工業(yè)除塵系統(tǒng)管道阻力系數(shù)研究及推廣

劉金一

（軟控股份有限公司，山東　青島　266042）

工業(yè)除塵系統(tǒng)管道阻力系數(shù)研究及推廣

劉金一

（軟控股份有限公司，山東青島266042）

針對(duì)工業(yè)環(huán)境除塵的要求，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)算出管道阻力系數(shù)的數(shù)值，對(duì)正確設(shè)計(jì)除塵管網(wǎng)提供參考依據(jù)，同時(shí)具有一定的指導(dǎo)意義。日常除塵系統(tǒng)的計(jì)算都參考除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，余量較大，其誤差同樣很大，不同的參考書(shū)上給出的系數(shù)在0.02～0.15之間，誤差過(guò)大，因此本試驗(yàn)的目的就是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試出更加具體的摩擦系數(shù)，用于設(shè)計(jì)時(shí)，能夠更準(zhǔn)確的選擇風(fēng)機(jī)的全壓值，防止系統(tǒng)設(shè)計(jì)失誤等問(wèn)題出現(xiàn)。

工業(yè)除塵；試驗(yàn)；鍍鋅板（鐵皮）管道；阻力系數(shù)；設(shè)計(jì)推廣；綠色節(jié)能環(huán)保

橡膠行業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型、高污染企業(yè)，該行業(yè)在過(guò)去長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)處于裝備自動(dòng)化程度低、利潤(rùn)低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、工作環(huán)境差、廢水、廢氣、廢渣排放高的不良發(fā)展模式中，隨著新一輪工業(yè)革命的到來(lái)，這些落后的方式必然要進(jìn)行改變。2015年5月，我國(guó)政府發(fā)布“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱要，其中在“九大任務(wù)”提出全面推行綠色制造，要求清潔、綠色、節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)“零排放”。早在2014年3月中國(guó)橡膠工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《綠色輪胎技術(shù)規(guī)范》，提出了綠色輪胎的清潔生產(chǎn)和污染物排放要求，其中對(duì)大氣排放物的排放標(biāo)準(zhǔn)都有具體要求，這一“規(guī)范”也是對(duì)整個(gè)橡膠行業(yè)的要求。很多不符合排放要求的企業(yè)勢(shì)必在國(guó)家和當(dāng)?shù)夭块T環(huán)評(píng)的審查中逐漸被淘汰。本文就是在此政策和行業(yè)背景下做的研究。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中把氣體與粉體微粒的多相混合物的分離操作稱之為除塵，而在車間生產(chǎn)過(guò)程中，由于投料、搬用、氣力輸送、混合，下料、篩選等過(guò)程中不可避免的存在粉塵的飛揚(yáng)，這些粉塵將影響環(huán)境安全、設(shè)備的使用壽命及操作人員的身體健康，特別是近些年來(lái)國(guó)家各項(xiàng)環(huán)境治理法規(guī)的頒布實(shí)施以及人們環(huán)保意識(shí)日益加強(qiáng)，因此除塵成為車間生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。

從車間設(shè)備布置來(lái)看，為了滿足生產(chǎn)工藝需要，設(shè)備布置要讓位于物流通道、工藝流程等車間生產(chǎn)第一任務(wù)，因此需要通盤考慮，在這個(gè)過(guò)程中，除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)只能是次要設(shè)備布置時(shí)需要考慮的因素。了解這樣的過(guò)程，對(duì)于設(shè)計(jì)除塵管路有一定的幫助。

在除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，其涉及的部件主要是風(fēng)機(jī)、除塵器、除塵管道、吸塵口（除塵罩）等，從表面上看這些設(shè)備沒(méi)有太大技術(shù)特點(diǎn)，可以作為通用設(shè)備選用，但是對(duì)于不同的物料，不同的管材，其最終設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)效果卻相差很大，設(shè)計(jì)不好直接導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，影響車間生產(chǎn)。

