沸腾冷却床的设计说明

2023-02-06曹红范杨玉祥曹玉萱

中国铸造装备与技术 2023年1期

曹红范，杨玉祥，曹玉萱

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

1 概述

铸造行业中，V 法铸造、消失模铸造、废砂（粘土砂、树脂砂）热法再生等生产过程中都要使用干砂冷却器，将高温热砂冷却至生产过程中工艺要求的温度。适用于这种干砂冷却的冷却器常见的有滚筒式冷却器和沸腾式冷却器两种，我们习惯上把沸腾式冷却器称为沸腾冷却床。国内大多数铸造企业采用沸腾冷却床冷却热砂，少数铸造企业采用的滚筒式砂冷却器。

每个铸造企业由于铸件品种和产量各不相同，他们所需砂处理系统的处理量各不相同，1 台性能优良的沸腾冷却床对企业来说至关重要，它既满足生产工艺要求，又节能环保。

设计沸腾冷却床时，我们首先确定几个主要参数[1]：处理能力（t/h）、入料粒度、入料温度、出料温度、冷却水的初始温度、经过热交换后冷却水的温度；其中关于冷却水温度参数一定要结合当地的气候条件确定，例如当地常年的平均气温、最高气温、最低气温、湿度等。然后经过计算确定冷却水用量、沸腾床的风量、风压、冷却面积等参数，这些参数是否合适直接影响沸腾冷却床砂层的流化效果、冷却效果、是否节能等。

接下来根据各种参数综合考虑，确定沸腾床体的结构形式，要求结构合理、简单、便于维护；最后根据风量、风压为沸腾床配备一台合适风机，风机的性能决定床体内的砂层流态化效果。

下面详细介绍设计沸腾冷却床各种参数的理论计算以及参数的经验取值；床体结构简介；罗茨风机和离心风机的特点分析。

2 沸腾冷却床的参数确定

2.1 沸腾床参数的理论计算

盛振湘先生1993 年在《中国铸机》杂志第6期（总168 期）上发表了名为《V 法造型热砂沸腾冷却床的设计计算》的一篇论文[2]，讲述了沸腾床设计时风压、风量、冷却水量及速度、换热面积、等相关参数值的理论计算，并且给出了一些经验取值。堪比教科书般经典。

根据V 法铸造、消失模铸造、旧砂再生的砂粒特性，对《V 法造型热砂沸腾冷却床的设计计算》一文中的计算公式进行整理简化，使大家在设计铸造砂用沸腾冷却床时方便计算。

整理公式时，选定的砂粒参数如下：粒度范围70～120 目，砂粒表面形状系数фs 为0.9，砂粒平均直径Ds 为0.15mm，砂粒堆积密度ρs为1400kg/m3，砂粒密度ρp为2330kg/m3。

（1）沸腾床水平截面流化风速VL（m/s）

式中，Vmf（临界流化速度）=0.027m/s。

（2）沸腾床的压降ΔP（kPa）

式中，H 为床体内砂层沸腾时的厚度（m）。

（3）换热面积

为了提高换热效率,通常采用逆流式换热。

式中，Q 为所需换热量（W）；△Tln为对数平均温（℃）；K 为冷却床传热系数,K=191.67。

式中，C砂为砂子比热，C砂=0.71J/（kg·℃）；G 为单位时间内需冷却热砂量（kg/s）；△T1为砂子的温差（℃）。

式中，△T1为砂子的温差（℃）；△T2为冷却水的温差（℃）。

根据计算的换热面积，结合沸腾床的结构,选择管子直径d（m），就可以确定管子的排数n 以及管长L（m）。这3 个参数与换热面积之间的关系如下：F=ndL。

（4）冷却水用量

式中，G砂为需要冷却的砂的质量（kg）；C砂为砂子比热，C砂=0.71J/（kg·℃）；G 水为冷却水的质量（kg）；C水为水的比热，C水=4.18J/（kg·℃）；△T1为砂子的温差（℃）；△T2为冷却水的温差（℃）。

（5）水流速度

流速V水=0.32m/s，可以利用水流速度、冷却水用量、冷却水管总截面积进行相互校核。

2.2 介绍根据实际测试得出参数值的取值方法

2.2.1 检测过程说明

为了能够更准确掌握沸腾冷却床的各种参数，我们根据盛振湘先生给出的计算公式，经过计算，设计了一台用于试验的沸腾冷却床；在冷却水进水管上安装了流量计和手动蝶阀，用来调节和检测冷却水的流量，在冷却水的出水管上安装温度传感器，在实验时记录水温的变化，检测冷却水流量、水温差与出砂口砂温的关系；沸腾风机我们选择罗茨鼓风机，因为罗茨鼓风机属于容积式风机，它的鼓风量与电机转速有关，电机采用变频电机驱动，便于调节转速从而调节风量大小，观察沸腾效果和砂冷却效果。我们在风机与沸腾冷却床连接的主管道上安装了压力传感器，观察随着砂层厚度的不同，设备风箱内压力的变化。在砂层上方300mm 的地方用测速仪测量床体内不同位置处的风速，然后取平均值，再根据床体的水平截面积，计算出风量。在风机不同转速情况下观测砂层的沸腾情况。

