微水節能熱風閥壓力損失研究

陳川

摘 要：熱風閥廣泛應用于熱風爐系統，是現代高爐煉鐵的重要設備之一。通過熱風閥阻損試驗和理論計算，給出了阻力損失和流量之間的關系。通過對某鋼廠DN1500閥板水道進行改進，可以有效地降低閥板的阻力系數，在相同的設計流量下，改進后的閥板需要的系統壓力損失降低15%，可以達到節能降耗目的。同時試驗結果表明：冷卻水速由系統壓差和水道的當量直徑決定，壓差越大，水速越大，冷卻水速和進口壓力沒有直接的關系。當系統壓差一定時，在一定范圍內縮小水道截面尺寸有利于提高水速。當截面積過小時，流速反而降低。

關鍵詞：熱風閥；節能；阻力損失；水速

RESEARCH ON THE PRESSURE LOSS OF HOT BLAST VALVE WITH MINIMUM COOLING

Chen Chuan

（Zhongtian Iron and Steel Co.Ltd.，? ? Nantong? ? 226000， China）

Abstract：Hot blast valve is used in hot stove system widely and has become an important and indispensable equipment of blast furnace. In this paper， the relationship between pressure and flow volume is studied by pressure experiment and theoretical calculation. The resistant coefficient can be reduced significantly by improving the water channel of a certain Steel DN1500 valve plate. In the same flow volume conditions， the pressure loss for improved valve is 15% lower than original structure. Energy saving purpose is achieved. Meanwhile， the experiment shows that the cooling water velocity is determined by the pressure loss and water channel diameter. The larger pressure loss is， the higher water velocity is. The water velocity is not relevant directly with the inlet pressure. When the pressure is constant， decreasing the cross section of water channel within a certain range can increase the water velocity. However， the water velocity will decrease if the cross section of water channel is too small.

Key words： hot air valve; energy saving; resistance loss; speed of water

0? ? 引? ? 言

熱風閥廣泛應用于熱風爐系統，是現代高爐煉鐵的重要設備之一[1]。在現代化高爐煉鐵生產中，送風參數控制十分嚴格，因此熱風系統的高效穩定運轉對提高高爐產量、連續生產起著至關重要的作用[2]。在熱風閥的各個構件中，常因閥板外水環出現裂紋而引起整個設備出現故障，制約了熱風閥的產品質量提高和設備的使用壽命，提高閥板的使用壽命是延長熱風閥整體壽命的關鍵[3]。

提高外水環水速是防止閥板外水環出現裂紋的有效途徑之一。目前，在國內，無論熱風閥的設計單位，還是生產廠家，對熱風閥閥板的設計流量及阻力分析大多限于經驗估計，因此，不能給出水速和壓差之間的定量關系。

本文通過試驗和理論計算相結合，給出了閥板壓力損失的計算方法，找到了壓力損失和流量之間的關系，根據計算結果對閥板的結構進行了改進，既可以提高閥板的使用壽命，又能達到節能降耗的目的，對閥板的設計具有指導性意義。

1? ? 阻損試驗

本次試驗閥板為世林漯河冶金設備有限公司研制出的一種新型微水節能熱風閥[4]，同國內外常規熱風閥閥板相比[5]，該熱風閥的節水、節能效果更加明顯。

試驗主要由以下部分組成：無塔供水器，水泵，流量計，壓力表，DN1500閥板。試驗裝置及試驗閥板結構見圖1、圖2。試驗內容主要包含兩部分：一是進口壓力恒定，通過出口閥門改變流量，測試出不同流量下閥板的壓力損失；二是測試不同進口壓力下，流量和壓力損失之間的關系。

閥板內的壓力損失包括兩部分。

1-入水口；2-閥桿；3-接口；4-連接水道；5-外環水道；6-內環水道I；7-內環水道II；8-接口；9-出水口

圖 2? ? 閥板結構示意

1）流體與直管水道間的摩擦阻力損失，可用范寧（Fanning）公式[6]表示為：

式中：λ為摩擦阻力系數；L為水道長度，m；d為水道當量直徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s。

式中：A為 水道截面積；S為水道周長。

2）流體在流動過程中，流經局部裝置時因截面突然變化，方向或大小迅速改變引起流場重新分布而產生的局部阻力損失：

對于不同的管路，局部阻力系數K的計算方法也不完全相同，文章列出本次計算過程中用到的局部阻力系數K的計算公式。

利用上述公式，可以計算出閥板各個部分的沿程阻力損失和局部阻力損失，并與試驗值進行比較。

2? ? 結果分析

圖1為冷卻水流量與壓力損失之間的關系。從圖中可以看出，隨著冷卻水流量的增大，壓力損失逐漸提高，阻力損失與流量呈二次函數關系。同時，計算結果與試驗值非常接近，相對誤差在10%以內，基本能夠滿足工業要求。圖2計算了不同進口壓力時，冷卻水流量和壓力損失之間的關系。從圖中可以看出，隨著進口壓力的增大，流量與壓損之間的關系近似保持不變，說明對于相同的管路系統，壓力損失只和流量有關，和進口壓力無關。圖1和圖2的試驗結果與阻力損失計算結果吻合較好，充分表明了試驗和計算結果的可靠性。

