工業除塵系統管道阻力系數研究及推廣

劉金一

（軟控股份有限公司，山東　青島　266042）

工業除塵系統管道阻力系數研究及推廣

劉金一

（軟控股份有限公司，山東青島266042）

針對工業環境除塵的要求，通過試驗測算出管道阻力系數的數值，對正確設計除塵管網提供參考依據，同時具有一定的指導意義。日常除塵系統的計算都參考除塵系統設計手冊，余量較大，其誤差同樣很大，不同的參考書上給出的系數在0.02～0.15之間，誤差過大，因此本試驗的目的就是通過試驗測試出更加具體的摩擦系數，用于設計時，能夠更準確的選擇風機的全壓值，防止系統設計失誤等問題出現。

工業除塵；試驗；鍍鋅板（鐵皮）管道；阻力系數；設計推廣；綠色節能環保

橡膠行業是典型的勞動密集型、高污染企業，該行業在過去長時間以來處于裝備自動化程度低、利潤低、勞動強度大、持續時間長、工作環境差、廢水、廢氣、廢渣排放高的不良發展模式中，隨著新一輪工業革命的到來，這些落后的方式必然要進行改變。2015年5月，我國政府發布“中國制造2025”行動綱要，其中在“九大任務”提出全面推行綠色制造，要求清潔、綠色、節能減排，實現“零排放”。早在2014年3月中國橡膠工業協會發布《綠色輪胎技術規范》，提出了綠色輪胎的清潔生產和污染物排放要求，其中對大氣排放物的排放標準都有具體要求，這一“規范”也是對整個橡膠行業的要求。很多不符合排放要求的企業勢必在國家和當地部門環評的審查中逐漸被淘汰。本文就是在此政策和行業背景下做的研究。

在工業生產過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，而在車間生產過程中，由于投料、搬用、氣力輸送、混合，下料、篩選等過程中不可避免的存在粉塵的飛揚，這些粉塵將影響環境安全、設備的使用壽命及操作人員的身體健康，特別是近些年來國家各項環境治理法規的頒布實施以及人們環保意識日益加強，因此除塵成為車間生產過程中一個必不可少的環節。

從車間設備布置來看，為了滿足生產工藝需要，設備布置要讓位于物流通道、工藝流程等車間生產第一任務，因此需要通盤考慮，在這個過程中，除塵系統設計只能是次要設備布置時需要考慮的因素。了解這樣的過程，對于設計除塵管路有一定的幫助。

在除塵系統設計過程中，其涉及的部件主要是風機、除塵器、除塵管道、吸塵口（除塵罩）等，從表面上看這些設備沒有太大技術特點，可以作為通用設備選用，但是對于不同的物料，不同的管材，其最終設計出來的系統效果卻相差很大，設計不好直接導致系統癱瘓，影響車間生產。

根據車間內工藝設備的布置和生產特點，首先正確估計粉塵的散發源及散發程度。比如在橡膠廠，主要是炭黑，由于炭黑粒度分布非常廣，同時具有一定的黏度，因此該物料在散裝物料處理過程中需要制定比較嚴格的除塵系統。保證在合適的經濟條件下，系統比較穩定。

而對于除塵系統，當除塵方案確定后，需要確定的是除塵管網的布置，除塵管路中彎頭、三通等設計以及風機的選擇，對除塵管網的影響非常大。由于影響因素非常大，在本次試驗過程中，以DN450和DN200管道為試驗對象，從這樣的管道內推出其他管道的管道摩擦系數。

1 試驗管路

圖1　除塵試驗管道布置

2　試驗基礎理論

氣體在管道內依靠壓差而產生流動，在管道內，動壓等于1/2ρV2，而靜壓為管道內氣體作用在物體上的壓力，動壓和靜壓為氣體的全壓值，一般風機上提供的為全壓值，該值代表風機在運行過程中，某一個截面上動壓和靜壓的和。

對于除塵系統，含塵氣體在管道內的流速一般大于15 m/s，而在除塵管網中，除塵管道的直徑一般大于200 mm，因此在管道內的雷諾數為：

Re=0.2×15/（1.5×10-6）=2×106

雷諾數為反映流動狀態的參數，在該值內由于湍流脈動非常強，因此，管道的粗糙度對摩擦阻力系數的影響比較小，從MOODY圖（見圖2）上也可以看出，本次試驗就是基于在管道相對粗糙度對流動影響幾乎可以忽略不計的情況下來進行測試。

圖2　MOODY表

對于雷諾數計算過程中，在不同溫度下，運動黏度如表1所示。

表1　不同溫度下運動黏度表

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

3 試驗方式

該試驗布置采用一臺60方袋式脈沖除塵器，而一臺15 kW風機作為動力源，考慮到非帶料測試，因此在DN200的管道上設計一個手動風量調節閥，在DN350管道上采用盲板來調節風量。

試驗保證管道內的風速不低于15 m/s，大于此值才能保證雷諾數不會對摩擦阻力系數有很大的影響。

除塵管道內氣量的計算一般也參考流速，控制流速在某個值之上，否則粉塵將沉積在管道內。

對于本試驗，由于除塵器不帶負載工作，因此管道阻力以及除塵器阻力較小，根據離心風機工作特性曲線，風機將會在最低全壓值附近運行，而此時流量也最大。

而對于該風機，當流量為15 545 m3/min時，管道內氣速為27 m/s（這里沒有考慮壓降損失），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余量。這對于試驗是比較合適的。

