微水节能热风阀压力损失研究

陈川

摘 要：热风阀广泛应用于热风炉系统，是现代高炉炼铁的重要设备之一。通过热风阀阻损试验和理论计算，给出了阻力损失和流量之间的关系。通过对某钢厂DN1500阀板水道进行改进，可以有效地降低阀板的阻力系数，在相同的设计流量下，改进后的阀板需要的系统压力损失降低15%，可以达到节能降耗目的。同时试验结果表明：冷却水速由系统压差和水道的当量直径决定，压差越大，水速越大，冷却水速和进口压力没有直接的关系。当系统压差一定时，在一定范围内缩小水道截面尺寸有利于提高水速。当截面积过小时，流速反而降低。

关键词：热风阀；节能；阻力损失；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

熱风阀广泛应用于热风炉系统，是现代高炉炼铁的重要设备之一[1]。在现代化高炉炼铁生产中，送风参数控制十分严格，因此热风系统的高效稳定运转对提高高炉产量、连续生产起着至关重要的作用[2]。在热风阀的各个构件中，常因阀板外水环出现裂纹而引起整个设备出现故障，制约了热风阀的产品质量提高和设备的使用寿命，提高阀板的使用寿命是延长热风阀整体寿命的关键[3]。

提高外水环水速是防止阀板外水环出现裂纹的有效途径之一。目前，在国内，无论热风阀的设计单位，还是生产厂家，对热风阀阀板的设计流量及阻力分析大多限于经验估计，因此，不能给出水速和压差之间的定量关系。

本文通过试验和理论计算相结合，给出了阀板压力损失的计算方法，找到了压力损失和流量之间的关系，根据计算结果对阀板的结构进行了改进，既可以提高阀板的使用寿命，又能达到节能降耗的目的，对阀板的设计具有指导性意义。

1    阻损试验

本次试验阀板为世林漯河冶金设备有限公司研制出的一种新型微水节能热风阀[4]，同国内外常规热风阀阀板相比[5]，该热风阀的节水、节能效果更加明显。

试验主要由以下部分组成：无塔供水器，水泵，流量计，压力表，DN1500阀板。试验装置及试验阀板结构见图1、图2。试验内容主要包含两部分：一是进口压力恒定，通过出口阀门改变流量，测试出不同流量下阀板的压力损失；二是测试不同进口压力下，流量和压力损失之间的关系。

阀板内的压力损失包括两部分。

1-入水口；2-阀杆；3-接口；4-连接水道；5-外环水道；6-内环水道I；7-内环水道II；8-接口；9-出水口

图 2    阀板结构示意

1）流体与直管水道间的摩擦阻力损失，可用范宁（Fanning）公式[6]表示为：

式中：λ为摩擦阻力系数；L为水道长度，m；d为水道当量直径，m；ρ为流体密度，kg/m3；v为流体速度，m/s。

式中：A为 水道截面积；S为水道周长。

2）流体在流动过程中，流经局部装置时因截面突然变化，方向或大小迅速改变引起流场重新分布而产生的局部阻力损失：

对于不同的管路，局部阻力系数K的计算方法也不完全相同，文章列出本次计算过程中用到的局部阻力系数K的计算公式。

利用上述公式，可以计算出阀板各个部分的沿程阻力损失和局部阻力损失，并与试验值进行比较。

2    结果分析

图1为冷却水流量与压力损失之间的关系。从图中可以看出，随着冷却水流量的增大，压力损失逐渐提高，阻力损失与流量呈二次函数关系。同时，计算结果与试验值非常接近，相对误差在10%以内，基本能够满足工业要求。图2计算了不同进口压力时，冷却水流量和压力损失之间的关系。从图中可以看出，随着进口压力的增大，流量與压损之间的关系近似保持不变，说明对于相同的管路系统，压力损失只和流量有关，和进口压力无关。图1和图2的试验结果与阻力损失计算结果吻合较好，充分表明了试验和计算结果的可靠性。