利用阻損公式分別計算閥板各個部分的沿程阻力損失和局部阻力損失，如圖3、圖4所示。閥板外水道分為上下兩層，橫截面積比內圈水道小，水道比較長，通過計算結果可以看出，沿程阻力損失主要集中在外環水道，而局部阻力損失則主要集中在連接水道位置，如圖5a所示。連接水道位置近似為直角三通分流（共有9處），? ，阻力系數比較大，占閥板整體阻力損失的50%左右，因此應將拐角處設計得比較圓滑，如圖5b所示，將隔水板移到拐角處，避免形成三通分流結構。

通過對連接水道進行改進，可以有效地降低閥板整體的阻力系數，在相同的設計流量下，改進后的閥板需要的系統壓力損失降低15%，可以達到節能降耗目的。也可以通過縮小外圈水道的當量直徑，增加外圈水道的壓力，從而在保證閥板設計流量和系統壓力不變的條件下，提高外圈水道的流速，經過計算，在相同的系統壓力下，改進后的外水環水速大約為4 m/s，比改進前提高了0.5 m/s，可以更有效減小外圈水道由于局部過熱出現破裂的可能性。

同時，對于閥板不同位置可采取不同的設計方法，對過熱度不高的地方，水道當量直徑可以適當大些，這樣可以減小阻力損失。對于局部過熱的位置可以縮小管徑。因此，通過對不同位置水道截面進行改進，可以在進口壓力和流量不變的條件下改變閥板內的壓力分布和流速分布。

提高冷卻水速可以有效的預防閥板出現裂紋，延長熱風閥使用壽命。許多設計人員通過縮小外水環橫截面積提高冷卻水速。在系統壓力一定的前提下，為了研究外水環水速與截面積之間的關系，在內環水道尺寸固定的前提下，對外水環的不同截面尺寸進行了計算，計算結果見圖6。由圖6a可以看出，在相同壓力下，隨著外水環截面尺寸的減小，水速開始變大，但是當截面尺寸小于40 mm×20 mm時，水速反而降低，主要原因為隨著外水環截面尺寸的減小，壓力損失 逐漸增大，當 趨于系統總阻損 時，由阻損公式（1）可以看出， 不變時，速度隨著管徑的變小而減小。因此在系統壓差一定的條件下，通過縮小截面尺寸實現提高管路局部位置流速的方法是有一定適用范圍的。流速的大小不僅與截面積有關，截面的當量直徑對流速的影響也很大。在保證進口壓力和阻力損失不變的前提下，可以通過優化水道截面尺寸，節約用水量，這也是微水節能熱風閥的優勢之一。

3? ? 結? ? 論

1）通過對DN1500閥板水道進行改進，可以有效地降低閥板的阻力系數，在相同的設計流量下，改進后的閥板需要的系統壓力損失降低15%；

2）通過對水道隔水板位置進行改進，可以在保證閥板設計流量和系統壓力不變的條件下，提高外圈水道的流速，經過計算，在相同的系統壓力下，改進后的外環水速大約為4 m/s，比改進前提高了0.5 m/s，可以更有效地減小外圈水道由于局部過熱出現破裂的可能性；

3）對于固定的管路系統，冷卻水速由進出口壓差和水道當量直徑決定，和系統進口壓力沒有直接的關系；

4）在系統壓差一定的條件下，采用縮小截面尺寸實現提高管路局部位置流速的方法是有一定適用范圍的。

參考文獻

[1]? ? 李金海，熊濱生.微水節能熱風閥閥板的模擬分析[J].鄭州大學學報（工學版），2008（3）：66-68+80.

[2]? ? 李亞靜，頃永宏.熱風閥流場模擬[J].山西冶金，2009，32（4）：4-6+10.

[3]? ? 馬學東，宋兆峰，李玲玲.高爐熱風閥閥板的長壽研究[J].鞍鋼技術，2008（1）：15-18.

[4]? ? 馮力，張明正，王銀河，等.微水節能熱風閥的設計與試驗[J].煉鐵，2006（4）：47-49.

[5]? ? Pryadko Vm， Kotov Ki， Zhak Am， et al. Improvement of the Service Life and Efficiency of Stove Hot Blast Valves [J]. Metallurg， 1971 （4）：8～10.

[6]? ? 張先棹．冶金傳輸原理[M]．北京：冶金工業出版社，1988.．