微水節(jié)能熱風(fēng)閥壓力損失研究

陳川

摘 要：熱風(fēng)閥廣泛應(yīng)用于熱風(fēng)爐系統(tǒng)，是現(xiàn)代高爐煉鐵的重要設(shè)備之一。通過(guò)熱風(fēng)閥阻損試驗(yàn)和理論計(jì)算，給出了阻力損失和流量之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)某鋼廠(chǎng)DN1500閥板水道進(jìn)行改進(jìn)，可以有效地降低閥板的阻力系數(shù)，在相同的設(shè)計(jì)流量下，改進(jìn)后的閥板需要的系統(tǒng)壓力損失降低15%，可以達(dá)到節(jié)能降耗目的。同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明：冷卻水速由系統(tǒng)壓差和水道的當(dāng)量直徑?jīng)Q定，壓差越大，水速越大，冷卻水速和進(jìn)口壓力沒(méi)有直接的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)壓差一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)縮小水道截面尺寸有利于提高水速。當(dāng)截面積過(guò)小時(shí)，流速反而降低。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)閥；節(jié)能；阻力損失；水速

RESEARCH ON THE PRESSURE LOSS OF HOT BLAST VALVE WITH MINIMUM COOLING

Chen Chuan

（Zhongtian Iron and Steel Co.Ltd.，? ? Nantong? ? 226000， China）

Abstract：Hot blast valve is used in hot stove system widely and has become an important and indispensable equipment of blast furnace. In this paper， the relationship between pressure and flow volume is studied by pressure experiment and theoretical calculation. The resistant coefficient can be reduced significantly by improving the water channel of a certain Steel DN1500 valve plate. In the same flow volume conditions， the pressure loss for improved valve is 15% lower than original structure. Energy saving purpose is achieved. Meanwhile， the experiment shows that the cooling water velocity is determined by the pressure loss and water channel diameter. The larger pressure loss is， the higher water velocity is. The water velocity is not relevant directly with the inlet pressure. When the pressure is constant， decreasing the cross section of water channel within a certain range can increase the water velocity. However， the water velocity will decrease if the cross section of water channel is too small.

Key words： hot air valve; energy saving; resistance loss; speed of water

0? ? 引? ? 言

熱風(fēng)閥廣泛應(yīng)用于熱風(fēng)爐系統(tǒng)，是現(xiàn)代高爐煉鐵的重要設(shè)備之一[1]。在現(xiàn)代化高爐煉鐵生產(chǎn)中，送風(fēng)參數(shù)控制十分嚴(yán)格，因此熱風(fēng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)提高高爐產(chǎn)量、連續(xù)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用[2]。在熱風(fēng)閥的各個(gè)構(gòu)件中，常因閥板外水環(huán)出現(xiàn)裂紋而引起整個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，制約了熱風(fēng)閥的產(chǎn)品質(zhì)量提高和設(shè)備的使用壽命，提高閥板的使用壽命是延長(zhǎng)熱風(fēng)閥整體壽命的關(guān)鍵[3]。

提高外水環(huán)水速是防止閥板外水環(huán)出現(xiàn)裂紋的有效途徑之一。目前，在國(guó)內(nèi)，無(wú)論熱風(fēng)閥的設(shè)計(jì)單位，還是生產(chǎn)廠(chǎng)家，對(duì)熱風(fēng)閥閥板的設(shè)計(jì)流量及阻力分析大多限于經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，因此，不能給出水速和壓差之間的定量關(guān)系。

本文通過(guò)試驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合，給出了閥板壓力損失的計(jì)算方法，找到了壓力損失和流量之間的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)閥板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，既可以提高閥板的使用壽命，又能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，對(duì)閥板的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。

1? ? 阻損試驗(yàn)

本次試驗(yàn)閥板為世林漯河冶金設(shè)備有限公司研制出的一種新型微水節(jié)能熱風(fēng)閥[4]，同國(guó)內(nèi)外常規(guī)熱風(fēng)閥閥板相比[5]，該熱風(fēng)閥的節(jié)水、節(jié)能效果更加明顯。

