工业除尘系统管道阻力系数研究及推广

刘金一

（软控股份有限公司，山东　青岛　266042）

工业除尘系统管道阻力系数研究及推广

刘金一

（软控股份有限公司，山东青岛266042）

针对工业环境除尘的要求，通过试验测算出管道阻力系数的数值，对正确设计除尘管网提供参考依据，同时具有一定的指导意义。日常除尘系统的计算都参考除尘系统设计手册，余量较大，其误差同样很大，不同的参考书上给出的系数在0.02～0.15之间，误差过大，因此本试验的目的就是通过试验测试出更加具体的摩擦系数，用于设计时，能够更准确的选择风机的全压值，防止系统设计失误等问题出现。

工业除尘；试验；镀锌板（铁皮）管道；阻力系数；设计推广；绿色节能环保

橡胶行业是典型的劳动密集型、高污染企业，该行业在过去长时间以来处于装备自动化程度低、利润低、劳动强度大、持续时间长、工作环境差、废水、废气、废渣排放高的不良发展模式中，随着新一轮工业革命的到来，这些落后的方式必然要进行改变。2015年5月，我国政府发布“中国制造2025”行动纲要，其中在“九大任务”提出全面推行绿色制造，要求清洁、绿色、节能减排，实现“零排放”。早在2014年3月中国橡胶工业协会发布《绿色轮胎技术规范》，提出了绿色轮胎的清洁生产和污染物排放要求，其中对大气排放物的排放标准都有具体要求，这一“规范”也是对整个橡胶行业的要求。很多不符合排放要求的企业势必在国家和当地部门环评的审查中逐渐被淘汰。本文就是在此政策和行业背景下做的研究。

在工业生产过程中把气体与粉体微粒的多相混合物的分离操作称之为除尘，而在车间生产过程中，由于投料、搬用、气力输送、混合，下料、筛选等过程中不可避免的存在粉尘的飞扬，这些粉尘将影响环境安全、设备的使用寿命及操作人员的身体健康，特别是近些年来国家各项环境治理法规的颁布实施以及人们环保意识日益加强，因此除尘成为车间生产过程中一个必不可少的环节。

从车间设备布置来看，为了满足生产工艺需要，设备布置要让位于物流通道、工艺流程等车间生产第一任务，因此需要通盘考虑，在这个过程中，除尘系统设计只能是次要设备布置时需要考虑的因素。了解这样的过程，对于设计除尘管路有一定的帮助。

在除尘系统设计过程中，其涉及的部件主要是风机、除尘器、除尘管道、吸尘口（除尘罩）等，从表面上看这些设备没有太大技术特点，可以作为通用设备选用，但是对于不同的物料，不同的管材，其最终设计出来的系统效果却相差很大，设计不好直接导致系统瘫痪，影响车间生产。

根据车间内工艺设备的布置和生产特点，首先正确估计粉尘的散发源及散发程度。比如在橡胶厂，主要是炭黑，由于炭黑粒度分布非常广，同时具有一定的黏度，因此该物料在散装物料处理过程中需要制定比较严格的除尘系统。保证在合适的经济条件下，系统比较稳定。

而对于除尘系统，当除尘方案确定后，需要确定的是除尘管网的布置，除尘管路中弯头、三通等设计以及风机的选择，对除尘管网的影响非常大。由于影响因素非常大，在本次试验过程中，以DN450和DN200管道为试验对象，从这样的管道内推出其他管道的管道摩擦系数。

1 试验管路

图1　除尘试验管道布置

2　试验基础理论

气体在管道内依靠压差而产生流动，在管道内，动压等于1/2ρV2，而静压为管道内气体作用在物体上的压力，动压和静压为气体的全压值，一般风机上提供的为全压值，该值代表风机在运行过程中，某一个截面上动压和静压的和。

对于除尘系统，含尘气体在管道内的流速一般大于15 m/s，而在除尘管网中，除尘管道的直径一般大于200 mm，因此在管道内的雷诺数为：

Re=0.2×15/（1.5×10-6）=2×106

雷诺数为反映流动状态的参数，在该值内由于湍流脉动非常强，因此，管道的粗糙度对摩擦阻力系数的影响比较小，从MOODY图（见图2）上也可以看出，本次试验就是基于在管道相对粗糙度对流动影响几乎可以忽略不计的情况下来进行测试。

图2　MOODY表

对于雷诺数计算过程中，在不同温度下，运动黏度如表1所示。

表1　不同温度下运动黏度表

从表中也可以看出，随着温度升高，空气黏度也逐渐增大，雷诺数减小，导致摩擦阻力系数增大，压损增大。

3 试验方式

该试验布置采用一台60方袋式脉冲除尘器，而一台15 kW风机作为动力源，考虑到非带料测试，因此在DN200的管道上设计一个手动风量调节阀，在DN350管道上采用盲板来调节风量。

试验保证管道内的风速不低于15 m/s，大于此值才能保证雷诺数不会对摩擦阻力系数有很大的影响。

除尘管道内气量的计算一般也参考流速，控制流速在某个值之上，否则粉尘将沉积在管道内。

对于本试验，由于除尘器不带负载工作，因此管道阻力以及除尘器阻力较小，根据离心风机工作特性曲线，风机将会在最低全压值附近运行，而此时流量也最大。

而对于该风机，当流量为15 545 m3/min时，管道内气速为27 m/s（这里没有考虑压降损失），因此，将管道气速由23 m/s降低在15 m/s，有很大的空间的可调余量。这对于试验是比较合适的。

