沸騰冷卻床的設(shè)計(jì)說(shuō)明

曹紅范，楊玉祥，曹玉萱

（中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司，天津 300113）

1 概述

鑄造行業(yè)中，V 法鑄造、消失模鑄造、廢砂（粘土砂、樹(shù)脂砂）熱法再生等生產(chǎn)過(guò)程中都要使用干砂冷卻器，將高溫?zé)嵘袄鋮s至生產(chǎn)過(guò)程中工藝要求的溫度。適用于這種干砂冷卻的冷卻器常見(jiàn)的有滾筒式冷卻器和沸騰式冷卻器兩種，我們習(xí)慣上把沸騰式冷卻器稱(chēng)為沸騰冷卻床。國(guó)內(nèi)大多數(shù)鑄造企業(yè)采用沸騰冷卻床冷卻熱砂，少數(shù)鑄造企業(yè)采用的滾筒式砂冷卻器。

每個(gè)鑄造企業(yè)由于鑄件品種和產(chǎn)量各不相同，他們所需砂處理系統(tǒng)的處理量各不相同，1 臺(tái)性能優(yōu)良的沸騰冷卻床對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，它既滿足生產(chǎn)工藝要求，又節(jié)能環(huán)保。

設(shè)計(jì)沸騰冷卻床時(shí)，我們首先確定幾個(gè)主要參數(shù)[1]：處理能力（t/h）、入料粒度、入料溫度、出料溫度、冷卻水的初始溫度、經(jīng)過(guò)熱交換后冷卻水的溫度；其中關(guān)于冷卻水溫度參數(shù)一定要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定，例如當(dāng)?shù)爻Ｄ甑钠骄鶜鉁?、最高氣溫、最低氣溫、濕度等。然后?jīng)過(guò)計(jì)算確定冷卻水用量、沸騰床的風(fēng)量、風(fēng)壓、冷卻面積等參數(shù)，這些參數(shù)是否合適直接影響沸騰冷卻床砂層的流化效果、冷卻效果、是否節(jié)能等。

接下來(lái)根據(jù)各種參數(shù)綜合考慮，確定沸騰床體的結(jié)構(gòu)形式，要求結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單、便于維護(hù)；最后根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓為沸騰床配備一臺(tái)合適風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的性能決定床體內(nèi)的砂層流態(tài)化效果。

下面詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)沸騰冷卻床各種參數(shù)的理論計(jì)算以及參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值；床體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介；羅茨風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)分析。

2 沸騰冷卻床的參數(shù)確定

2.1 沸騰床參數(shù)的理論計(jì)算

盛振湘先生1993 年在《中國(guó)鑄機(jī)》雜志第6期（總168 期）上發(fā)表了名為《V 法造型熱砂沸騰冷卻床的設(shè)計(jì)計(jì)算》的一篇論文[2]，講述了沸騰床設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)壓、風(fēng)量、冷卻水量及速度、換熱面積、等相關(guān)參數(shù)值的理論計(jì)算，并且給出了一些經(jīng)驗(yàn)取值?？氨冉炭茣?shū)般經(jīng)典。

根據(jù)V 法鑄造、消失模鑄造、舊砂再生的砂粒特性，對(duì)《V 法造型熱砂沸騰冷卻床的設(shè)計(jì)計(jì)算》一文中的計(jì)算公式進(jìn)行整理簡(jiǎn)化，使大家在設(shè)計(jì)鑄造砂用沸騰冷卻床時(shí)方便計(jì)算。

整理公式時(shí)，選定的砂粒參數(shù)如下：粒度范圍70～120 目，砂粒表面形狀系數(shù)фs 為0.9，砂粒平均直徑Ds 為0.15mm，砂粒堆積密度ρs為1400kg/m3，砂粒密度ρp為2330kg/m3。