試驗(yàn)主要由以下部分組成：無(wú)塔供水器，水泵，流量計(jì)，壓力表，DN1500閥板。試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)閥板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。試驗(yàn)內(nèi)容主要包含兩部分：一是進(jìn)口壓力恒定，通過(guò)出口閥門(mén)改變流量，測(cè)試出不同流量下閥板的壓力損失；二是測(cè)試不同進(jìn)口壓力下，流量和壓力損失之間的關(guān)系。

閥板內(nèi)的壓力損失包括兩部分。

1-入水口；2-閥桿；3-接口；4-連接水道；5-外環(huán)水道；6-內(nèi)環(huán)水道I；7-內(nèi)環(huán)水道II；8-接口；9-出水口

圖 2? ? 閥板結(jié)構(gòu)示意

1）流體與直管水道間的摩擦阻力損失，可用范寧（Fanning）公式[6]表示為：

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；L為水道長(zhǎng)度，m；d為水道當(dāng)量直徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s。

式中：A為 水道截面積；S為水道周長(zhǎng)。

2）流體在流動(dòng)過(guò)程中，流經(jīng)局部裝置時(shí)因截面突然變化，方向或大小迅速改變引起流場(chǎng)重新分布而產(chǎn)生的局部阻力損失：

對(duì)于不同的管路，局部阻力系數(shù)K的計(jì)算方法也不完全相同，文章列出本次計(jì)算過(guò)程中用到的局部阻力系數(shù)K的計(jì)算公式。

利用上述公式，可以計(jì)算出閥板各個(gè)部分的沿程阻力損失和局部阻力損失，并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。

2? ? 結(jié)果分析

圖1為冷卻水流量與壓力損失之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著冷卻水流量的增大，壓力損失逐漸提高，阻力損失與流量呈二次函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值非常接近，相對(duì)誤差在10%以?xún)?nèi)，基本能夠滿(mǎn)足工業(yè)要求。圖2計(jì)算了不同進(jìn)口壓力時(shí)，冷卻水流量和壓力損失之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著進(jìn)口壓力的增大，流量與壓損之間的關(guān)系近似保持不變，說(shuō)明對(duì)于相同的管路系統(tǒng)，壓力損失只和流量有關(guān)，和進(jìn)口壓力無(wú)關(guān)。圖1和圖2的試驗(yàn)結(jié)果與阻力損失計(jì)算結(jié)果吻合較好，充分表明了試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的可靠性。

利用阻損公式分別計(jì)算閥板各個(gè)部分的沿程阻力損失和局部阻力損失，如圖3、圖4所示。閥板外水道分為上下兩層，橫截面積比內(nèi)圈水道小，水道比較長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，沿程阻力損失主要集中在外環(huán)水道，而局部阻力損失則主要集中在連接水道位置，如圖5a所示。連接水道位置近似為直角三通分流（共有9處），? ，阻力系數(shù)比較大，占閥板整體阻力損失的50%左右，因此應(yīng)將拐角處設(shè)計(jì)得比較圓滑，如圖5b所示，將隔水板移到拐角處，避免形成三通分流結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)連接水道進(jìn)行改進(jìn)，可以有效地降低閥板整體的阻力系數(shù)，在相同的設(shè)計(jì)流量下，改進(jìn)后的閥板需要的系統(tǒng)壓力損失降低15%，可以達(dá)到節(jié)能降耗目的。也可以通過(guò)縮小外圈水道的當(dāng)量直徑，增加外圈水道的壓力，從而在保證閥板設(shè)計(jì)流量和系統(tǒng)壓力不變的條件下，提高外圈水道的流速，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在相同的系統(tǒng)壓力下，改進(jìn)后的外水環(huán)水速大約為4 m/s，比改進(jìn)前提高了0.5 m/s，可以更有效減小外圈水道由于局部過(guò)熱出現(xiàn)破裂的可能性。