根據(jù)車間內(nèi)工藝設(shè)備的布置和生產(chǎn)特點(diǎn)，首先正確估計(jì)粉塵的散發(fā)源及散發(fā)程度。比如在橡膠廠，主要是炭黑，由于炭黑粒度分布非常廣，同時(shí)具有一定的黏度，因此該物料在散裝物料處理過(guò)程中需要制定比較嚴(yán)格的除塵系統(tǒng)。保證在合適的經(jīng)濟(jì)條件下，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

而對(duì)于除塵系統(tǒng)，當(dāng)除塵方案確定后，需要確定的是除塵管網(wǎng)的布置，除塵管路中彎頭、三通等設(shè)計(jì)以及風(fēng)機(jī)的選擇，對(duì)除塵管網(wǎng)的影響非常大。由于影響因素非常大，在本次試驗(yàn)過(guò)程中，以DN450和DN200管道為試驗(yàn)對(duì)象，從這樣的管道內(nèi)推出其他管道的管道摩擦系數(shù)。

1 試驗(yàn)管路

圖1　除塵試驗(yàn)管道布置

2　試驗(yàn)基礎(chǔ)理論

氣體在管道內(nèi)依靠壓差而產(chǎn)生流動(dòng)，在管道內(nèi)，動(dòng)壓等于1/2ρV2，而靜壓為管道內(nèi)氣體作用在物體上的壓力，動(dòng)壓和靜壓為氣體的全壓值，一般風(fēng)機(jī)上提供的為全壓值，該值代表風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，某一個(gè)截面上動(dòng)壓和靜壓的和。

對(duì)于除塵系統(tǒng)，含塵氣體在管道內(nèi)的流速一般大于15 m/s，而在除塵管網(wǎng)中，除塵管道的直徑一般大于200 mm，因此在管道內(nèi)的雷諾數(shù)為：

Re=0.2×15/（1.5×10-6）=2×106

雷諾數(shù)為反映流動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)，在該值內(nèi)由于湍流脈動(dòng)非常強(qiáng)，因此，管道的粗糙度對(duì)摩擦阻力系數(shù)的影響比較小，從MOODY圖（見(jiàn)圖2）上也可以看出，本次試驗(yàn)就是基于在管道相對(duì)粗糙度對(duì)流動(dòng)影響幾乎可以忽略不計(jì)的情況下來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

圖2　MOODY表

對(duì)于雷諾數(shù)計(jì)算過(guò)程中，在不同溫度下，運(yùn)動(dòng)黏度如表1所示。

表1　不同溫度下運(yùn)動(dòng)黏度表

從表中也可以看出，隨著溫度升高，空氣黏度也逐漸增大，雷諾數(shù)減小，導(dǎo)致摩擦阻力系數(shù)增大，壓損增大。

3 試驗(yàn)方式

該試驗(yàn)布置采用一臺(tái)60方袋式脈沖除塵器，而一臺(tái)15 kW風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力源，考慮到非帶料測(cè)試，因此在DN200的管道上設(shè)計(jì)一個(gè)手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，在DN350管道上采用盲板來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量。

試驗(yàn)保證管道內(nèi)的風(fēng)速不低于15 m/s，大于此值才能保證雷諾數(shù)不會(huì)對(duì)摩擦阻力系數(shù)有很大的影響。

除塵管道內(nèi)氣量的計(jì)算一般也參考流速，控制流速在某個(gè)值之上，否則粉塵將沉積在管道內(nèi)。

對(duì)于本試驗(yàn)，由于除塵器不帶負(fù)載工作，因此管道阻力以及除塵器阻力較小，根據(jù)離心風(fēng)機(jī)工作特性曲線，風(fēng)機(jī)將會(huì)在最低全壓值附近運(yùn)行，而此時(shí)流量也最大。

而對(duì)于該風(fēng)機(jī)，當(dāng)流量為15 545 m3/min時(shí)，管道內(nèi)氣速為27 m/s（這里沒(méi)有考慮壓降損失），因此，將管道氣速由23 m/s降低在15 m/s，有很大的空間的可調(diào)余量。這對(duì)于試驗(yàn)是比較合適的。

而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于管道直徑，一般估算一個(gè)值，該值保證選用的風(fēng)機(jī)的氣量換算到管道內(nèi)的氣速后，能夠保證管道內(nèi)的速度不低于15 m/s。

