摘要:以某新型實(shí)用轉(zhuǎn)爐燃?xì)?a href='http://mfkf.net.cn/jianyafa/' target='_blank'>減壓閥為研究對(duì)象，確立了三維穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)模型。通過(guò)ANSYSCFX對(duì)實(shí)用新型轉(zhuǎn)爐燃?xì)?a href='http://mfkf.net.cn/news/857.html' title='減壓' target='_blank'>減壓閥的內(nèi)部噴管進(jìn)行了數(shù)值剖析，得到了速率場(chǎng)與壓力場(chǎng)的分布圖，為減壓閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論根據(jù)。

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)爐燃?xì)?減壓閥;濕法除塵;數(shù)值模擬

1轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉂穹ǔ龎m是近幾年國(guó)外外普遍選用的一種轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉂崈艄に嚕瑵穹ǔ龎m與干法除塵相比，具備省水、省電，TRT出力大等特點(diǎn)。但經(jīng)過(guò)濕法除塵后的減壓閥組形成的噪音將小于經(jīng)過(guò)干法除塵后的噪音，按照一些安裝工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同級(jí)別的轉(zhuǎn)爐，噪音將達(dá)10～30dB。同時(shí)因?yàn)闈穹ǔ龎m是干燃?xì)?，給噪音的清除帶給巨大的難度［1～4］。

現(xiàn)轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉄o(wú)論選用濕法除塵或干法除塵工藝，在TRT不工作時(shí)，都通過(guò)TRT的靜葉轉(zhuǎn)為減壓閥組來(lái)調(diào)節(jié)和控制轉(zhuǎn)爐壓力。因?yàn)榇讼到y(tǒng)安全、可靠，因此經(jīng)常承襲迄今。雖然現(xiàn)在的減壓閥組還存在太多的劣勢(shì)，諸如減壓閥組的調(diào)節(jié)器件為閥板，其氣流不均勻，在將高壓的二氧化碳降為低壓二氧化碳時(shí)，所形成的噪音巨大;或則因?yàn)闅饬鞯臄_動(dòng)大，導(dǎo)致的管線的震動(dòng)大;當(dāng)選用半靜燃?xì)夥派r(shí)，減壓閥組的磨蝕大，其泄露率減小，因此降低了TRT的發(fā)電量。當(dāng)前，企業(yè)為了解決減壓閥組的噪音(加隔音罩和消音器以及管線外消音材料包扎)和管線震動(dòng)，投入的資金較大，而降噪的療效不佳。

某些實(shí)用新型轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥現(xiàn)在適于鋼鐵冶金聯(lián)合企業(yè)中轉(zhuǎn)爐燃?xì)獾臐穹?干法)除塵系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［5］。

圖1實(shí)用新型減壓閥的結(jié)構(gòu)示意

從圖可見(jiàn)，新型減壓閥結(jié)構(gòu)主要包括閥門和氣閥，氣閥坐落閥門的空腔內(nèi)，殼體的進(jìn)口端、出口端分別設(shè)置有適于管線連結(jié)的法蘭;其特點(diǎn)在于:殼體上挨著閥門的進(jìn)口端的部位為環(huán)型內(nèi)凹部，氣閥為雙椎體;襯套的一端與第一曲軸的一端固定連結(jié)，第一曲軸的另一端部與軸桿機(jī)構(gòu)的軸桿的一端部縱梁，軸桿機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸的一端穿過(guò)閥門上的旋轉(zhuǎn)軸孔坐落閥門外;襯套的另一端與滑動(dòng)軸的一端固定連結(jié)，滑動(dòng)軸的另一端穿過(guò)軸承，軸承坐落閥門的進(jìn)口端部?jī)?nèi)，軸承由支撐架與閥門固定連結(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)爐燃?xì)獬鲆欢▔毫τ捕葧r(shí)，氣流帶動(dòng)襯套向出口方向聯(lián)通，二氧化碳從減壓閥進(jìn)口步入到閥門內(nèi)，壓力得到釋放;當(dāng)壓力增大時(shí)，軸桿又促使襯套向減壓閥進(jìn)口方向聯(lián)通直至減壓閥進(jìn)口成為封閉狀態(tài)，借此來(lái)達(dá)到減壓的目的。

此實(shí)用新型的減壓閥適于現(xiàn)在鋼鐵冶金聯(lián)合企業(yè)中轉(zhuǎn)爐燃?xì)獾臐穹?干法)除塵系統(tǒng)中，其主要任務(wù)是在調(diào)節(jié)(在TRT不工作時(shí))轉(zhuǎn)爐頂壓的前提下，達(dá)到降噪、減少管線震動(dòng)，使管網(wǎng)運(yùn)行更安全的目的。

