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气力输送系统中翰辩流动懿理及实验研究 气力输送系统中粉料流动机理及实验研究 摘要 气力输送是利用气体( 空气) 将物料从一处搬运至i 另一处的输送方式。由于 气力输送为气同两相流，内部流型复杂，本文针对粉料的流动性进行了研究， 并以炭黑这种粉料为输送物质，分析了影响输送过程的几种因素，主要进行了 以下研究： l 。给出了辩述气匿两相流流动过程中一些比较薰要露耱理量的经验关系 式，如两相流的浓度、密度以及粘魔。 2 介绍了粉料颗粒影响密相输送机理的一些性质，如其粒径、密度、形状 等因素，并分析了其与输送系统选择的关系。 3 班单颗粒粉籽的受力分撰为鏊础，黯密穗输送枫理避季亍了研究。 4 一提出了粉料颗粒在输送过程中酶运动方程，对输送过程中几个眈较夔簧 的输送速度参激进行分析，并得到了输送粉料加速段长度的经验公式。 5 粉料在开始输送之前首先鼹对其流态化，本文分析了在粉料流化过程中 的所经历的两个阶段，并给出了计算流化阶段的压力损失和临界流化速度的方 法。 6 粉籽在籽仓内翡流动跳较复杂，受精籽的幢屡影响比较大，并逶道分橱 粉料在料仓内的流型和流动方程发现，处于整体流的粉料不会发生鼠洞、起拱 等现象。 7 管道特别是弯管的磨损一戡是制约气力输送系统发展的重要困索，举文 分析了影响管道瘗损鲍且个主要溺索，并提出了减少瓣损的措施。 8 数炭黑为输送粉籽，对输邀压力与炭黑瑜意破碎率、输送气体流l 璧 与固体质量流赞、流态化压力与圆体质量流量、料气混合比与输送压力损 失、输送气速与压力损失之间的关系进行了分析，得出输送压力、输落气 量以及输送速度对气力输送的影响。 关键词气圈蕊相流密相输送流型输送压力损失粉糊性质炭黑实验 h 青岛科技大学硕士学僚论文 t h ef l o wm e c h a n i s mo fs o l i d s i np n e u m a t i c c o n v e n g i n ga n d e x p e r l m 嚣n 譬a la n a 毛y s i s a b s t r a c t t h ep n e u m a t i cc o n v e y i n gu s e sg a st ob l o ws o l i d sf r o mo n ep l a c et oa n o t h e r p l a c e f o rt h ec o n v e n i n gb e l o n g st og a s s o l i d st w op h a s ef l o w , t h ef l o wf o r mi sv e r y c o m p l e x 。s ot h i st e x ta n a l y s e st h ef l u i d i t yo fs o l i d s ，a n dt a k e sc a r b o nb l a c kf o r e x a m p l e ，i n v e s t i g a t e ss o m ef a c t o r sw h i c hh a v ei n f l u e n c eo nc o n v e y i n g t h em a i n c o n t e n ta sf o l l o w s ： 1 e x p e r i e n c ef o r m u l a sa b o u ts o m ei m p o r t a n tf a c t o r si nt w op h a s ef l o wa r ep u t f o r w a r d ，i i k et h i c k n e s s ，d e n s i t ya n dv i s c o s i t yo f t h et w op h a s ef l o w 2 ，s o m ec h a r a c t e r i s t i c sa sd i a m e t e ro ft h eg r a i n ，d e n s i t ya n ds h a p ew h i c h i n f l u e n tt h em e c h a n i s mo fc o n v e y i n ga r ei n t r o d u c e di nt h et e x t t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oa n a l y z e d 3 t a k i n gt h es t r e n g t ha n a l y s i so fs i n g l eg r a i nf o rb a s e ，t h et e x ts t u d i e st h e m e c h a n i s mo fd e n s ep h a s ef l o w 。 4 。p u tf o r w a r dt h ed y n a m i ce q u a t i o na b o u tt h es o l i d si nf l o w , i n v e s t i g a t es o m e v i t a lp a r a m e t e r so fv e l o c i t yi nc o n v e y l n g ，a n dg e tt h ee x p e r i e n c ef o r m u l aa b o u tt h e l e n g t ho fa c c e l e r a t i n gz o n e 5 b e f o r ec o n v e y i n g ，i ts h o u l dm a k et h es o l i d sl i q u i d ，t h et e x ta n a l y z e st w o p h a s ei nl i q u i d i t y , a n dg e t st h ew a yt oc a l c u l a t et h el i q u i dp r e s s u r ea n dm i n i m u m v e l o c i t y 6 。