2.2.2 沸腾床的最佳流化状态描述

当冷却床内砂层达到流化的状态时，把手放入沸腾的砂层内，手的感觉就像手放在水里面一样，来回上下移动，手感觉所受到的阻力很小。砂层表面冒出的气泡分布均匀，类似水沸腾状。流态化砂层流动性非常好。当风机停机时，砂层与床体四壁接触处稍微高些，形成一条砂带，宽约60mm左右，与床体接触处最高，约30mm 左右，距离床体越远，高度越小，最后与中间部分融合，其余砂层表面非常平整。

2.2.3 参数计算方法

经过大量试验，得出如下经验参数计算方法。

2.2.3.1 沸腾冷却床风量

式中，Q 为沸腾冷却床所需风量（m3/min）；K 为经验常数，取值范围1.0～1.3，建议当砂层静止时厚度在300mm 以下时K 值取1.0，当砂层静止厚度在300mm～500mm 时，K 值取1.1 或1.2，当砂层厚度超过500mm 时，K 值取1.3；S 为沸腾冷却床砂层的水平面面积（m2）；V 为穿越沸腾床砂层的风速，经验取值为0.12m/s。

2.2.3.2 沸腾冷却床所需风压

当沸腾冷却床内砂层厚度增加时，达到良好沸腾状态，所需风压随之增大，经过试验，对测试记录数据整理后得出，风压与砂层厚度之间的关系可以用下面公式表达：

式中，P 为沸腾床所需风压（kPa）；H 为静止时砂层厚度（mm）；p 为附加值（kPa），当砂层厚度小于350mm 时，p 值取1.5，当砂层厚度大于350mm时，p 值取2.5。

2.2.3.3 冷却水流速度测试及取值

根据实验数据（冷却水进口水温、冷却水出口水温、冷却水管进水管的流量、冷却床出砂口的砂温）整理得出，当床体内冷却水管内水的流速在0.3m/s～0.34m/s 之间时，冷却效果最好。

3 沸腾冷却床结构选择

目前铸造企业使用的沸腾冷却床的结构形式有所不同，主要差别在于冷却水管布置方式不同，布风板的机构形式不同。图1 和图2 是两种不同结构形式的沸腾冷却床示意图，下面分别对其特点进行介绍。

3.1 两种冷却水管布置形式的特点

沸腾冷却床的冷却水管布置方式分为横向布置（图1 所示）和纵向布置（图2 所示）。冷却水管横向布置时，冷却水管与床体焊接在一起，构成床体的一部分。如果冷却砂量很大时，床体又宽又长，水管的长度很长，水管中间需要安装支撑，床体焊接过程麻烦，运行长时间后，磨损水管更换起来也比较麻烦，这种布置方式适合处理量在25t/h以下的沸腾冷却床。冷却水管纵向布置时，可以将冷却水管制作成若干个冷却单元，然后将这种冷却单元与床体用螺栓连接，如图（2）所示。这种方式每根水管比较短，即使出现水管破损，更换起来也比较方便。这种方式适合于砂处理量很大的沸腾冷却床。

图1 沸腾冷却床结构示意图（1）

图2 沸腾冷却床结构示意图（2）

3.2 两种布风板形式的特点

布风板形式分为风帽型和玻璃纤维型两种；风帽型布风板的结构比较简单，它是一块钢板按照一定的间距要求加工螺纹孔，拧上风帽即可，如果风帽磨损，更换起来也比较方便。而玻璃纤维型布风板的结构比较复杂，它是由上层压板、15×15钢丝网（钢丝直径3mm）、120 目不锈钢筛网、60 目不锈钢筛网、玻璃纤维布、20×20 钢丝网（钢丝直径4mm）、支撑钢板组成，结构形式如图3 所示。

图3 玻璃纤维毡型布风板示意图

玻璃纤维毡这种形式的布风板安装时非常麻烦，并且玻璃纤维毡使用时间久了容易老化，在高压高速气流的作用下容易穿孔，如果处理不好，容易漏风，影响沸腾床的沸腾效果。

这两种形式布风板的尺寸可大可小，一台沸腾冷却床的布风板和风箱可以分割成几块，减轻每块的重量，便于安装和维护。

3.3 推荐沸腾冷却床的结构形式

根据以上对沸腾床结构的分析，并根据多年设计经验，建议每小时处理量在25t 以下时选用横向冷却水管的布置方式；每小时处理量在25t以上时选用纵向冷却水管布置方式；布风板的形式采用风帽型。

4 风机的选择

沸腾床配置的风机选择也非常关键，用于沸腾冷却床的风机有罗茨风机和离心风机两种，

罗茨风机的压力范围宽，为9.8kPa～98kPa，离心风机的风压最高达15.7kPa；在电机功率相同的情况下离心风机的风量大，罗茨风机的风量相对较小。

4.1 罗茨风机特点

罗茨风机是容积式风机的一种，压力的变化对风量影响很小，风量与罗茨风机的转速成正比，如果采用变频电机驱动时，可以通过调节电机转速，来改变风机的风量，但它输出风压不变。罗茨风机有以下优点：（1）风机振动小，噪声低；（2）风机容积利用率大，容积效率高，且结构紧凑，安装方式灵活多变；（3）风机种类多，可选择范围广。罗茨风机有很多种类，如三叶罗茨风机、二叶罗茨风机、双级串联罗茨风机等。三叶罗茨风机，风量较小，风压高；二叶罗茨风机，风量较大，压力不是很大；双级串联罗茨风机，压力又大、风量也大。（4）压力范围广。罗茨风机的压力范围为9.8kPa～98Pa。