本文借此新型實(shí)用減壓閥為研究對(duì)象，推行流場(chǎng)數(shù)值模型，研究減壓閥內(nèi)的速率與壓力分布狀況。

2數(shù)值估算模型及技巧2.1幾何模型的構(gòu)建

為了對(duì)減壓閥內(nèi)的反演進(jìn)行剖析，現(xiàn)選用ANSYSCFX的制圖硬件進(jìn)行建模法蘭減壓閥，確立了從減壓閥二氧化碳進(jìn)口到二氧化碳出口的全噴管三維模型，選用比較恰當(dāng)?shù)匚闪髂Ｐ?，同時(shí)設(shè)定了相應(yīng)的邊界條件。在此基礎(chǔ)上，利用CFD硬件對(duì)該轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥內(nèi)的三維全噴管進(jìn)行定常的紊流流動(dòng)數(shù)值估算。為了愈加便捷且不影響模擬結(jié)果，在構(gòu)建模型時(shí)，軸桿機(jī)構(gòu)被忽視。鑄件長(zhǎng)為0.25m，最大半徑為0.125m，幾何模型如圖2所示。其中減壓閥內(nèi)的二氧化碳為高爐燃?xì)?，其成份與濃度分別為:CH4(0.5%)，CO(25%)，CO2(15%)，H2(2%)，N2(57%)，O2(0.5%)，流體屬性為連續(xù)流體。

圖2轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥幾何模型

2.2計(jì)算機(jī)模型的網(wǎng)格界定

模型選用非結(jié)構(gòu)化的立方體單元來(lái)分塊界定網(wǎng)格，界定為兩個(gè)區(qū)域，氣閥為實(shí)體域，剩下的為流體域。兩側(cè)的進(jìn)口截面為估算區(qū)域的進(jìn)口，兩側(cè)的出口截面為估算區(qū)域的出口。

2.3剖析類別與估算域

此模擬選用穩(wěn)態(tài)模型，估算域類別為流體域，參考?jí)毫?atm。

2.4地理模型

傳質(zhì)模型為控溫模型，氣溫設(shè)定為135℃;紊流模型選為Shear，并用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)修正。

k－ε模型不能很精確的預(yù)測(cè)流場(chǎng)的開(kāi)始，而基于SST模型的k－ω模型卻可以挺好的解決這種問(wèn)題，SST模型非常適用于要求高精度邊界層的模擬。基于SST模型的k－ω等式考慮了紊流剪切蠕變的傳輸，可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)流動(dòng)的開(kāi)始和負(fù)壓力梯度條件下流體的分離量。SST模型的最大特點(diǎn)就在于考慮了紊流剪切蠕變，因而不會(huì)對(duì)渦流黏性導(dǎo)致過(guò)于預(yù)測(cè)［6］。其傳輸行為可由包含限制數(shù)的渦流粘度多項(xiàng)式求得:

式中F2——一個(gè)混和函數(shù)，其功能與F1相似，對(duì)于存在不合適假定的自由剪切流，次數(shù)拿來(lái)約束壁面層的限制數(shù)

S——應(yīng)變率的一個(gè)定計(jì)算值

混和函數(shù)對(duì)模型的成功起著至關(guān)重要的作用，其公式與流體變量和壁面函數(shù)距離有關(guān)。

其值為:

式中y——到近期壁面的距離

ν——運(yùn)動(dòng)黏度

2.5邊界條件

此模型的入口邊界的入口總壓為(0.15MPa);紊流度為中等湍度5%。出口邊界類別為開(kāi)放出口類別，相對(duì)壓力為(12kPa);紊流度為中等湍度5%。壁面條件設(shè)定為無(wú)滑移光滑壁面。

2.6求解控制

因?yàn)楦唠A離散格式求解精確，結(jié)果靠譜性高，因此這次模擬的對(duì)流項(xiàng)的離散格式選為高階離散格式)，而迎風(fēng)格式的收斂性好，適用于紊流模型，所以這次模擬的流場(chǎng)多項(xiàng)式的離散格式選為一階迎風(fēng)格式。選定時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，把時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為手動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，系統(tǒng)手動(dòng)依據(jù)模擬的幾何寬度，邊界條件，初使設(shè)置手動(dòng)估算出手動(dòng)時(shí)間尺度。收斂平均方差(RMS)目標(biāo)為1.0×10－4，最大似然為1.0×10－4時(shí)，收斂療效好，可以滿足大多數(shù)功能應(yīng)用。

本模擬還要求解的式子包括:

(1)連續(xù)多項(xiàng)式

式中ρ——流體速率

u——速度矢量

t——時(shí)間

(2)動(dòng)量多項(xiàng)式

i方向的動(dòng)量矢量式子為:

式中p——壓力

fμi——除▽·(μ▽ui)此外的其他所有黏度力

i——下標(biāo)，x，y，z方向

(3)湍流動(dòng)能等式:k多項(xiàng)式

式中νt——渦黏性系數(shù)

k——單位品質(zhì)流動(dòng)的紊動(dòng)動(dòng)能

σk，CD——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

(4)湍動(dòng)耗散率多項(xiàng)式:多項(xiàng)式

式中C1ε，C2ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)［7］

3模擬結(jié)果

圖3(a)(b)(c)所示切面分別為YZ切平面，ZX切平面與XY切面，XY切面中的小圓環(huán)和大圓環(huán)分別為:XY平面Z01切面和XY平面Z02。

