胡四兵 朱曉農 饒 杰

（合肥通用機械研究院有限公司,壓縮機技術國家重點實驗室）

0 引言

關于氣體輸送系統(tǒng)或氣體循環(huán)增壓系統(tǒng)的多相流管網效應的研究，國內外未見文獻報道。美國國際空氣輸送和控制協會（AMCA）開展過輸送介質為空氣的風機管網系統(tǒng)附件阻力的研究，提出了系統(tǒng)效應概念，并給出了在純空氣環(huán)境條件下系統(tǒng)附加阻力的計算方法[1]。但對在多相流介質時，風機系統(tǒng)效應是如何作用的，它與單相流介質環(huán)境下有何不同未做出研究。

如何降低管網輸送阻力，實現管網優(yōu)化和輸送的節(jié)能降耗，實現動力輸送裝備風機與泵的高效運行，國內外已開展了多項研究。如錢成文等開展了天然氣管道的內涂層減阻技術的研究[2]；羅興等開展了減阻技術在集中供熱與空調水輸配系統(tǒng)中的應用[3]；謝萍等開展了長輸管網優(yōu)化運行研究[4]；劉曉鵬等開展了泵與風機的系統(tǒng)效應分析研究[5]。

多相流減阻技術具有比較廣泛的內涵，最具有應用潛力的是使用減阻劑。國外研究表明：極低濃度(10×10-6～100×10-6)的聚合物減阻劑可使液體的湍流摩擦阻力減少高達80%[6]。多相流管網減阻的研究也僅局限于被動減阻措施的研究[7-8]，并未涉及到管網主動減阻方面的研究。被動減阻的主要措施是在管網中添加減阻劑實現管網阻力的降低，近十年來，一些聚合物減阻劑可使水平管環(huán)狀流的減阻率最高達到60%以上[9-10]，但這種方法并不適用于有色冶金行業(yè)氣體輸送、循環(huán)或排放。

1 多相流理論

多相流學科是研究具有兩種以上不同相態(tài)或不同組分的物質共存并有明確分界面的多相流體流動力學、熱力學、傳熱傳質學、燃燒學、化學和生物反應以及相關工業(yè)過程中的共性科學問題。由氣固、液固或液固氣所組成的多相流體，在運動過程中將產生相對運動。由于各相的粘度及密度上的差異，在不同的運動狀態(tài)下會發(fā)生不同的作用。

多相流應用在水利方面有水沙兩相流、河道疏浚、高含沙水流、泥石流等；在冶金方面有冶金尾礦輸送；在能源方面有輸煤、電廠除灰等；在環(huán)保方面有污水及污染底泥處理；在機械方面有泵與通風機械、旋流分離器及氣力輸送設備等。

2 管網阻力

針對一個送風系統(tǒng)而言，系統(tǒng)阻力是由沿程阻力和局部阻力兩部分構成。沿程阻力是指介質通過管路時，與管壁發(fā)生摩擦所產生的損失。局部阻力是指介質通過管路中的障礙物時所產生的損失，如通過管路中的閥門、彎頭、三通或四通等。對風機而言，系統(tǒng)阻力除了上述兩類阻力外，還包括工作場所所需的壓力大小及系統(tǒng)排氣口的動能的大小。

3 系統(tǒng)效應與附加阻力

系統(tǒng)附加阻力指的是風機進口或出口的回流條件所引起的風機性能損失。這些回流損失可能是由障礙物或風機最近區(qū)域內所用系統(tǒng)部件的布置而造成的，它是系統(tǒng)沿程阻力和局部阻力之外的阻力。在國內暖通界內，工程師們在進行系統(tǒng)阻力計算時，往往只進行沿程阻力、局部阻力、工作場所壓力及排氣口動能的計算，而忽視了上述附加阻力的計算。因此，導致風機與系統(tǒng)不匹配，實際風量低于設計風量，并常引起風機供應商或制造商與用戶間的爭議[14]。

美國氣體輸送和控制協會對通風系統(tǒng)中可能存在的附加阻力進行了分類，并給出了各類附加阻力的識別代碼和在純空氣介質條件下系統(tǒng)附加阻力曲線。設計者只要知道氣體流速和附加阻力代碼，就可通過曲線查出附加阻力的具體數值。但對風機工作在多相流介質時，系統(tǒng)效應是如何作用的，它與單相流介質環(huán)境下有何不同未做過研究。

4 多相流管網系統(tǒng)效應影響因子

多相流使介質比重發(fā)生變化，從而導致管網阻力發(fā)生變化。另一方面，多相流可能會導致輸送設備的性能下降。如固氣兩相流時，可能會導致送風系統(tǒng)中風機的積灰，從而導致風機性能下降或加劇風機的磨損，縮短風機的使用壽命。因此，開展多相流環(huán)境下管網系統(tǒng)阻力變化的研究與計算，尤其是系統(tǒng)效應影響因子的研究變得十分重要和有現實意義。