（1）沸騰床水平截面流化風(fēng)速VL（m/s）

式中，Vmf（臨界流化速度）=0.027m/s。

（2）沸騰床的壓降ΔP（kPa）

式中，H 為床體內(nèi)砂層沸騰時(shí)的厚度（m）。

（3）換熱面積

為了提高換熱效率,通常采用逆流式換熱。

式中，Q 為所需換熱量（W）；△Tln為對(duì)數(shù)平均溫（℃）；K 為冷卻床傳熱系數(shù),K=191.67。

式中，C砂為砂子比熱，C砂=0.71J/（kg·℃）；G 為單位時(shí)間內(nèi)需冷卻熱砂量（kg/s）；△T1為砂子的溫差（℃）。

式中，△T1為砂子的溫差（℃）；△T2為冷卻水的溫差（℃）。

根據(jù)計(jì)算的換熱面積，結(jié)合沸騰床的結(jié)構(gòu),選擇管子直徑d（m），就可以確定管子的排數(shù)n 以及管長(zhǎng)L（m）。這3 個(gè)參數(shù)與換熱面積之間的關(guān)系如下：F=ndL。

（4）冷卻水用量

式中，G砂為需要冷卻的砂的質(zhì)量（kg）；C砂為砂子比熱，C砂=0.71J/（kg·℃）；G 水為冷卻水的質(zhì)量（kg）；C水為水的比熱，C水=4.18J/（kg·℃）；△T1為砂子的溫差（℃）；△T2為冷卻水的溫差（℃）。

（5）水流速度

流速V水=0.32m/s，可以利用水流速度、冷卻水用量、冷卻水管總截面積進(jìn)行相互校核。

2.2 介紹根據(jù)實(shí)際測(cè)試得出參數(shù)值的取值方法

2.2.1 檢測(cè)過(guò)程說(shuō)明

為了能夠更準(zhǔn)確掌握沸騰冷卻床的各種參數(shù)，我們根據(jù)盛振湘先生給出的計(jì)算公式，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于試驗(yàn)的沸騰冷卻床；在冷卻水進(jìn)水管上安裝了流量計(jì)和手動(dòng)蝶閥，用來(lái)調(diào)節(jié)和檢測(cè)冷卻水的流量，在冷卻水的出水管上安裝溫度傳感器，在實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄水溫的變化，檢測(cè)冷卻水流量、水溫差與出砂口砂溫的關(guān)系；沸騰風(fēng)機(jī)我們選擇羅茨鼓風(fēng)機(jī)，因?yàn)榱_茨鼓風(fēng)機(jī)屬于容積式風(fēng)機(jī)，它的鼓風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機(jī)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，便于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)風(fēng)量大小，觀察沸騰效果和砂冷卻效果。我們?cè)陲L(fēng)機(jī)與沸騰冷卻床連接的主管道上安裝了壓力傳感器，觀察隨著砂層厚度的不同，設(shè)備風(fēng)箱內(nèi)壓力的變化。在砂層上方300mm 的地方用測(cè)速儀測(cè)量床體內(nèi)不同位置處的風(fēng)速，然后取平均值，再根據(jù)床體的水平截面積，計(jì)算出風(fēng)量。在風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速情況下觀測(cè)砂層的沸騰情況。

2.2.2 沸騰床的最佳流化狀態(tài)描述

當(dāng)冷卻床內(nèi)砂層達(dá)到流化的狀態(tài)時(shí)，把手放入沸騰的砂層內(nèi)，手的感覺(jué)就像手放在水里面一樣，來(lái)回上下移動(dòng)，手感覺(jué)所受到的阻力很小。砂層表面冒出的氣泡分布均勻，類(lèi)似水沸騰狀。流態(tài)化砂層流動(dòng)性非常好。當(dāng)風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)，砂層與床體四壁接觸處稍微高些，形成一條砂帶，寬約60mm左右，與床體接觸處最高，約30mm 左右，距離床體越遠(yuǎn)，高度越小，最后與中間部分融合，其余砂層表面非常平整。

2.2.3 參數(shù)計(jì)算方法

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，得出如下經(jīng)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算方法。