圖3切平面示意

為了更直觀的對(duì)比剖析，本文選用具備代表性的這4個(gè)面對(duì)其進(jìn)行后處理。得到的速率結(jié)果與壓力結(jié)果由圖4～9所示。

圖4與圖5分別為YZ切平面與ZX切平面的速率矢量與等值線。從圖中可以見(jiàn)到減壓閥噴管處的速率值顯著小于喘氣口的速率值，高速區(qū)集中在減壓閥進(jìn)口處以及襯套的錐形表面，減壓閥出口處以及殼體內(nèi)壁附近的速率較低。

圖4YZ切平面速率矢量圖與速率云圖

圖5ZX切平面速率矢量圖與速率云圖

圖6中，把XY平面Z01與XY平面Z02切面的速率作比較，XY平面Z01切面上的速率值要比XY平面Z02切面除襯套表面的速率值要高。這主要是由于減壓閥進(jìn)口的截面積較其他部位較小，當(dāng)流體的流量一定時(shí)，截面積越小，氣流速率越大，踏入減壓閥內(nèi)的二氧化碳延襯套的錐形向外擴(kuò)充，并在出口附近產(chǎn)生較大的回流旋渦，氣閥表面的速率比閥門內(nèi)壁附近以及出口的速率大。

圖6XY平面Z01與Z02速率云圖

圖7與圖8分別為YZ切平面與ZX切平面的壓力梯度圖和壓力云圖。從圖中可以看出減壓閥的高壓區(qū)與高速區(qū)一樣法蘭減壓閥，同樣集中在減壓閥進(jìn)口處以及襯套的錐形表面。

圖7YZ切平面壓力梯度與總壓云圖

圖8ZX切平面壓力梯度和總壓云圖

圖9的減壓閥縱切面壓力云圖也可以看出減壓閥進(jìn)口區(qū)與軸套表面的壓力值較大。這主要是由于二氧化碳從減壓閥的進(jìn)口跨入到減壓閥之后，快速延襯套錐形表面向低壓區(qū)擴(kuò)散，并促使襯套向出口方向聯(lián)通，借此達(dá)到減壓的目的。

圖9圖9XY切平面Z01與Z02壓力云圖

圖10為軸套表面與軸套表面的壓力云圖，從圖中可以看出襯套與閥門表面浮力的高壓區(qū)也都集中在減壓閥進(jìn)口區(qū)且范圍很小，隨著進(jìn)口區(qū)的截面面積的增大，浮力減少，而截面積最小的XY切平面Z01切面附近的閥門表面浮力最小，于是隨著殼體截面積的降低直至圓截面最大時(shí)，浮力都保持在同一較小數(shù)值范圍內(nèi)，而后隨著截面積降低直至喘氣口，浮力又減小到一定數(shù)值范圍內(nèi)。

圖10閥門與軸套表面壓力云圖

4結(jié)語(yǔ)

完成了轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥內(nèi)部噴管的數(shù)值估算，重點(diǎn)剖析了轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥的速率場(chǎng)與壓力場(chǎng)的分布規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果闡明了轉(zhuǎn)爐燃?xì)鉁p壓閥的內(nèi)部噴管特性。

因?yàn)闇p壓閥噴管處的壓力較大，故應(yīng)當(dāng)對(duì)該部位的支撐架與軸承進(jìn)行加固處理。因?yàn)榻?jīng)過(guò)減壓閥內(nèi)的燃?xì)鉃榈蜏馗扇細(xì)?，燃?xì)饬魉佥^高，對(duì)減壓閥的沖蝕很嚴(yán)重，有或許因?yàn)槟ノg而不能起到完全密封截?cái)嗳細(xì)饬鞯淖饔?，從該減壓閥的速率云圖與壓力云圖(圖4～8)可以看出，氣閥部位與減壓閥噴管處的速率場(chǎng)與壓力場(chǎng)均較大，故最好對(duì)這兩個(gè)部位表面做特殊的耐熱處理，例如按照實(shí)際狀況噴焊一定長(zhǎng)度的炭化鎢或哈氏合金粉［1］。

同時(shí)，此減壓閥選用的是軸桿結(jié)構(gòu)，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間使用，燃?xì)庵械募?xì)小煙塵沉積堵塞在軸桿與曲軸的鏈接空隙處，而有或許使軸桿機(jī)構(gòu)喪失應(yīng)有的靈活性，所以，應(yīng)當(dāng)對(duì)軸桿機(jī)構(gòu)一直進(jìn)行清灰或潤(rùn)滑處理，防治這些狀況的發(fā)生。

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