冷却喷水系统设计方案

发表时间:2018/8/9   来源:《科技新时代》2018年6期   作者:孙正伟,门艳杰,陈宣任
[导读] 某高校大流量燃气喷水冷却系统用于对对引射器试验、燃气发生器点火试验和综合集成与测试试验的排气系统进行喷水冷却降温降速。

(中航工程集成设备有限公司,北京 100120)
  摘 要:本文以国内某高校大流量燃气冷却喷水降温系统设计方案为例,分别对冷却喷水量计算、管路设计、阀门选型等问题进行了详细阐述,为同类型冷却喷水系统设计提供了参考。
  关键词:冷却喷水系统;管路设计;阀门选型。
  
  0 引言
  冷却喷水系统作为一种常用的冷却方式,在工程实践中有着普遍的应用。本文以国内某高校的大流量燃气冷却喷水降温系统为例,从总体设计、管路设计、阀门选型、喷水装置设计等方面对设计方案进行了详细阐述,为同类型冷却喷水系统设计提供参考。
  1 喷水系统总体设计思路
  某高校大流量燃气喷水冷却系统用于对对引射器试验、燃气发生器点火试验和综合集成与测试试验的排气系统进行喷水冷却降温降速,以达到保护排气塔土建设施以及排气消声设备的作用。
  喷水系统作用区域包括四个燃气通道,分别为8m系统、6m系统、5m-1系统和5m-2系统。喷水系统利用高位水箱(底部标高12m)的重力势能,通过阀门调节,将水从燃气通道中喷水装置(双层喷水耙)的小孔中喷出射流到主流燃气中,在高速燃气流的冲击作用下雾化蒸发,将燃气的热量带走以达到降温降速的目的。
  喷水系统按照以下步骤进行方案设计:
  1)根据各系统的燃气流量、燃气温度、燃气物性参数以及需要达到的冷却温度计算各系统的冷却水量;
  2)根据各系统的冷却水量、经济流速、土建结构等参数确定管路排布、各部分管路尺寸等参数;
  3)确定整个喷水系统的压力分布:根据管路排布、管路尺寸等计算管路各部分的压力损失;根据环境总压、喷水量等参数确定喷水耙小孔出口所需压力;根据高位水箱压力势能、管路压力损失及喷水出口所需压力确定阀门压力损失。
  4)根据喷水系统各阀门流量、分配的压降、阀门要求的调节范围确定阀门选型。
  5)根据管路设计方案确定管路支架排布及受力情况。
  6)根据各系统流量确定燃气通道中的喷水耙具体结构及开孔数量,根据燃气参数及喷水耙结构形式核算喷水耙受力情况。
  
  图1 喷水系统总图
  2 喷水系统方案设计
  2.1 喷水系统冷却水量计算
  高温高速燃气喷水降温时多相流态的过程,环境的温度、压力、速度在喷水截面出现极度的不平衡状态,本项目假设喷水过程燃气压力不变,同时冷却水和高温燃气在喷水截面处于混合平衡状态[1]。根据水、燃气的热平衡[2],可以得到:
  
  燃气冷却主要靠冷却水的雾化与燃气之间的显热交换实现,,实际蒸发水量比理论值要少,冷却水量太少,不能解决冷却问题,冷却水量太大则会造成排气不畅。8m系统,6m系统和5m系统燃气流量分别为:1700kg/s,700kg/s和400kg/s,按照以上原则设计冷却水量分别为900kg/s,700kg/s和600kg/s。
  2.2 管路参数计算
  1、喷水系统管路设计
  根据各通道总喷水量及参考经济流速,并考虑后期试验设备燃气流量增加,8m通道喷水主管选择1200mm管道,6m系统及5m系统主管路选择800mm主管路。根据各燃气通道尺寸,考虑对燃气流通影响,每个通道喷水耙设置两排喷水管,每根喷水管为150mm。各通道喷水管开孔设计按照下表实施。
  
  图4 喷水耙强度计算图
  经计算,碳钢钢管最大应力为125.8MPa,不锈钢钢管部分最大应力为86.2MPa,均满足材料使用强度要求。
  2.3 管路系统压力分配
  根据以上管路设计方案,计算整个管路系统压力分配。
  1、 管道压力损失
  管道中介质流动造成的管道总阻力损失包括直管段的摩擦阻力损失、管道组成件的局部阻力损失。管内的压力损失可按照下式进行计算[3]:
  
  
  
  

由于蝶阀的常用调节开度为30%~80%,根据以上计算可知,DN600阀门在1t/s流量下,开度为69.53%,0.6t/s流量下,开度为56.47%,小流量调节可到0.2t/s(开度28.39%),大流量调节可到1.5t/s(开度79.90%)。根据以上计算分析,既要保证阀门在现有使用流量范围内有一定的调节范围又要保证有一定的流量增加裕度,故考虑选择DN600的调节阀。
  3 结论
  国内某高校大流量燃气喷水冷却降温系统按照降温使用需求,对冷却水量、管路系统布局、喷水装置结构型式、阀门选型、支座布置核算、喷水装置强度校核等方面进行详细设计,可以为同类型喷水冷却系统提供一定的参考。
  参考文献
  [1]何衍庆,邱宜振,杨洁,王为国.控制阀工程设计与应用[M]:化学工业出版社,2005.
  [2]冯青,李世武,张丽.工程热力学,西北工业大学出版社.
  [3]动力管道设计手册,机械工业出版社.
  [4]G.E.Andrews,M.Alikhanizadeh,A.A.Asere.Small Diameter Film Cooling Holes:Wall Convert Heat Transfer.

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