而在设计过程中，对于管道直径，一般估算一个值，该值保证选用的风机的气量换算到管道内的气速后，能够保证管道内的速度不低于15 m/s。

而对于气速，不可以偏高，如果气速太高，由于摩擦阻力和气速的平方成正比，因此，摩擦阻力会成倍增长，可能会导致风机的全压值不够。

而在管道布置需要设计倾斜管时，则在设计的倾斜管与水平面的角度要大于物料的静止摩擦角。

3.1管道中的压力损失

根据流体力学原理，管道中流动的气体，通过任何截面时，其摩擦压损失取决于管道的形状、管道壁厚的的粗糙度、气流动压。

具体公式如下：

其中：

ΔP—沿程压力损失，Pa；

λ—沿程摩擦阻力系数；

L—直管段长度，m；

D—管道直径，m；

ρ—空气密度，kg/m3；

V—气体速度，m/s。

从以上公式可以看出，沿程压力损失和摩擦阻力系数、管道长度、空气动压成正比，而和管道直径成反比，而通过本公式，也可以反过来求解管道摩擦阻力系数。

3.2试验管道材料

在通风除尘管路，由于管路较短大多数情况不超过30 m，因此所选用的风机全压值不大，通常选用镀锌管道基本可以满足我们的要求，多数使用的是0.5～0.75 mm厚度的镀锌铁皮，在计算过程中，我们采用镀锌钢管的摩擦阻力系数进行计算，而对于镀锌铁皮没有一个明确的摩擦阻力系数。本试验就是针对镀锌铁皮进行摩擦阻力试验，从而通过对镀锌铁皮的摩擦阻力试验获得有用的数据，从而指导除尘系统设计。

3.3试验计算

设两个不同的测试点位置分别为1和2，

在除尘系统中，流体可以视为不可压缩流体，因此，V（速度）不变。

从式（1）可以看出，如果要测管道摩擦阻力系数，需要知道两点的压力差，两点的管道长度以及动压。

而管道长度可以比较容易的测量，对于压力差，采用DWYER的低压手持式的压力测试仪两点的压力差，而对于速度测试，一般采用热探头式风速仪或者采用叶轮风速仪。

当获得以上参数后，带入公式，得到镀锌管摩擦阻力系数。

对于弯头，采用折合局部阻力的方式，其计算公式为：

因此，在试验过程中，通过测试弯头两端的压力差以及管道中气流的速度，可以反推计算弯头的局部阻力系数。

而对于三通，由于需要考虑分支管内气体的流动，因此，测试非常复杂，在本试验内，主要考虑采用主管DN450分支为DN200和DN350的一个三通管。

3.3测试注意事项

对于直管沿程管路阻力系数测定中，由于压力波动等原因，很可能导致测试不准确，因此，在直管段测试中，采用较长的管道，本试验采用的管道长度在8～9 m，可以避免管道内动压差别而产生的误差。

对于弯头测试，同样测试点不在弯头两端，而是连接一段直管段，测试后减去直管段的长度可以获得弯头的局部压力损失直带段数据及结果如表2、表3、表4所示。

表2　DN450直管段数据

表3　DN400管道数据

表4　DN200管道数据

表5　45。DN200弯头数据表

表6　DN450弯头数据表

表7　DN400弯头数据表

表8　DN200动风量调节蝶阀

图3　蝶阀开度与阻力系数

弯头数据，如表5、表6、表7所示。

对于DN200手动风量调节蝶阀如表8所示。

有图3及表8可以看出，蝶阀的阻力比较大，即使在开度接近88%时，其阻力系数也基本上在0.6～0.7之间，

3.4结论

（1）从测试数据及计算结果来看，直管段管道摩擦阻力系数较小，一般在0.01～0.04之间，而弯头摩擦阻力数一般在0.25～0.45之间，这个值较除尘设计手册以及一些文献上的值都有出入，基于保守，在后期设计中选用本测试值。

（2）对于设计值，统一取摩擦阻力系数为0.05。

（3）对于手动风量调节蝶阀，在设计中尽可能避免采用这种风量调节方式，尤其是在主管道内，如果其开度在一半左右，那么其阻力损失就可以占到系统的一半以上，在风量调节过程中，尽可能采用直插式阀（插板式阀）。

（4）在整个系统测试过程中，直管的压力损失只占有系统的20%～40%左右，大部分压力损失来源于弯管和局部部件的压力损失，因此后期设计过程种，尽可能的减少局部压力损失部件，同时在设计三通时尽可能将三通接口设计成45°口接入而非90°口接入。

（5）本次试验对沿程摩擦系数、局部阻力系数及部分三通阻力系数进行了测试并得出了比较具体的摩擦系数，解决了设计过程中所采用的设计公式没有相对准确的阻力系数问题，对于选择风机、最终完成除尘系统设计目标具有重要的参考意义。

3.5应用和推广意义

此参数可以应用在橡胶工业轮胎厂、制品厂或其他有粉尘产生厂家的除尘系统设计，解决了在设计过程中没有依据的情况，测试得到的数据将为除尘系统设计阻力计算提供数据支持。

该试验为基础应用型，针对除尘系统设计提供最基础数据。尽管一些书籍上有关于除尘管道的阻力系数，比如除尘装置系统及设备设计选用手册，除尘设计手册上都有，但是一本书上选用的是0.02，而另一本书上给出的系数是0.15，相差7～8倍，而选用任何一个参数，都会导致非常大的误差，因此我们通过进行试验，获得了比较可信的数据。除尘系统是一个独立的系统，对该系统的研究有助于提高装备的技术含量，提升竞争力，同时改善环境，符合国家绿色生产、节能环保的行业发展战略要求。

（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

刘金一，2004年毕业于青岛科技大学，工程师，长期从事橡机设备的研发设计以及项目管理工作。

2016-02-29