而對(duì)于氣速，不可以偏高，如果氣速太高，由于摩擦阻力和氣速的平方成正比，因此，摩擦阻力會(huì)成倍增長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的全壓值不夠。

而在管道布置需要設(shè)計(jì)傾斜管時(shí)，則在設(shè)計(jì)的傾斜管與水平面的角度要大于物料的靜止摩擦角。

3.1管道中的壓力損失

根據(jù)流體力學(xué)原理，管道中流動(dòng)的氣體，通過(guò)任何截面時(shí)，其摩擦壓損失取決于管道的形狀、管道壁厚的的粗糙度、氣流動(dòng)壓。

具體公式如下：

其中：

ΔP—沿程壓力損失，Pa；

λ—沿程摩擦阻力系數(shù)；

L—直管段長(zhǎng)度，m；

D—管道直徑，m；

ρ—空氣密度，kg/m3；

V—?dú)怏w速度，m/s。

從以上公式可以看出，沿程壓力損失和摩擦阻力系數(shù)、管道長(zhǎng)度、空氣動(dòng)壓成正比，而和管道直徑成反比，而通過(guò)本公式，也可以反過(guò)來(lái)求解管道摩擦阻力系數(shù)。

3.2試驗(yàn)管道材料

在通風(fēng)除塵管路，由于管路較短大多數(shù)情況不超過(guò)30 m，因此所選用的風(fēng)機(jī)全壓值不大，通常選用鍍鋅管道基本可以滿足我們的要求，多數(shù)使用的是0.5～0.75 mm厚度的鍍鋅鐵皮，在計(jì)算過(guò)程中，我們采用鍍鋅鋼管的摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于鍍鋅鐵皮沒(méi)有一個(gè)明確的摩擦阻力系數(shù)。本試驗(yàn)就是針對(duì)鍍鋅鐵皮進(jìn)行摩擦阻力試驗(yàn)，從而通過(guò)對(duì)鍍鋅鐵皮的摩擦阻力試驗(yàn)獲得有用的數(shù)據(jù)，從而指導(dǎo)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3試驗(yàn)計(jì)算

設(shè)兩個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)位置分別為1和2，

在除塵系統(tǒng)中，流體可以視為不可壓縮流體，因此，V（速度）不變。

從式（1）可以看出，如果要測(cè)管道摩擦阻力系數(shù)，需要知道兩點(diǎn)的壓力差，兩點(diǎn)的管道長(zhǎng)度以及動(dòng)壓。

而管道長(zhǎng)度可以比較容易的測(cè)量，對(duì)于壓力差，采用DWYER的低壓手持式的壓力測(cè)試儀兩點(diǎn)的壓力差，而對(duì)于速度測(cè)試，一般采用熱探頭式風(fēng)速儀或者采用葉輪風(fēng)速儀。

當(dāng)獲得以上參數(shù)后，帶入公式，得到鍍鋅管摩擦阻力系數(shù)。

對(duì)于彎頭，采用折合局部阻力的方式，其計(jì)算公式為：

因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)試彎頭兩端的壓力差以及管道中氣流的速度，可以反推計(jì)算彎頭的局部阻力系數(shù)。

而對(duì)于三通，由于需要考慮分支管內(nèi)氣體的流動(dòng)，因此，測(cè)試非常復(fù)雜，在本試驗(yàn)內(nèi)，主要考慮采用主管DN450分支為DN200和DN350的一個(gè)三通管。

3.3測(cè)試注意事項(xiàng)

對(duì)于直管沿程管路阻力系數(shù)測(cè)定中，由于壓力波動(dòng)等原因，很可能導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)確，因此，在直管段測(cè)試中，采用較長(zhǎng)的管道，本試驗(yàn)采用的管道長(zhǎng)度在8～9 m，可以避免管道內(nèi)動(dòng)壓差別而產(chǎn)生的誤差。