而在設計過程中，對于管道直徑，一般估算一個值，該值保證選用的風機的氣量換算到管道內的氣速后，能夠保證管道內的速度不低于15 m/s。

而對于氣速，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，摩擦阻力會成倍增長，可能會導致風機的全壓值不夠。

而在管道布置需要設計傾斜管時，則在設計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

根據流體力學原理，管道中流動的氣體，通過任何截面時，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；

L—直管段長度，m；

D—管道直徑，m；

ρ—空氣密度，kg/m3；

V—氣體速度，m/s。

從以上公式可以看出，沿程壓力損失和摩擦阻力系數、管道長度、空氣動壓成正比，而和管道直徑成反比，而通過本公式，也可以反過來求解管道摩擦阻力系數。

3.2試驗管道材料

在通風除塵管路，由于管路較短大多數情況不超過30 m，因此所選用的風機全壓值不大，通常選用鍍鋅管道基本可以滿足我們的要求，多數使用的是0.5～0.75 mm厚度的鍍鋅鐵皮，在計算過程中，我們采用鍍鋅鋼管的摩擦阻力系數進行計算，而對于鍍鋅鐵皮沒有一個明確的摩擦阻力系數。本試驗就是針對鍍鋅鐵皮進行摩擦阻力試驗，從而通過對鍍鋅鐵皮的摩擦阻力試驗獲得有用的數據，從而指導除塵系統設計。

3.3試驗計算

設兩個不同的測試點位置分別為1和2，

在除塵系統中，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，如果要測管道摩擦阻力系數，需要知道兩點的壓力差，兩點的管道長度以及動壓。

而管道長度可以比較容易的測量，對于壓力差，采用DWYER的低壓手持式的壓力測試儀兩點的壓力差，而對于速度測試，一般采用熱探頭式風速儀或者采用葉輪風速儀。

當獲得以上參數后，帶入公式，得到鍍鋅管摩擦阻力系數。

對于彎頭，采用折合局部阻力的方式，其計算公式為：

因此，在試驗過程中，通過測試彎頭兩端的壓力差以及管道中氣流的速度，可以反推計算彎頭的局部阻力系數。

而對于三通，由于需要考慮分支管內氣體的流動，因此，測試非常復雜，在本試驗內，主要考慮采用主管DN450分支為DN200和DN350的一個三通管。

3.3測試注意事項

對于直管沿程管路阻力系數測定中，由于壓力波動等原因，很可能導致測試不準確，因此，在直管段測試中，采用較長的管道，本試驗采用的管道長度在8～9 m，可以避免管道內動壓差別而產生的誤差。

對于彎頭測試，同樣測試點不在彎頭兩端，而是連接一段直管段，測試后減去直管段的長度可以獲得彎頭的局部壓力損失直帶段數據及結果如表2、表3、表4所示。

表2　DN450直管段數據

表3　DN400管道數據

表4　DN200管道數據

表5　45。DN200彎頭數據表

表6　DN450彎頭數據表

表7　DN400彎頭數據表

表8　DN200動風量調節蝶閥

圖3　蝶閥開度與阻力系數

彎頭數據，如表5、表6、表7所示。

對于DN200手動風量調節蝶閥如表8所示。

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

3.4結論

（1）從測試數據及計算結果來看，直管段管道摩擦阻力系數較小，一般在0.01～0.04之間，而彎頭摩擦阻力數一般在0.25～0.45之間，這個值較除塵設計手冊以及一些文獻上的值都有出入，基于保守，在后期設計中選用本測試值。

（2）對于設計值，統一取摩擦阻力系數為0.05。

（3）對于手動風量調節蝶閥，在設計中盡可能避免采用這種風量調節方式，尤其是在主管道內，如果其開度在一半左右，那么其阻力損失就可以占到系統的一半以上，在風量調節過程中，盡可能采用直插式閥（插板式閥）。

（4）在整個系統測試過程中，直管的壓力損失只占有系統的20%～40%左右，大部分壓力損失來源于彎管和局部部件的壓力損失，因此后期設計過程種，盡可能的減少局部壓力損失部件，同時在設計三通時盡可能將三通接口設計成45°口接入而非90°口接入。

（5）本次試驗對沿程摩擦系數、局部阻力系數及部分三通阻力系數進行了測試并得出了比較具體的摩擦系數，解決了設計過程中所采用的設計公式沒有相對準確的阻力系數問題，對于選擇風機、最終完成除塵系統設計目標具有重要的參考意義。

3.5應用和推廣意義

此參數可以應用在橡膠工業輪胎廠、制品廠或其他有粉塵產生廠家的除塵系統設計，解決了在設計過程中沒有依據的情況，測試得到的數據將為除塵系統設計阻力計算提供數據支持。

該試驗為基礎應用型，針對除塵系統設計提供最基礎數據。盡管一些書籍上有關于除塵管道的阻力系數，比如除塵裝置系統及設備設計選用手冊，除塵設計手冊上都有，但是一本書上選用的是0.02，而另一本書上給出的系數是0.15，相差7～8倍，而選用任何一個參數，都會導致非常大的誤差，因此我們通過進行試驗，獲得了比較可信的數據。除塵系統是一個獨立的系統，對該系統的研究有助于提高裝備的技術含量，提升競爭力，同時改善環境，符合國家綠色生產、節能環保的行業發展戰略要求。

（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年畢業于青島科技大學，工程師，長期從事橡機設備的研發設計以及項目管理工作。

2016-02-29