各國學(xué)者對(duì)粉末氣力輸送問題進(jìn)行了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究[9-14]。由于顆粒物料密度、粒徑的寬廣性,流化條件的多樣性,盡管已經(jīng)提出了上百個(gè)最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式,但還沒有一個(gè)普適方法。根據(jù)本文粉末燃料的密度、粒度,選擇了4種經(jīng)驗(yàn)公式,它們均考慮了流化溫度和壓強(qiáng)的影響,可滿足本文的分析需要,見表1。

      3.1 常溫常壓下的最小流化速度

      從圖3(a)可見,在常溫常壓下,隨著粒度的增大,最小流化速度增大。除陳振東模型預(yù)示結(jié)果明顯較高外,其余3個(gè)模型非常接近,主要原因是各作者的試驗(yàn)條件存在差異。同時(shí),由于流化過程存在顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的碰撞以及動(dòng)量的傳遞,使得最小流化速度比沉降速度小得多。

      3.2 溫度對(duì)最小流化速度的影響

      Nakamura、陳振東等用試驗(yàn)的方法研究了高溫條件下的最小流化速度,提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式,見表1。Fletcher研究了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了預(yù)示高溫下的umf的方法[14]:

      (1)對(duì)于某個(gè)直徑的顆粒,先選擇一個(gè)溫度,計(jì)算該參考溫度下的umf;

      (2)然后,由kf=umf·T0.27計(jì)算kf;

      (3)根據(jù)各溫度下kf相等,計(jì)算另一溫度下umf。

      圖4為兩種方法的計(jì)算結(jié)果。可看出,Nakamura和Fletcher的計(jì)算結(jié)果較為吻合。隨著流化氣溫度的升高,最小流化速度減小。當(dāng)粉末粒徑小于100 μm時(shí),溫度對(duì)其最小流化速度的影響非常小,粒徑大于300 μm時(shí),溫度的影響較為顯著。

      表1 計(jì)算umf的Remf-Ar經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式

      (a)常溫常壓(298 K,0.1 MPa) (b)高溫高壓(600 K,1.0 MPa)

      (a)Fletcher(kf修正),0.1 MPa (b)Nakamura,0.1 MPa

      3.3 壓強(qiáng)對(duì)最小流化速度的影響

      常溫下流化氣壓強(qiáng)對(duì)最小流化速度的影響規(guī)律見圖5。可看出,Nakamura和Chitester的計(jì)算結(jié)果較為吻合。隨著流化氣壓強(qiáng)的升高,最小流化速度減小。當(dāng)粉末粒徑小于100 μm時(shí),壓強(qiáng)對(duì)其最小流化速度的影響非常小,粒徑大于300 μm時(shí),壓強(qiáng)的影響較為顯著。

      3.4 高溫高壓下的最小流化速度

      從圖3(b)可見,在600 K、1.0 MPa流化工況下,各經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果趨勢一致,即隨著粒徑的增大,最小流化速度升高。在高溫高壓下,粉末燃料的最小流化速度相比常溫常壓下明顯降低。

      (a)Nakamura,298 K (b)Chitester,298 K

      4 結(jié)論

      (1)沉降速度隨著顆粒直徑的增大而增大,隨著流化氣溫度的升高而減小,隨著流化氣壓強(qiáng)的升高而降低;壓強(qiáng)越高,溫度對(duì)沉降速度的影響越弱。文中的粉末燃料在常溫常壓下的沉降速度最大為2.5 m/s。

      (2)最小流化速度與流化床的尺寸、顆粒直徑分布、顆粒密度以及流化氣的溫度和壓強(qiáng)有較大關(guān)系,不同試驗(yàn)條件所得到的經(jīng)驗(yàn)公式不盡相同,但所得的影響規(guī)律一致:流化氣溫度和壓強(qiáng)對(duì)粉末顆粒的最小流化速度的影響規(guī)律是相同的,即隨著溫度和壓強(qiáng)的升高,最小流化速度降低,小于100 μm的顆粒,最小流化速度基本不隨溫度和壓強(qiáng)的變化而變化;顆粒直徑越大,最小流化速度越大。因此,應(yīng)按照最大粒徑的流化需求來設(shè)計(jì)流化氣速度,對(duì)本文研究的粉末燃料流化問題,流化速度至少需要0.1 m/s。

      (3)在相同條件下,由于顆粒與顆粒之間、顆粒與壁面之間的碰撞,最小流化速度比沉降速度小得多,實(shí)現(xiàn)粉末的流化和輸送,按照沉降速度設(shè)計(jì)流化氣的速度,自然能夠滿足最小流化速度的需求。

      猜你喜歡
      沉降速度氣力輸送流化
      磁鐵礦顆粒在復(fù)合力場中的沉降特性研究①
      礦冶工程(2022年6期)2023-01-12 02:14:56
      海州灣水流紊動(dòng)強(qiáng)度和含沙量對(duì)沉降速度的影響研究
      催化裂化裝置外取熱器筒體泄漏原因分析及應(yīng)對(duì)措施
      云南化工(2020年6期)2020-07-01 03:38:50
      高溫流化糙米儲(chǔ)藏穩(wěn)定性的研究
      土壤團(tuán)聚體對(duì)泥沙沉降速度的影響
      烘焙林業(yè)廢棄物生物質(zhì)與煤粉不同配比混合顆粒的流化特性
      氣力輸送系統(tǒng)和管鏈機(jī)輸送系統(tǒng)在石子煤輸送中的比較
      散裝水泥運(yùn)輸車流化過程的仿真分析
      專用汽車(2016年1期)2016-03-01 04:13:32
      高濃度高氣壓在燒結(jié)用石灰氣力輸送中的應(yīng)用
      炭黑氣力輸送裝置主要元器件的選擇
      军事| 巨鹿县| 甘谷县| 集安市| 铅山县| 桐城市| 西充县| 娄底市| 卢氏县| 永川市| 和平区| 昆山市| 旌德县| 上犹县| 永州市| 远安县| 宜丰县| 平原县| 浠水县| 九江市| 新巴尔虎左旗| 秦皇岛市| 阿坝| 巫溪县| 南召县| 仪征市| 晋城| 西和县| 文昌市| 射阳县| 钟祥市| 内黄县| 藁城市| 陆丰市| 怀安县| 老河口市| 锡林郭勒盟| 曲靖市| 平湖市| 昭平县| 南投市|