利用阻损公式分别计算阀板各个部分的沿程阻力损失和局部阻力损失，如图3、图4所示。阀板外水道分为上下两层，横截面积比内圈水道小，水道比较长，通过计算结果可以看出，沿程阻力损失主要集中在外环水道，而局部阻力损失则主要集中在连接水道位置，如图5a所示。连接水道位置近似为直角三通分流（共有9处），  ，阻力系数比较大，占阀板整体阻力损失的50%左右，因此应将拐角处设计得比较圆滑，如图5b所示，将隔水板移到拐角处，避免形成三通分流结构。

通过对连接水道进行改进，可以有效地降低阀板整体的阻力系数，在相同的设计流量下，改进后的阀板需要的系统压力损失降低15%，可以达到节能降耗目的。也可以通过缩小外圈水道的当量直径，增加外圈水道的压力，从而在保证阀板设计流量和系统压力不变的条件下，提高外圈水道的流速，经过计算，在相同的系统压力下，改进后的外水环水速大约为4 m/s，比改进前提高了0.5 m/s，可以更有效减小外圈水道由于局部过热出现破裂的可能性。

同时，对于阀板不同位置可采取不同的设计方法，对过热度不高的地方，水道当量直径可以适当大些，这样可以减小阻力损失。对于局部过热的位置可以缩小管径。因此，通过对不同位置水道截面进行改进，可以在进口压力和流量不变的条件下改变阀板内的压力分布和流速分布。

提高冷却水速可以有效的预防阀板出现裂纹，延长热风阀使用寿命。许多设计人员通过缩小外水环横截面积提高冷却水速。在系统压力一定的前提下，为了研究外水环水速与截面积之间的关系，在内环水道尺寸固定的前提下，对外水环的不同截面尺寸进行了计算，计算结果见图6。由图6a可以看出，在相同压力下，随着外水环截面尺寸的减小，水速开始变大，但是当截面尺寸小于40 mm×20 mm时，水速反而降低，主要原因为随着外水环截面尺寸的减小，压力损失 逐渐增大，当 趋于系统总阻损 时，由阻损公式（1）可以看出， 不变时，速度随着管径的变小而减小。因此在系统压差一定的条件下，通过缩小截面尺寸实现提高管路局部位置流速的方法是有一定适用范围的。流速的大小不仅与截面积有关，截面的当量直径对流速的影响也很大。在保证进口压力和阻力损失不变的前提下，可以通过优化水道截面尺寸，节约用水量，这也是微水节能热风阀的优势之一。

3    结    论

1）通过对DN1500阀板水道进行改进，可以有效地降低阀板的阻力系数，在相同的设计流量下，改进后的阀板需要的系统压力损失降低15%；

2）通过对水道隔水板位置进行改进，可以在保证阀板设计流量和系统压力不变的条件下，提高外圈水道的流速，经过计算，在相同的系统压力下，改进后的外环水速大约为4 m/s，比改进前提高了0.5 m/s，可以更有效地减小外圈水道由于局部过热出现破裂的可能性；

3）对于固定的管路系统，冷却水速由进出口压差和水道当量直径决定，和系统进口压力没有直接的关系；

4）在系统压差一定的条件下，采用缩小截面尺寸实现提高管路局部位置流速的方法是有一定适用范围的。

参考文献

[1]    李金海，熊滨生.微水节能热风阀阀板的模拟分析[J].郑州大学学报（工学版），2008（3）：66-68+80.

[2]    李亚静，顷永宏.热风阀流场模拟[J].山西冶金，2009，32（4）：4-6+10.

[3]    马学东，宋兆峰，李玲玲.高炉热风阀阀板的长寿研究[J].鞍钢技术，2008（1）：15-18.

[4]    冯力，张明正，王银河，等.微水节能热风阀的设计与试验[J].炼铁，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]    张先棹．冶金传输原理[M]．北京：冶金工业出版社，1988.．