球型弯头刷出存在感

球形弯头也称转向球,在水泥及生料的气力输送系统中,作为管道弯头的代用件,以其制作简单,安装方便,性能好等优点,在大中型水泥厂的气力输送中应用日益广泛。

然而,对球形弯头内的流动分布、磨损原理、阻力大小、合理球径、制作安装等一系列问题并无统一规范和理性认识。为此,作以下探讨,希望促进转向球的应用及推广。
在二维空间内,以90°球形弯头为例,当流态化的料气混合物以速度v1从A管流入球内时,如图1所示,因入口截面积突然扩大,使流动的连续性被破坏。在原有流场扩大的同时,两侧死角处激
球形弯头
球形弯头
起涡旋。其流线分布由对称状态①终转为非对称状态③。

随流动过程的继续,球内流动由①过渡为状态②。这时,根据流体力学连续性原理,流速与截面积之间有以下关系式:

v1s1=v2s2 (1)

式中: v1--流体在A管中的流速,m/s; s1--A管的横截面积,m2; v2--流体流过球心截面处的速度,m/s; s2--球心截面积,m2。

上式表明,在同一管路系统中,流速与流过的截面积大小成反比。由于球的截面积一般比管道截面积大几倍,即有s2>s1,故有v1>v2。

气流在球内速度迅速降低的同时,压力升高,即流体的动能转变为压力能。球内不断升高的压力迫使流体从B管流出,流动达到相对稳定状态,如图1③所示。从①到③的这一转变及流动的重新分布是在一个极短暂的时间内完成的速度、压力和能量转换过程。

由于球内气流涡旋及摩擦的存在,使球形弯头内的这一转变过程产生了能耗。因而出现了物料传输中的弯头压力损失
磨损原理

在气力输送系统中,普通弯头是磨损快的部件。当料气混合物流过转弯处,受惯性力的作用,冲刷紧贴弯头的外侧面,使此处很快被磨穿,降低了使用寿命,见图2。

料气混合物在球形弯头内的流动则与普通弯头不同。从图1③可以看出,当A、B两条管道通过球形弯头作90°转弯时,A管流入球内的流体,速度锐减3~5倍(因截面积增大3~5倍),其次,气流进入球形弯头内很难直接冲刷到球的内表面,而是与球内的涡旋发生摩擦及物质和能量的交换。因此,流体对球体的直接磨损被缓冲而削弱。对球壁直接磨损的是球内的涡旋。而涡旋的旋速较低又集中在进、出口管与球体的交接部位C、D、E、F(图1③)。这里成为球形弯头先被磨穿的地方。即使如此,球形弯头在不加固的情况下,其使用寿命也比普通弯头长3~5倍,使用期可达十年以上(输送水泥)。若对进出管与球体对接处的球面作加固焊接,则使用周期更长
阻力系数

在水泥厂的气力输送管路中,通常要转几次弯才能将物料送至目的地。以某厂的气力输出系统为例(图3):出磨水泥进入螺旋泵即被加压吹入管路系统,经A、B、C、D、E五个球形弯头分别作90°转弯后,沿水平管道及三通阀进入水泥库。若要计算这一管路系统的压力损失,五个球形弯头的压损是应当考虑的。

料气混合物流过球形弯头与流过普通弯头一样要产生压力损耗。压损的大小因球径大小、转弯角度的不同而不同。

众所周知:在气力输送中,由水平转向垂直向上的90°转弯,普通弯头转弯部分的压力损失的计算式为:

v2

ΔP = ζ-- ρm (2)

2

式中:ΔP--普通弯头压力损失,Pa; v--管中气流平均速度,m/s; ρm--气固混合物密度,kg/m3; ζ--弯头阻力系数。

式中阻力系数与弯管的曲率半径R和管道内直径D的比值有关,见表、图4所示。

R/D比值与ζ的关系

R/D
2
4
6
≥7
ζ
1.5
0.75
0.5
0.38
对于球形弯头,其相似曲率半径R′的大小与球的直径大小和管路转角大小有关。当作90°转角输送时,则R′≈r球,证明如下:

这一结果表明,在相同阻力系数ζ′的条件下,135°转向的球形弯头直径可以比90°转弯的球形弯头的直径小2.5倍。

例如:有一气力输送管内径D=200mm,用于90°转弯的球形弯头直径为800mm,则R′=400mm,R′/D=2,其相似阻力系数ζ′≈1.5(见表),若该管路作135°转弯,则球形弯头的直径为800÷2.5=320mm,其ζ′≈1.5不变。

球形弯头在应用中直径大小的选取要根据管路系统的实际情况来决定,通常在管道内径的3~6倍范围内选取。当管路总压降、转角及安装条件确定后,球形弯头的直径也可确定下来。

折叠