對(duì)于彎頭測(cè)試，同樣測(cè)試點(diǎn)不在彎頭兩端，而是連接一段直管段，測(cè)試后減去直管段的長(zhǎng)度可以獲得彎頭的局部壓力損失直帶段數(shù)據(jù)及結(jié)果如表2、表3、表4所示。

表2　DN450直管段數(shù)據(jù)

表3　DN400管道數(shù)據(jù)

表4　DN200管道數(shù)據(jù)

表5　45。DN200彎頭數(shù)據(jù)表

表6　DN450彎頭數(shù)據(jù)表

表7　DN400彎頭數(shù)據(jù)表

表8　DN200動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)蝶閥

圖3　蝶閥開(kāi)度與阻力系數(shù)

彎頭數(shù)據(jù)，如表5、表6、表7所示。

對(duì)于DN200手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)蝶閥如表8所示。

有圖3及表8可以看出，蝶閥的阻力比較大，即使在開(kāi)度接近88%時(shí)，其阻力系數(shù)也基本上在0.6～0.7之間，

3.4結(jié)論

（1）從測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果來(lái)看，直管段管道摩擦阻力系數(shù)較小，一般在0.01～0.04之間，而彎頭摩擦阻力數(shù)一般在0.25～0.45之間，這個(gè)值較除塵設(shè)計(jì)手冊(cè)以及一些文獻(xiàn)上的值都有出入，基于保守，在后期設(shè)計(jì)中選用本測(cè)試值。

（2）對(duì)于設(shè)計(jì)值，統(tǒng)一取摩擦阻力系數(shù)為0.05。

（3）對(duì)于手動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)蝶閥，在設(shè)計(jì)中盡可能避免采用這種風(fēng)量調(diào)節(jié)方式，尤其是在主管道內(nèi)，如果其開(kāi)度在一半左右，那么其阻力損失就可以占到系統(tǒng)的一半以上，在風(fēng)量調(diào)節(jié)過(guò)程中，盡可能采用直插式閥（插板式閥）。

（4）在整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，直管的壓力損失只占有系統(tǒng)的20%～40%左右，大部分壓力損失來(lái)源于彎管和局部部件的壓力損失，因此后期設(shè)計(jì)過(guò)程種，盡可能的減少局部壓力損失部件，同時(shí)在設(shè)計(jì)三通時(shí)盡可能將三通接口設(shè)計(jì)成45°口接入而非90°口接入。

（5）本次試驗(yàn)對(duì)沿程摩擦系數(shù)、局部阻力系數(shù)及部分三通阻力系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試并得出了比較具體的摩擦系數(shù)，解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中所采用的設(shè)計(jì)公式?jīng)]有相對(duì)準(zhǔn)確的阻力系數(shù)問(wèn)題，對(duì)于選擇風(fēng)機(jī)、最終完成除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)具有重要的參考意義。

3.5應(yīng)用和推廣意義

此參數(shù)可以應(yīng)用在橡膠工業(yè)輪胎廠、制品廠或其他有粉塵產(chǎn)生廠家的除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決了在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有依據(jù)的情況，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)將為除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)阻力計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

該試驗(yàn)為基礎(chǔ)應(yīng)用型，針對(duì)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。盡管一些書(shū)籍上有關(guān)于除塵管道的阻力系數(shù)，比如除塵裝置系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)，除塵設(shè)計(jì)手冊(cè)上都有，但是一本書(shū)上選用的是0.02，而另一本書(shū)上給出的系數(shù)是0.15，相差7～8倍，而選用任何一個(gè)參數(shù)，都會(huì)導(dǎo)致非常大的誤差，因此我們通過(guò)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了比較可信的數(shù)據(jù)。除塵系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的研究有助于提高裝備的技術(shù)含量，提升競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)改善環(huán)境，符合國(guó)家綠色生產(chǎn)、節(jié)能環(huán)保的行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

（R-03）

Research and promotion of piping resistance coeffi cient for industrial dust removal system

TQ330.8

1009-797X（2016）10-0010-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.002

劉金一，2004年畢業(yè)于青島科技大學(xué)，工程師，長(zhǎng)期從事橡機(jī)設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)以及項(xiàng)目管理工作。

2016-02-29