球形三通系數(shù)及球徑

在水泥廠的氣力輸送管路中,通常要轉(zhuǎn)幾次彎才能將物料送至目的地。以某廠的氣力輸出系統(tǒng)為例:出磨水泥進(jìn)入螺旋泵即被加壓吹入管路系統(tǒng),經(jīng)A、B、C、D、E五個(gè)球形彎頭分別作90°轉(zhuǎn)彎后,沿水平管道及三通閥進(jìn)入水泥庫。若要計(jì)算這一管路系統(tǒng)的壓力損失,五個(gè)球形彎頭的壓損是應(yīng)當(dāng)考慮的。

料氣混合物流過球形彎頭與流過普通彎頭一樣要產(chǎn)生壓力損耗。壓損的大小因球徑大小、轉(zhuǎn)彎角度的不同而不同。

眾所周知:在氣力輸送中,由水平轉(zhuǎn)向垂直向上的90°轉(zhuǎn)彎,普通彎頭轉(zhuǎn)彎部分的壓力損失的計(jì)算式為:

v2

ΔP = ζ—— ρm (2)

2

式中:ΔP——普通彎頭壓力損失,Pa; v——管中氣流平均速度,m/s; ρm——?dú)夤袒旌衔锩芏?kg/m3; ζ——彎頭阻力系數(shù)。

式中阻力系數(shù)與彎管的曲率半徑R和管道內(nèi)直徑D的比值有關(guān),見表。

R/D比值與ζ的關(guān)系

對(duì)于球形彎頭,其相似曲率半徑R′的大小與球的直徑大小和管路轉(zhuǎn)角大小有關(guān)。當(dāng)作90°轉(zhuǎn)角輸送時(shí),則R′≈r球,證明如下:

這一結(jié)果表明,在相同阻力系數(shù)ζ′的條件下,135°轉(zhuǎn)向的球形彎頭直徑可以比90°轉(zhuǎn)彎的球形彎頭的直徑小2.5倍。

例如:有一氣力輸送管內(nèi)徑D=200mm,用于90°轉(zhuǎn)彎的球形彎頭直徑為800mm,則R′=400mm,R′/D=2,其相似阻力系數(shù)ζ′≈1.5(見表),若該管路作135°轉(zhuǎn)彎,則球形彎頭的直徑為800÷2.5=320mm,其ζ′≈1.5不變。

球形彎頭在應(yīng)用中直徑大小的選取要根據(jù)管路系統(tǒng)的實(shí)際情況來決定,通常在管道內(nèi)徑的3～6倍范圍內(nèi)選取。當(dāng)管路總壓降、轉(zhuǎn)角及安裝條件確定后,球形彎頭的直徑也可確定下來。

在氣力輸送系統(tǒng)中,普通彎頭是磨損最快的部件。當(dāng)料氣混合物流過轉(zhuǎn)彎處,受慣性力的作用,沖刷緊貼彎頭的外側(cè)面,使此處很快被磨穿,降低了使用壽命。

料氣混合物在球形彎頭內(nèi)的流動(dòng)則與普通彎頭不同。當(dāng)A、B兩條管道通過球形彎頭作90°轉(zhuǎn)彎時(shí),A管流入球內(nèi)的流體,首先速度銳減3～5倍(因截面積增大3～5倍),其次,氣流進(jìn)入球形彎頭內(nèi)很難直接沖刷到球的內(nèi)表面,而是與球內(nèi)的渦旋發(fā)生摩擦及物質(zhì)和能量的交換。因此,流體對(duì)球體的直接磨損被緩沖而削弱。對(duì)球壁直接磨損的是球內(nèi)的渦旋。而渦旋的旋速較低又集中在進(jìn)、出口管與球體的交接部位C、D、E、F。這里成為球形彎頭最先被磨穿的地方。即使如此,球形彎頭在不加固的情況下,其使用壽命也比普通彎頭長3～5倍,使用期可達(dá)十年以上(輸送水泥)。若對(duì)進(jìn)出管與球體對(duì)接處的球面作加固焊接,則使用周期更長。

在二維空間內(nèi),以90°球形彎頭為例,當(dāng)流態(tài)化的料氣混合物以速度v1從A管流入球內(nèi)時(shí),因入口截面積突然擴(kuò)大,使流動(dòng)的連續(xù)性被破壞。在原有流場擴(kuò)大的同時(shí),兩側(cè)死角處激起渦旋。其流線分布由對(duì)稱狀態(tài)①最終轉(zhuǎn)為非對(duì)稱狀態(tài)③。

隨流動(dòng)過程的繼續(xù),球內(nèi)流動(dòng)由①過渡為狀態(tài)②。這時(shí),根據(jù)流體力學(xué)連續(xù)性原理,流速與截面積之間有以下關(guān)系式:

v1s1=v2s2 (1)

