引言

建材、冶金等行業(yè)是高能耗行業(yè)，相應(yīng)地也是碳排放大戶，其中風(fēng)機(jī)的能耗占比非常大，以預(yù)分解窯水泥廠為例，全廠需要配置很多大功率的風(fēng)機(jī)，與風(fēng)機(jī)連接的通風(fēng)管道存在或大或小的壓力損失，甚至不必要的壓力損失。本文僅以篦冷機(jī)的冷卻風(fēng)管為例，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)比分析風(fēng)管的不同形狀、大小和導(dǎo)流葉片等因素對(duì)風(fēng)管阻力的影響，以期設(shè)計(jì)出較合理的低阻力冷卻風(fēng)管，為小風(fēng)管的設(shè)計(jì)奠定一些理論基礎(chǔ)。

風(fēng)管內(nèi)氣體流動(dòng)的壓力損失有兩種：一種是由于氣體本身的粘附性和氣體與管道內(nèi)壁間的摩擦而產(chǎn)生的能量損失，稱為沿程壓力損失；另一種是氣流經(jīng)過管道中某些局部管件（如彎頭、三通、變徑等）時(shí)，由于流動(dòng)方向和流速大小的變化形成渦流所產(chǎn)生的能量損失，稱為局部壓力損失。管道的局部壓力損失可通過如下公式計(jì)算：

△Ps=ξρv2/2

式中，△Ps—壓力損失；v—空氣流速；ρ—空氣密度；ξ—壓力損失系數(shù)。

對(duì)于較復(fù)雜的管道，其壓力損失系數(shù)沒有可靠的依據(jù)取值，因此本文采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)比分析不同風(fēng)管的阻力。

常用的通風(fēng)管道有圓形管和矩形管，其中圓形管具有很好的力學(xué)性能，非常適合大跨距和大直徑的工況。而本文探討的是篦冷機(jī)的冷卻風(fēng)管，這類風(fēng)管的特點(diǎn)是短小，與長(zhǎng)跨距、大直徑的管路有所不同。因此本節(jié)以相同橫截面積的矩形管、圓形管、彎折圓形管（見圖1）為分析對(duì)象研究形狀對(duì)壓力損失的影響。

圖1 不同形狀的風(fēng)管

分析發(fā)現(xiàn)，純圓形管的阻力最小，壓力損失為36 Pa，其次是矩形管，壓力損失為39.6 Pa，最大的為彎頭處分段彎折的圓形管，壓力損失為45.6 Pa。這種軟件分析的阻力與實(shí)際標(biāo)定的阻力相比略微偏小，這與實(shí)際風(fēng)管表面的光滑程度、焊縫凸出等有一定關(guān)系，軟件分析的阻力數(shù)據(jù)更偏理想的條件，但這不影響定性對(duì)比分析各風(fēng)管的阻力差距。

彎頭處無彎折的純圓形管道運(yùn)用較少，鑄造成本較高，而彎折的圓形管現(xiàn)場(chǎng)制作方便，實(shí)際運(yùn)用較多。而用矩形風(fēng)管，首先不存在圓變方的變徑，其次彎頭處也可以整塊卷板成型，不用分段彎折，焊縫少且形狀突變小，因此其實(shí)際的壓力損失相比會(huì)更小。綜合考慮篦冷機(jī)的冷卻風(fēng)管比較短小，其沿程壓力損失小，而彎頭和變徑處的局部壓力損失相對(duì)占比大，所以篦冷機(jī)的冷卻風(fēng)管宜選用矩形風(fēng)管。

根據(jù)以上的局部壓力損失公式，壓力損失與空氣流速的平方成正比，可見速度是影響壓力損失大小的主要因素之一，因此本節(jié)以不同橫截面積的矩形風(fēng)管為分析對(duì)象研究風(fēng)速對(duì)壓力損失的影響。

由圖2可見，隨著截面積變小，空氣速度增加，其壓力損失也相應(yīng)顯著增加。

圖2 不同風(fēng)速對(duì)風(fēng)管阻力的影響

從圖4可以看出，與無導(dǎo)流葉片的風(fēng)管相比，添加導(dǎo)流葉片后壓力損失均有所減小，最大減小8.2 Pa，占比約20%。從速度云圖3也可以發(fā)現(xiàn)，無導(dǎo)流葉片時(shí)，風(fēng)速較快的區(qū)域集中在彎頭的內(nèi)側(cè)，而外側(cè)風(fēng)速較低，還有部分渦流。而添加導(dǎo)流葉片后，彎頭內(nèi)側(cè)的高速區(qū)分為兩層，起到了分流的作用，降低了最內(nèi)側(cè)的風(fēng)速，同時(shí)渦流也相應(yīng)減少。

本文還設(shè)置了大、中、小彎曲半徑的導(dǎo)流葉片，中導(dǎo)流葉片的風(fēng)管壓力損失最小，具有最好的導(dǎo)流效果。從速度云圖3也可以看出，其分流的速度較均勻，速度最大分布區(qū)和最小分布區(qū)較少，渦流也少。總體來說導(dǎo)流葉片應(yīng)設(shè)置在彎頭中心線的內(nèi)側(cè)，最好設(shè)置在內(nèi)壁與彎管中心線連線的中間面上。

本文通過對(duì)比分析不同形狀、不同截面積和不同導(dǎo)流葉片的小通風(fēng)管道，得出篦冷機(jī)的冷卻通風(fēng)管道適合用矩形管，其最大通風(fēng)速度宜控制在16~20 m/s內(nèi)，且在彎頭處應(yīng)設(shè)計(jì)合理彎曲半徑的導(dǎo)流葉片。這樣可有效減少通風(fēng)管道的壓力損失，減少風(fēng)機(jī)的運(yùn)行電耗，助力節(jié)能降耗減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

作者：游磊1，薛繼佳2

來源：《1成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2沈陽航空航天大學(xué)》

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