2.2.3.1 沸騰冷卻床風(fēng)量

式中，Q 為沸騰冷卻床所需風(fēng)量（m3/min）；K 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取值范圍1.0～1.3，建議當(dāng)砂層靜止時(shí)厚度在300mm 以下時(shí)K 值取1.0，當(dāng)砂層靜止厚度在300mm～500mm 時(shí)，K 值取1.1 或1.2，當(dāng)砂層厚度超過(guò)500mm 時(shí)，K 值取1.3；S 為沸騰冷卻床砂層的水平面面積（m2）；V 為穿越沸騰床砂層的風(fēng)速，經(jīng)驗(yàn)取值為0.12m/s。

2.2.3.2 沸騰冷卻床所需風(fēng)壓

當(dāng)沸騰冷卻床內(nèi)砂層厚度增加時(shí)，達(dá)到良好沸騰狀態(tài)，所需風(fēng)壓隨之增大，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)整理后得出，風(fēng)壓與砂層厚度之間的關(guān)系可以用下面公式表達(dá)：

式中，P 為沸騰床所需風(fēng)壓（kPa）；H 為靜止時(shí)砂層厚度（mm）；p 為附加值（kPa），當(dāng)砂層厚度小于350mm 時(shí)，p 值取1.5，當(dāng)砂層厚度大于350mm時(shí)，p 值取2.5。

2.2.3.3 冷卻水流速度測(cè)試及取值

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（冷卻水進(jìn)口水溫、冷卻水出口水溫、冷卻水管進(jìn)水管的流量、冷卻床出砂口的砂溫）整理得出，當(dāng)床體內(nèi)冷卻水管內(nèi)水的流速在0.3m/s～0.34m/s 之間時(shí)，冷卻效果最好。

3 沸騰冷卻床結(jié)構(gòu)選擇

目前鑄造企業(yè)使用的沸騰冷卻床的結(jié)構(gòu)形式有所不同，主要差別在于冷卻水管布置方式不同，布風(fēng)板的機(jī)構(gòu)形式不同。圖1 和圖2 是兩種不同結(jié)構(gòu)形式的沸騰冷卻床示意圖，下面分別對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

3.1 兩種冷卻水管布置形式的特點(diǎn)

沸騰冷卻床的冷卻水管布置方式分為橫向布置（圖1 所示）和縱向布置（圖2 所示）。冷卻水管橫向布置時(shí)，冷卻水管與床體焊接在一起，構(gòu)成床體的一部分。如果冷卻砂量很大時(shí)，床體又寬又長(zhǎng)，水管的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，水管中間需要安裝支撐，床體焊接過(guò)程麻煩，運(yùn)行長(zhǎng)時(shí)間后，磨損水管更換起來(lái)也比較麻煩，這種布置方式適合處理量在25t/h以下的沸騰冷卻床。冷卻水管縱向布置時(shí)，可以將冷卻水管制作成若干個(gè)冷卻單元，然后將這種冷卻單元與床體用螺栓連接，如圖（2）所示。這種方式每根水管比較短，即使出現(xiàn)水管破損，更換起來(lái)也比較方便。這種方式適合于砂處理量很大的沸騰冷卻床。

圖1 沸騰冷卻床結(jié)構(gòu)示意圖（1）

圖2 沸騰冷卻床結(jié)構(gòu)示意圖（2）

3.2 兩種布風(fēng)板形式的特點(diǎn)

布風(fēng)板形式分為風(fēng)帽型和玻璃纖維型兩種；風(fēng)帽型布風(fēng)板的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它是一塊鋼板按照一定的間距要求加工螺紋孔，擰上風(fēng)帽即可，如果風(fēng)帽磨損，更換起來(lái)也比較方便。而玻璃纖維型布風(fēng)板的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它是由上層壓板、15×15鋼絲網(wǎng)（鋼絲直徑3mm）、120 目不銹鋼篩網(wǎng)、60 目不銹鋼篩網(wǎng)、玻璃纖維布、20×20 鋼絲網(wǎng)（鋼絲直徑4mm）、支撐鋼板組成，結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖3 玻璃纖維氈型布風(fēng)板示意圖