式中: v1——流體在A管中的流速,m/s; s1——A管的橫截面積,m2; v2——流體流過球心截面處的速度,m/s; s2——球心截面積,m2。

上式表明,在同一管路系統(tǒng)中,流速與流過的截面積大小成反比。由于球的截面積一般比管道截面積大幾倍,即有s2>s1,故有v1>v2。

氣流在球內(nèi)速度迅速降低的同時(shí),壓力升高,即流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?。球?nèi)不斷升高的壓力迫使流體從B管流出,流動(dòng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。從①到③的這一轉(zhuǎn)變及流動(dòng)的重新分布是在一個(gè)極短暫的時(shí)間內(nèi)完成的速度、壓力和能量轉(zhuǎn)換過程。

由于球內(nèi)氣流渦旋及摩擦的存在,使球形彎頭內(nèi)的這一轉(zhuǎn)變過程產(chǎn)生了能耗。因而出現(xiàn)了物料傳輸中的彎頭壓力損失。

球形彎頭也稱轉(zhuǎn)向球,在水泥及生料的氣力輸送系統(tǒng)中,作為管道彎頭的代用件,以其制作簡單,安裝方便,耐用性能好等優(yōu)點(diǎn),在大中型水泥廠的氣力輸送中應(yīng)用日益廣泛。

然而,對(duì)球形彎頭內(nèi)的流動(dòng)分布、磨損原理、阻力大小、合理球徑、制作安裝等一系列問題并無統(tǒng)一規(guī)范和理性認(rèn)識(shí)。為此,作以下探討,希望促進(jìn)轉(zhuǎn)向球的應(yīng)用及推廣。

1、耐磨球的壓制，按照設(shè)計(jì)要求選擇壓制耐磨求的模具，加熱鋼板幾次成型。

2、球形三通、彎頭的鑄造，根據(jù)耐磨層的厚度及材質(zhì)，進(jìn)行精鑄。

3、球形三通、彎頭的裝配，按加工圖紙進(jìn)行裝配，保證結(jié)構(gòu)尺寸、和同心度。

4、球形三通、彎頭的焊接，專業(yè)電焊工焊接，耐磨層不開裂，焊接成型好。

5、球形三通、彎頭的驗(yàn)收，質(zhì)檢員逐一檢驗(yàn)，合格入庫。

球形彎頭的制作主要是焊接中空球體。有了空心鋼殼球體,焊上進(jìn)出管道就構(gòu)成球形彎頭。因此,制作空心球體是制作球形彎頭的關(guān)鍵。

一個(gè)空心鋼球是由N端與S端兩個(gè)球冠及1、2、3……n若干球瓣組合而成。因此,只要制作出球冠及球瓣,再將其焊接起來,就成為球形彎頭的球體。

球冠大小取球的直徑（1/6～1/4）D′,直接在厚度4～8mm A3或優(yōu)質(zhì)低合金鋼板上下料。按球體弧形樣板用錘敲出球冠弧度。

球瓣應(yīng)先放樣后下料。取油氈一塊劃一直線長度為 ,就是NS。兩端寬度取(1/6～1/16)πd1。再將去掉N、S球冠的球臺(tái)高H作1、2、3……n等分。測量出每一等分切面處直徑d2、d3、d4……dn。并計(jì)算出各切面周長及等分弧長:(1/6～1/16)πd2標(biāo)于1-1,(1/6～1/16)πd3標(biāo)于2-2,依次放線至n-n。取等分點(diǎn)越多球瓣越接近球面形狀。將畫好樣板剪下在鋼板上放實(shí)樣并切割出6～16塊(塊數(shù)根據(jù)等分決定)。若鋼板較厚應(yīng)加熱煨出球面狀,供組裝使用。

將制成的兩球冠及6～16塊(根據(jù)球大小取等分?jǐn)?shù))球瓣拼焊裝配即成為一個(gè)空心鋼球。

球形彎頭的安裝較靈活方便。根據(jù)管路走向及轉(zhuǎn)角和管道外徑尺寸,在球面上定位劃線開兩個(gè)孔。為提高耐用性,在開孔周圍寬50～80mm內(nèi)加焊4～6mm鋼板。將球吊入安裝位置,插入進(jìn)出管焊接固定即成。

流態(tài)化物料在球形彎頭內(nèi)的流動(dòng),從微觀上講是十分復(fù)雜的。本文僅從工程實(shí)用的角度對(duì)其流動(dòng)分布、阻力系數(shù)、合理球徑等問題作了探討。希望這一研究有助于球形彎頭設(shè)計(jì)水平及使用壽命的提高,使之在氣力輸送管路系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛。