谈通风管道局部阻力计算方法
胡宝林
在通风除尘与气力输送系统中,管道的局部阻力主要在弯头、变径管、三通、阀门等管件与重杂物分离器、供料器、卸料器、除尘器等设备上产生。
由于管件形状与设备结构的不确定性以及局部阻力的复杂性,目前许多局部阻力系数还不能用公式进行计算,只能通过大量的实验测试阻力再推算阻力系数,并制成表格供设计者查询。
例如在棉花加工生产线上,常规的漏斗形重杂物分离器压损为300a P 左右,离心式籽棉卸料器压损为400a P 左右,这些都就是实测数据,由于规格结构不同差异也会很大,所以仅供参考。
只有一些常见的形状或结构比较确定的管件及设备可通过公式计算阻力系数,例如弯头、旋风除尘器等。
局部阻力就是管道阻力的重要组成部分,一个4R D = 90°弯头的阻力相当于2、5～6、5m 的直管沿程阻力。
由于涉及到局部阻力的管件种类繁多,不便一一列举,因此,本文以弯头等常用管件为例重点讨论在纯空气下与带料运行时的局部阻力系数的变化及局部阻力计算方法。
一、纯空气输送时局部阻力与系数 1、局部阻力
当固体边界的形状、大小或者两者之一沿流程急剧变化,流体的流动速度分布就会发生变化,阻力大大增加,形成输送能量的损失,这种阻力称为局部阻力。
在产生局部损失的地方,由于主流与边界分离与漩涡的存在,质点间的摩擦与撞击加剧,因而产生的输送能量损失比同样长的直管道要大得多,局部阻力与物料的密度及速度的平方成正比,局部阻力计算公式:
2
2
j d H H ρυξξ=⋅=⋅
式中:j H —局部阻力,a P ;
ξ—局部阻力系数,实验取得或公式计算; d H —动压,a P ;
ρ—空气密度,1、2053/kg m (20°℃); υ—空气流速,/m s
2、阻力系数
阻力系数的确定有两种方法,一就是查表法,二就是公式法。
查表法:许多管件或设备都具有特殊的形状或结构,阻力系数难以用理论公式计算,只能通过测试阻力后再反推阻力系数。
为了便于查询与参考,通过大量的实验已经制成了查询表。
例如表一所示的就就是常见规格圆形管道弯头的局部阻力系数查询表。
表中的数据都就是实测数据。
弯头阻力系数查询表
公式法:弯头、旋风除尘器都具有比较规范的结构与形状,可以根据其主要结构参数通过公式进行计算,计算方法如下:
(一)弯头阻力系数:0.75
0.6
0.008
R D αξ=⎛⎫
⎪⎝⎭
式中:α—弯曲角,°;
R —曲率半径,mm; D —管道直径,mm 。
(二)旋风除尘器阻力系数:ξ=
式中: ξ—除尘器的局部阻力系数; K —系数,20～40,一般取30; A —除尘器进口截面积,2m ;
p D —排风管直径,m ; h —直筒高,m ;
1h —锥筒高,m 。
计算结果与实测结果基本一致,如表二所示。
弯头阻力系数表(公式计算)
二、物料输送时局部阻力系数附加
前面介绍的公式中的局部阻力系数就是按纯空气流动时计算的,当输送物料时,因物料的浓度影响加剧了局部阻力,因此要按输送浓度附加阻力系数,研究还发现,对于供料器、管道的三通、变径管等阻力系数基本可按纯空气再附加计算,()1j ξμξ=+。
对于卸料器与除尘器,在器内的物料与灰尘的运动,就是靠惯性进行的,无需附加压损。
但就是对于弯头,它除了取决于物料性质、气流速度、弯曲角度及曲率半径外,由于物料在转弯的同时受物料重力等影响,还与弯头的空间走向有关。
即使弯头的规格完全相同,但空间走向不同则阻力系数也会不同,基本走向如图一所示。
图一
图中可见,当输送物料时,水平转垂直向上的弯头附加阻力系数最大,为2、2,其次就是垂直向上转水平附加阻力系数为1、6,然后就是水平转水平为1、5,较小的就是水平转垂直向下与垂直向下转水平分别为0、7与1、0。
这样在计算物料输送时弯头的局部阻力系数公式应扩展为:
()2
12
jw w w H K ρυμξ=+⋅
式中:jw H —物料输送时含有阻力附加系数的弯头局部阻力,a P ; w K —物料输送时因空间走向不同而附加的阻力系数,如图一; μ—输送浓度(输送混合比);
w ξ—输送纯空气时弯头的阻力系数(查表或计算); ρ—空气密度,1、2053/kg m (20°℃); υ—空气流速,/m s 三、不同空间走向弯头阻力分析
现以轧花厂外吸籽棉管道弯头为例计算分析。
基本输送参数:籽棉输送量8500/kg h ,混合比0、8,输送风速24/m s ,管道直径360mm ,籽棉从进口先后经过三个4R D = 90°弯头后再经过直管进入车间的卸料器,三个弯头分别就是水平转垂
直向上、垂直向上转水平、水平转水平。
现分别计算输送纯空气与输送籽棉时的局部阻力。
1、计算输送纯空气时的局部阻力系数与阻力
0.75
123
0.6900.0080.1024
w w w ξξξ===⨯=
2
123
1.205240.10235.42
jw jw jw H H H ⨯===⨯=(a P )
35.43106.2jw H =⨯=(a P )
2、计算输送籽棉时的局部阻力系数与阻力
()11 2.20.80.1020.281w ξ=+⨯⨯= ()21 1.60.80.1020.232w ξ=+⨯⨯=
()31 1.50.80.1020.224w ξ=+⨯⨯=
2
1 1.205240.28197.52jw H ⨯=⨯=(a P )
2
2
1.205240.23280.52jw H ⨯=⨯=(a P )
2
3
1.205240.22477.72
jw H ⨯=⨯=(a P )
97.580.577.7255.7jw H =++=(a P )
显然,考虑到输送物料时因弯头的空间走向不同其阻力系数也不同,局部阻力系数比输送纯空气时要大得多,局部阻力约等于纯空气时的2～3倍。
所以在计算弯头阻力时不能仅仅按纯空气时的系数来计算,必须考虑物料的输送浓度μ与弯头的空间走向。
这也充分说明,为什么有时计算的管道阻力比实际阻力小很多,甚至有些人只重视经验数据而轻视理论计算之缘故。
四、弯头阻力系数与节数有关
目前绝大多数薄铁制作的弯头都就是多节弯头,同样管径、弯曲角度与曲率半径的弯头,由于节数不同阻力系数也不同,节数越多则阻力系数越小。
如表三所示。
多节弯头阻力系数表
表三
从表三可见,明确制作弯头的节数就是很必要的,节数包含两个端节,端节就是中节的一般,虽然节数越多阻力系数越小,但就是节数越多制作越麻烦,一般要求中间节最窄宽度尺寸不低于50mm。
随着薄铁加工技术的不断进步,机械制作弯头可以实现节数更多、阻力更小,甚至一次成型的无节弯头必将逐步取代手工制作的多节弯头。
可见弯头节数多少问题不仅就是制作工艺问题,也就是设计问题。