玻璃纖維氈這種形式的布風(fēng)板安裝時(shí)非常麻煩，并且玻璃纖維氈使用時(shí)間久了容易老化，在高壓高速氣流的作用下容易穿孔，如果處理不好，容易漏風(fēng)，影響沸騰床的沸騰效果。

這兩種形式布風(fēng)板的尺寸可大可小，一臺(tái)沸騰冷卻床的布風(fēng)板和風(fēng)箱可以分割成幾塊，減輕每塊的重量，便于安裝和維護(hù)。

3.3 推薦沸騰冷卻床的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)以上對(duì)沸騰床結(jié)構(gòu)的分析，并根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議每小時(shí)處理量在25t 以下時(shí)選用橫向冷卻水管的布置方式；每小時(shí)處理量在25t以上時(shí)選用縱向冷卻水管布置方式；布風(fēng)板的形式采用風(fēng)帽型。

4 風(fēng)機(jī)的選擇

沸騰床配置的風(fēng)機(jī)選擇也非常關(guān)鍵，用于沸騰冷卻床的風(fēng)機(jī)有羅茨風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)兩種，

羅茨風(fēng)機(jī)的壓力范圍寬，為9.8kPa～98kPa，離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓最高達(dá)15.7kPa；在電機(jī)功率相同的情況下離心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大，羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量相對(duì)較小。

4.1 羅茨風(fēng)機(jī)特點(diǎn)

羅茨風(fēng)機(jī)是容積式風(fēng)機(jī)的一種，壓力的變化對(duì)風(fēng)量影響很小，風(fēng)量與羅茨風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，如果采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，但它輸出風(fēng)壓不變。羅茨風(fēng)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）風(fēng)機(jī)振動(dòng)小，噪聲低；（2）風(fēng)機(jī)容積利用率大，容積效率高，且結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方式靈活多變；（3）風(fēng)機(jī)種類(lèi)多，可選擇范圍廣。羅茨風(fēng)機(jī)有很多種類(lèi)，如三葉羅茨風(fēng)機(jī)、二葉羅茨風(fēng)機(jī)、雙級(jí)串聯(lián)羅茨風(fēng)機(jī)等。三葉羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)量較小，風(fēng)壓高；二葉羅茨風(fēng)機(jī)，風(fēng)量較大，壓力不是很大；雙級(jí)串聯(lián)羅茨風(fēng)機(jī)，壓力又大、風(fēng)量也大。（4）壓力范圍廣。羅茨風(fēng)機(jī)的壓力范圍為9.8kPa～98Pa。

4.2 離心式風(fēng)機(jī)特點(diǎn)

與羅茨風(fēng)機(jī)相比，離心式風(fēng)機(jī)的制作成本相對(duì)較低；在輸出風(fēng)量、風(fēng)壓相同的情況下，離心風(fēng)機(jī)的占地面積較大；離心式風(fēng)機(jī)的輸出壓力受進(jìn)氣溫度或密度影響較大。對(duì)一個(gè)給定的進(jìn)氣量，隨著進(jìn)氣溫度升高，輸出的壓力降低；離心風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)壓范圍是0.177kPa～15.7kPa。

選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，根據(jù)沸騰床需要的風(fēng)量、風(fēng)壓選擇合適的風(fēng)機(jī)，既要注意節(jié)約投資成本又要注意風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的節(jié)能。

5 結(jié)語(yǔ)

前面介紹了如何從理論上計(jì)算沸騰冷卻床的各種參數(shù)，然后又介紹了實(shí)驗(yàn)得出的各個(gè)參數(shù)的取值；在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，將計(jì)算參數(shù)值與實(shí)驗(yàn)得出參數(shù)值進(jìn)行比較，選取合理的參數(shù)值；再根據(jù)實(shí)際情況，確定床體結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)出1 臺(tái)滿意的沸騰冷卻床。