對(duì)氣力輸送系統(tǒng)中彎頭曲率半徑的探討

侯松濤，陳紅雷

（杭州太陽鑄造工程技術(shù)有限公司，浙江杭州 310009）

目前鑄造車間的供砂系統(tǒng)中，經(jīng)常采用氣力輸送方式輸送型砂，特別是自硬砂工藝的型砂輸送。這種方式的主要優(yōu)點(diǎn)是輸送管道能根據(jù)車間實(shí)際空間靈活布置，無太多空間障礙，使生產(chǎn)設(shè)備能更好地適應(yīng)工藝和物流的要求，還因其送砂過程中全密封、能實(shí)現(xiàn)在散料高效輸送的同時(shí)避免沙塵污染，適應(yīng)鑄造環(huán)保的需求；近年來氣力輸送贏得了廣大鑄造工作者的青睞。

圖1 球形彎頭

1 現(xiàn)狀

在多年實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，輸送系統(tǒng)中彎頭的結(jié)構(gòu)形式和數(shù)量對(duì)輸送效率的影響要大于輸送長度對(duì)效率的影響（200 m距離內(nèi)），因此在設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)時(shí)首先要盡量減少彎頭的數(shù)量，對(duì)無法省略的彎頭要盡量減少它的壓力損耗。對(duì)彎頭的結(jié)構(gòu)形式，目前普遍采用的有兩種形式，一種是球形彎頭，如圖1所示，另一種是彎管形式，如圖2所示。球形彎頭最大的特點(diǎn)是耐磨性好，因?yàn)槲锪显谇蝮w壁上會(huì)形成一層料層，使后續(xù)進(jìn)入球體的物料不與球壁接觸，從而提高了耐磨性，此外它所占的空間也很小，利于布置。但它的缺點(diǎn)是阻力大，消耗了大量的能量，降低了壓力。彎管形的彎頭其特點(diǎn)和球形彎頭正好相反，它阻力小，能量損失小，缺點(diǎn)是制造要求較高，材質(zhì)保證難度大，布置局限性較高，零部件通用性較小，其耐磨性要靠復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來保證。

圖2 彎管形式

2 分 析

彎頭的壓力損失，除與氣流速度和混合比有關(guān)外，還取決于彎頭橫截面直徑d（內(nèi)徑）與彎頭彎曲的曲率半徑R之比。在曲率半徑比、彎曲角度、平均氣流速度及混合比一定時(shí)，從水平轉(zhuǎn)向垂直向上的彎頭壓力損失最大，從垂直向上轉(zhuǎn)為水平時(shí)損失最小，水平面內(nèi)轉(zhuǎn)向則介于二者之間。在實(shí)際使用的氣力輸送系統(tǒng)中幾乎所有的彎頭都為90°彎頭。

如果利用流體力學(xué)的分析方法來分析一下90°彎頭的情況，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)在彎頭中壁面迫使流體的流動(dòng)方向發(fā)生改變，壁面使流體受到向心加速度a（向彎頭中心線曲率半徑的中心），這樣流體在曲率半徑方向的單位質(zhì)量力F=a，半徑方向的平衡方程為：

由此可得在曲率半徑方向?yàn)檎膲簭?qiáng)梯度，因此速度隨著曲率半徑的增大而減小。當(dāng)流體進(jìn)入彎頭時(shí)，在外緣A點(diǎn)處開始呈現(xiàn)減速流時(shí)易產(chǎn)生脫流，而在內(nèi)緣則為加速流，即到B點(diǎn)處時(shí)壓強(qiáng)為最小，以后壓強(qiáng)逐漸恢復(fù)。此外，由于彎頭外緣與內(nèi)緣的壓差會(huì)產(chǎn)生一個(gè)雙漩渦型式的二次流動(dòng)，這個(gè)流動(dòng)與主流動(dòng)疊加起來就使整個(gè)流動(dòng)呈螺旋狀，因此彎頭中的流體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，其阻力系數(shù)只能用實(shí)驗(yàn)方法來求得。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知彎頭的能量損失與流速方向改變的角度成正比例，查閱資料，得知：

式中：E——能量損失；

θ——流速方向改變的角度；

V——流速。

由于實(shí)際使用的彎頭大多為90°，即θ=90°，

系數(shù)k通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：d——彎頭管內(nèi)徑；

R——彎頭中線的曲率半徑。

表1 d/R的值與k值

從表中可看出，當(dāng)d/R=0.2，即R=5 d時(shí)，k值就已經(jīng)很接近最小值了，當(dāng)d/R=0.1，即R=10d時(shí)，k值就等于最小值。因此從工程實(shí)際出發(fā)，當(dāng)R>5 d時(shí)已經(jīng)無太大的實(shí)際價(jià)值，反而增加了彎頭的制造難度，也增加了安裝所需的空間，給輸送系統(tǒng)的現(xiàn)場布置帶來了很多不便，特別是在一些老車間、老設(shè)備的改造中更是如此。據(jù)有關(guān)資料中建議采用R≥（6～12）d，我們認(rèn)為這種建議似乎太保守了一點(diǎn)。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

實(shí)例的驗(yàn)證：浙江某鑄造廠，在型砂輸送系統(tǒng)中采用的是容積為1.5 m3的氣力輸送罐，輸送距離為178 m，原來用的彎頭為球形彎頭，如圖1所示，彎頭的曲率半徑R為145 mm，d/R值為0.9586，改進(jìn)使用曲率半徑R為700mm的彎管式耐磨彎頭后，在彎頭進(jìn)、出口管徑和輸送壓力不變的情況下，輸送同樣的距離，一個(gè)輸送周期的時(shí)間比原來縮短了近1/3，而此時(shí)的d/R值減小為0.1985。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上分析的結(jié)果看，采用適當(dāng)尺寸的彎管式彎頭比球形彎頭要節(jié)能20%～30%，取R=5 d左右的彎管式彎頭比較實(shí)用，這樣既照顧到了制造和安裝方面，又盡可能地減少了彎頭的能量損失，可以提高輸送效率。

［1］張鳴遠(yuǎn).流體力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］劉樹紅.應(yīng)用流體力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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［4］施永生.流體力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

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