多相流的影響因素有固料的濃度Cv（又可分為稀相和濃相兩種）、粒徑d、顆粒的配級組成Σdi△Pi、固料和連續(xù)相的重率γs和γ、顆粒形狀及固液氣的物化性質等。

4.1 多相流的阻力計算

1）對于層流，阻力系數λ 與雷諾數可用下式表示:

2）對于紊流，阻力系數λ 與雷諾數的關系用下式表示：

雷諾數Re可用下式計算：

式中，ρm為多相流體的密度，kg/m3；V為介質速度，m/s；D為管徑（或流道寬度），m；τB為賓漢極限切應力；η為賓漢體的剛性系數。

多相流體密度按下式計算：

式中，Cv為固體顆粒的體積濃度；εe為摻氣的體積比，%；ρw為液體密度，kg/m3；ρq為氣體密度，kg/m3。

3）沿程阻力的計算可表示為：

式中，Δp 為沿程阻力，Pa；λ 為阻力系數；L 為流程長度，m；ρm為多相流介質密度，kg/m3。

4.2 多相流系統(tǒng)效應影響因子與附加阻力計算

管網系統(tǒng)的附加阻力是一種與管網沿程阻力和局部阻力截然不同的阻力。它的大小取決于系統(tǒng)的不同配置，為了準確計算不同系統(tǒng)效應模式下的系統(tǒng)附加阻力大小，我們引入系統(tǒng)效應影響因子，其與局部阻力元件與進出口間的有效直管段長度、管路與設備進口或出口面積比、多相流介質密度相關，如式（6）：

式中，Kad為多相流系統(tǒng)效應影響因子；Ly為有效管長，m；Sr為面積比。

多相流管網系統(tǒng)附加阻力：

式中，Δpad為多相流系統(tǒng)附加阻力，Pa；A 為與Kad相關的常數；B為與Kad相關的常數。

5 風機管網阻力及系統(tǒng)效應附加阻力計算

在多相流管網及系統(tǒng)效應影響因子研究的基礎上，結合工程應用實際需要，開發(fā)了“風機管網阻力及系統(tǒng)效應附加阻力計算”軟件。該軟件基于VB6.5語言在Office2007 Excel 環(huán)境下設計開發(fā)完成，主要用于在多相流環(huán)境下風機管網阻力及系統(tǒng)效應所導致的系統(tǒng)附加阻力的計算與分析。軟件由多相流介質計算、沿程阻力計算、局部阻力計算、進口附加阻力計算、出口附加阻力計算、系統(tǒng)效應影響因子與附加阻力計算等6大模塊構成，如圖1 所示。軟件對改善管網配置，為風機與其系統(tǒng)的完美匹配提供了理論依據，是工程技術人員開展管網阻力評估和系統(tǒng)附加阻力計算的好幫手，尤其適用于多相流環(huán)境下系統(tǒng)效應影響因子的計算和設計計算主動減阻。

圖1 風機管網阻力及系統(tǒng)效應附加阻力計算軟件主界面Fig.1 The main interface of fan pipe network resistance and system effect additional resistance calculation software

6 多相流管網主動減阻措施

管網主動減阻是相對于被動減阻而言，即通過管網優(yōu)化，包括管徑、管長、管材、管件的選配和管網合理設計，實現管網阻力降低的一種減阻方式。對于那些不能通過添加減阻劑、涂層方式實現減阻的場合，這種方式是唯一的選擇，如在有色冶金行業(yè)的排煙系統(tǒng)和高爐送風系統(tǒng)。

在多相流環(huán)境下，管網阻力隨著多相流介質的密度增加而增大。冶金行業(yè)的排煙管網系統(tǒng)是典型的多相流管網系統(tǒng)，煙氣中的固體顆粒物數量、大小將直接影響流動模式，影響管道摩擦損失大小，如果管網設計的不合理，還可能會導致固體顆粒物在管網局部區(qū)產生堆積或沉淀，更進一步增大了管網阻力。

管網的局部阻力和沿程阻力的主動減阻措施在很多文獻或資料中都有介紹，本文不贅述。以下僅對與設備進出口鄰近的管網系統(tǒng)效應引起的系統(tǒng)附加阻力的減阻措施做概括性的介紹：

1）出口管道面積與設備有效出口面積之比應在式（8）規(guī)定的范圍之內。收斂時，中心角≤15°；擴散時，中心角≤7.5°。如果是單邊收斂或擴散時，也應滿足角度的變化，即單邊角度≤15°，單邊擴散時，擴散角≤7.5°