同時(shí)，對(duì)于閥板不同位置可采取不同的設(shè)計(jì)方法，對(duì)過(guò)熱度不高的地方，水道當(dāng)量直徑可以適當(dāng)大些，這樣可以減小阻力損失。對(duì)于局部過(guò)熱的位置可以縮小管徑。因此，通過(guò)對(duì)不同位置水道截面進(jìn)行改進(jìn)，可以在進(jìn)口壓力和流量不變的條件下改變閥板內(nèi)的壓力分布和流速分布。

提高冷卻水速可以有效的預(yù)防閥板出現(xiàn)裂紋，延長(zhǎng)熱風(fēng)閥使用壽命。許多設(shè)計(jì)人員通過(guò)縮小外水環(huán)橫截面積提高冷卻水速。在系統(tǒng)壓力一定的前提下，為了研究外水環(huán)水速與截面積之間的關(guān)系，在內(nèi)環(huán)水道尺寸固定的前提下，對(duì)外水環(huán)的不同截面尺寸進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6a可以看出，在相同壓力下，隨著外水環(huán)截面尺寸的減小，水速開(kāi)始變大，但是當(dāng)截面尺寸小于40 mm×20 mm時(shí)，水速反而降低，主要原因?yàn)殡S著外水環(huán)截面尺寸的減小，壓力損失 逐漸增大，當(dāng) 趨于系統(tǒng)總阻損 時(shí)，由阻損公式（1）可以看出， 不變時(shí)，速度隨著管徑的變小而減小。因此在系統(tǒng)壓差一定的條件下，通過(guò)縮小截面尺寸實(shí)現(xiàn)提高管路局部位置流速的方法是有一定適用范圍的。流速的大小不僅與截面積有關(guān)，截面的當(dāng)量直徑對(duì)流速的影響也很大。在保證進(jìn)口壓力和阻力損失不變的前提下，可以通過(guò)優(yōu)化水道截面尺寸，節(jié)約用水量，這也是微水節(jié)能熱風(fēng)閥的優(yōu)勢(shì)之一。

3? ? 結(jié)? ? 論

1）通過(guò)對(duì)DN1500閥板水道進(jìn)行改進(jìn)，可以有效地降低閥板的阻力系數(shù)，在相同的設(shè)計(jì)流量下，改進(jìn)后的閥板需要的系統(tǒng)壓力損失降低15%；

2）通過(guò)對(duì)水道隔水板位置進(jìn)行改進(jìn)，可以在保證閥板設(shè)計(jì)流量和系統(tǒng)壓力不變的條件下，提高外圈水道的流速，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在相同的系統(tǒng)壓力下，改進(jìn)后的外環(huán)水速大約為4 m/s，比改進(jìn)前提高了0.5 m/s，可以更有效地減小外圈水道由于局部過(guò)熱出現(xiàn)破裂的可能性；

3）對(duì)于固定的管路系統(tǒng)，冷卻水速由進(jìn)出口壓差和水道當(dāng)量直徑?jīng)Q定，和系統(tǒng)進(jìn)口壓力沒(méi)有直接的關(guān)系；

4）在系統(tǒng)壓差一定的條件下，采用縮小截面尺寸實(shí)現(xiàn)提高管路局部位置流速的方法是有一定適用范圍的。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 李金海，熊濱生.微水節(jié)能熱風(fēng)閥閥板的模擬分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008（3）：66-68+80.

[2]? ? 李亞靜，頃永宏.熱風(fēng)閥流場(chǎng)模擬[J].山西冶金，2009，32（4）：4-6+10.

[3]? ? 馬學(xué)東，宋兆峰，李玲玲.高爐熱風(fēng)閥閥板的長(zhǎng)壽研究[J].鞍鋼技術(shù)，2008（1）：15-18.

[4]? ? 馮力，張明正，王銀河，等.微水節(jié)能熱風(fēng)閥的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].煉鐵，2006（4）：47-49.

[5]? ? Pryadko Vm， Kotov Ki， Zhak Am， et al. Improvement of the Service Life and Efficiency of Stove Hot Blast Valves [J]. Metallurg， 1971 （4）：8～10.

[6]? ? 張先棹．冶金傳輸原理[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1988.．