沸騰冷卻床的設(shè)計說明

曹紅范，楊玉祥，曹玉萱

（中國汽車工業(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、樹脂砂）熱法再生等生產(chǎn)過程中都要使用干砂冷卻器，將高溫?zé)嵘袄鋮s至生產(chǎn)過程中工藝要求的溫度。適用于這種干砂冷卻的冷卻器常見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為沸騰冷卻床。國內(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 臺性能優(yōu)良的沸騰冷卻床對企業(yè)來說至關(guān)重要，它既滿足生產(chǎn)工藝要求，又節(jié)能環(huán)保。

設(shè)計沸騰冷卻床時，我們首先確定幾個主要參數(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甑钠骄鶜鉁亍⒆罡邭鉁亍⒆畹蜌鉁亍穸鹊取Ｈ缓蠼?jīng)過計算確定冷卻水用量、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、簡單、便于維護；最后根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)壓為沸騰床配備一臺合適風(fēng)機，風(fēng)機的性能決定床體內(nèi)的砂層流態(tài)化效果。

下面詳細介紹設(shè)計沸騰冷卻床各種參數(shù)的理論計算以及參數(shù)的經(jīng)驗取值；床體結(jié)構(gòu)簡介；羅茨風(fēng)機和離心風(fēng)機的特點分析。

2 沸騰冷卻床的參數(shù)確定

2.1 沸騰床參數(shù)的理論計算

盛振湘先生1993 年在《中國鑄機》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)計計算》的一篇論文[2]，講述了沸騰床設(shè)計時風(fēng)壓、風(fēng)量、冷卻水量及速度、換熱面積、等相關(guān)參數(shù)值的理論計算，并且給出了一些經(jīng)驗取值。堪比教科書般經(jīng)典。

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

整理公式時，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L（m）。這3 個參數(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行相互校核。

2.2 介紹根據(jù)實際測試得出參數(shù)值的取值方法

2.2.1 檢測過程說明

為了能夠更準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算公式，經(jīng)過計算，設(shè)計了一臺用于試驗的沸騰冷卻床；在冷卻水進水管上安裝了流量計和手動蝶閥，用來調(diào)節(jié)和檢測冷卻水的流量，在冷卻水的出水管上安裝溫度傳感器，在實驗時記錄水溫的變化，檢測冷卻水流量、水溫差與出砂口砂溫的關(guān)系；沸騰風(fēng)機我們選擇羅茨鼓風(fēng)機，因為羅茨鼓風(fēng)機屬于容積式風(fēng)機，它的鼓風(fēng)量與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機采用變頻電機驅(qū)動，便于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，觀察沸騰效果和砂冷卻效果。我們在風(fēng)機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 的地方用測速儀測量床體內(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，計算出風(fēng)量。在風(fēng)機不同轉(zhuǎn)速情況下觀測砂層的沸騰情況。

2.2.2 沸騰床的最佳流化狀態(tài)描述

當(dāng)冷卻床內(nèi)砂層達到流化的狀態(tài)時，把手放入沸騰的砂層內(nèi)，手的感覺就像手放在水里面一樣，來回上下移動，手感覺所受到的阻力很小。砂層表面冒出的氣泡分布均勻，類似水沸騰狀。流態(tài)化砂層流動性非常好。當(dāng)風(fēng)機停機時，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，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)計算方法

經(jīng)過大量試驗，得出如下經(jīng)驗參數(shù)計算方法。

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)驗常數(shù)，取值范圍1.0～1.3，建議當(dāng)砂層靜止時厚度在300mm 以下時K 值取1.0，當(dāng)砂層靜止厚度在300mm～500mm 時，K 值取1.1 或1.2，當(dāng)砂層厚度超過500mm 時，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，達到良好沸騰狀態(tài)，所需風(fēng)壓隨之增大，經(jīng)過試驗，對測試記錄數(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：

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

2.2.3.3 冷卻水流速度測試及取值

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（冷卻水進口水溫、冷卻水出口水溫、冷卻水管進水管的流量、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，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，下面分別對其特點進行介紹。

3.1 兩種冷卻水管布置形式的特點

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，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，床體又寬又長，水管的長度很長，水管中間需要安裝支撐，床體焊接過程麻煩，運行長時間后，磨損水管更換起來也比較麻煩，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，可以將冷卻水管制作成若干個冷卻單元，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

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)板安裝時非常麻煩，并且玻璃纖維氈使用時間久了容易老化，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。

3.3 推薦沸騰冷卻床的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)以上對沸騰床結(jié)構(gòu)的分析，并根據(jù)多年設(shè)計經(jīng)驗，建議每小時處理量在25t 以下時選用橫向冷卻水管的布置方式；每小時處理量在25t以上時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)機的選擇

沸騰床配置的風(fēng)機選擇也非常關(guān)鍵，用于沸騰冷卻床的風(fēng)機有羅茨風(fēng)機和離心風(fēng)機兩種，

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

4.1 羅茨風(fēng)機特點

羅茨風(fēng)機是容積式風(fēng)機的一種，壓力的變化對風(fēng)量影響很小，風(fēng)量與羅茨風(fēng)機的轉(zhuǎn)速成正比，如果采用變頻電機驅(qū)動時，可以通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，來改變風(fēng)機的風(fēng)量，但它輸出風(fēng)壓不變。羅茨風(fēng)機有以下優(yōu)點：（1）風(fēng)機振動小，噪聲低；（2）風(fēng)機容積利用率大，容積效率高，且結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方式靈活多變；（3）風(fēng)機種類多，可選擇范圍廣。羅茨風(fēng)機有很多種類，如三葉羅茨風(fēng)機、二葉羅茨風(fēng)機、雙級串聯(lián)羅茨風(fēng)機等。三葉羅茨風(fēng)機，風(fēng)量較小，風(fēng)壓高；二葉羅茨風(fēng)機，風(fēng)量較大，壓力不是很大；雙級串聯(lián)羅茨風(fēng)機，壓力又大、風(fēng)量也大。（4）壓力范圍廣。羅茨風(fēng)機的壓力范圍為9.8kPa～98Pa。

4.2 離心式風(fēng)機特點

與羅茨風(fēng)機相比，離心式風(fēng)機的制作成本相對較低；在輸出風(fēng)量、風(fēng)壓相同的情況下，離心風(fēng)機的占地面積較大；離心式風(fēng)機的輸出壓力受進氣溫度或密度影響較大。對一個給定的進氣量，隨著進氣溫度升高，輸出的壓力降低；離心風(fēng)機的輸出風(fēng)壓范圍是0.177kPa～15.7kPa。

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

5 結(jié)語

前面介紹了如何從理論上計算沸騰冷卻床的各種參數(shù)，然后又介紹了實驗得出的各個參數(shù)的取值；在實際設(shè)計過程中，將計算參數(shù)值與實驗得出參數(shù)值進行比較，選取合理的參數(shù)值；再根據(jù)實際情況，確定床體結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計出1 臺滿意的沸騰冷卻床。