式中，A2為設備出口面積；Ap為設備出口管道截面積；

2）進口管道的面積與設備出口面積之比，應符合式（9），收斂和擴散角度要求同出口管道要求一樣。

式中，A1為進口管道截面積。

3）如果風機出口有彎頭、三通和靜壓室時，應保證風機與彎頭、三通或靜壓室間的直管段長度L不小于下式計算所得數值：

式中，Leq為有效管長，m；Deq為有效管徑，m；C為管道內流速，m/s；C0為基準速度常數，取值5,m/s。

7 應用案例

某冶煉廠風機體積流量346 000m3/h，全壓10 000Pa，進氣溫度100℃左右，介質為具有多相流介質特性的煙塵氣，風機及出口管路布置如圖2所示。風機在投入使用后，一直存在風量不夠，制約冶煉廠的產能。根據風機運行電流判斷風機的實際運行工況已偏離設計點，很可能是系統(tǒng)阻力偏大造成的。

圖2 風機及出口管網布置Fig.2 Fan and outlet pipe network layout

為進一步驗證上述分析判斷，利用自主開發(fā)的軟件“風機管網阻力及系統(tǒng)效應附加阻力計算”對該風機的介質進行了多相流環(huán)境下介質密度的計算，再對管網阻力和系統(tǒng)效應所產生的附加阻力進行計算，并通過CFD數值模擬分析計算了在多相流環(huán)境下,風機管網系統(tǒng)阻力為10 700Pa。并對該風機進行了現場測試，測量工況點下風機的流量及進出口壓差，實際流量較設計值低近20%，壓力高出近6%，測量結果與軟件計算和CFD數值模擬十分接近。

將測試結果與原始風機性能曲線進行對比，如圖3所示，證實了該風機實際運行點確實偏向小流量區(qū)域，證實了之前的判斷是正確的。

圖3 風機原始性能曲線Fig.3 Original fan performance curve

進一步分析發(fā)現，風機出口管路的直管段較短，如圖4所示。根據文獻[1]的分析，直管段較短可能會對風機性能產生較大的影響。正常情況下風機出口直管段的長度應至少為100%有效管路長度，如果設計時直管段的長度小于100%有效管路長度，則必須要考慮因直管段過短引起的系統(tǒng)附加阻力[1]，在多相流環(huán)境下，這種系統(tǒng)效應表現得更為突出。

圖4 風機出口管路模型Fig.4 The outlet pipe model of fan

該風機出口流量約為23m/s，100%有效管路長度應為4倍管徑長度，而實際的風機出口直管段長度約為主管道直徑的1.5倍，僅為有效管長的37.5%，風機出口管路系統(tǒng)存在較大的附加阻力損失。

根據文獻[15]進行出口管路的沿程阻力和局部阻力損失計算，根據文獻[1]進行系統(tǒng)附加阻力的計算，結果如表1所示。從表中可以看出，如果僅計算沿程阻力和局部阻力損失，則出口管路損失為372Pa；但在考慮了系統(tǒng)附加阻力后，出口管路損失高達672Pa，如考慮到多相流介質密度的增加，系統(tǒng)附加阻力損失約為360Pa，占總阻力損失的49.1%。如果在進行管路設計時只考慮了管道的沿程阻力損失和局部阻力損失，而忽略了由于風機出口直管段過短帶來的附加阻力損失，就會對風機的使用產生非常大的影響。

表1 冶煉風機出口管路的總壓損失Tab.1 The total pressure loss of outlet pipe of metallurgy fan

為降低附加阻力損失，達到優(yōu)化風機出口管路的目的，結合現場管路布置的實際情況，擬采用主動減阻的方式即將風機出口直管段延長，使其有效管路長度達到100%，再通過45°彎頭與后續(xù)管道相連，優(yōu)化管路如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的風機出口管路模型Fig.5 Optimized fan outlet piping model

這樣計算所得的出口管路損失僅為420Pa，如表2。與優(yōu)化前的管路損失相比降低了40%，效果非常明顯。

表2 冶煉風機出口管路的總壓損失Tab.2 The total pressure loss of outlet pipe of metallurgy fan

8 結論

在多相流環(huán)境下，工作氣體輸送或工藝循環(huán)管網中的風機，由于多相流介質密度的變化使得系統(tǒng)阻力增加，以及管網設計不合理，產生系統(tǒng)效應，導致產生系統(tǒng)附加阻力，使得風機偏離設計工況運行，消耗了更多的能源。開展系統(tǒng)效應影響因子的研究和在多相流環(huán)境下管網主動減阻措施的研究，對準確把握系統(tǒng)阻力，解決風機與系統(tǒng)匹配問題以及在不能采用添加減阻劑或涂層方式實現管網阻力降低的場合都有很好的幫助。