t h ef l o wi ns i l oi si n f l u e n c e db yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es o l i d s ，s oi ti sv e r y c o m p l e xt h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h ef l o wf o r mi ns i l oa n dt h ef l o we q u a t i o n ，i tf i n d s t h a tt h em a s sf l o ww i l ln o th a v ep r o b l e mi nc o n v e y i n g 蕊 气力输送系统中粉料流动机理及实验研究 7 t h ew e a ro f p i p e l i n e ，e s p e c i a l l yo ft h eb e n d s ，i st h ev i t a lf a c t o rt or e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n to fp n e u m a t i cc o n v e y i n g ，s ot h et e x ta n a l y z e st h em a i nf a c t o r sr e l a t i n g t ot h ew e a r , a n dp u tf o r w a r ds o m es t e p st or e d u c ei t 8 t a k i n gt h ec a r b o nb l a c kf o re x a m p l et om a k ee x p e r i m e n t ，i n v e s t i g a t e st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n v e y i n gp r e s s u r ea n df r a g m e n tr a t e ，t h eg a sf l o wr a t e a n ds o l i dm a s sf l o wr a t e ，f l u i dp r e s s u r ea n dm a s sf l o wr a t e ，m a s sl o a dr a t i oa n d t o t a lp r e s s u r ed r o p ，a n dv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed r o p g e t st h ei n f l u e n c eo ft h e p r e s s u r e ，f l u xa n dv e l o c i t yo np n e u m a t i cc o n v e y i n g k e yw o r d s ：g a s s o l i dt w op h a s ef l o w , d e n s ep h a s ef l o w , f l o wf o r m ，p r e s s u r e d r o p ，c h a r a c t e r i s t i c so fs o l i d ，e x p e r i m e n t a lo fc a r b o nb l a c k 青岛科技天学硕士学僚涂义 符号说明 i x 输送料。混合e g ( k g k g ) 醚体矮羹流量( k g s ) 气体质蹩流量( k g s 1 气体体积流量( m 3 m i n ) 气体表观速度f 耐s ) 气体真实速度( m s ) 气体质量流速( m s ) 固体颗粒密度( k g m 3 ) 输送气体a 奎度( k g m 3 ) 管道内固体颗粒速度( m s ) 表面颗粒气速( m o 网体占据管道的横截谶积( m 2 ) 蛰遒横截嚣积( m 2 ) 圆体颗粒体积( f f i 3 ) 圆体颗粒质量( k g ) 气体体辍( m 3 ) 气体质量( k 宙 气同两相流的总体积( m 。) 气嘲蹦相流的总质量( k g ) 两翱流体积浓度( m 3 n ) 两相流质量浓度( k g k g ) 。g 。q 矿 v 冉 p 。 蠢 坼 矿挺 帆 瓯 青岛秘技大学硕士学位论文 输送压力损失( m p a ) 由于碰撞而产生的压力损失系数 f a n n i n g 摩擦系数 气体摩擦系数 质撼为4 m 的颗粒的体积( n 1 3 ) 动力精度( p a - s ) 颗粮沉降速度( m ，s ) 伽利略数 沉降速度有关的雷诺数 捐对速度( m s ) 管路体积( m 3 ) ”个颗粒的体积( m 3 ) 缝积密度( k g m 3 ) 管遒内径( m m ) 与颗粒速度相关的弗劳得数 弗劳得数 褊赛流念化状态下瓣空藩凄 最小流化速度( m s ) 流化床层的截面积( 1 n m 2 ) 鞭基米德数 灏粒内摩擦角f 。) 料仓卸料口尺- r j - ( m m ) 印 艺 五 丸 叩 哎 _ 鳓 d f 乃 哳 4 加 癖 巩 气力输送系统中耪靼 流动机理及实验研究 x i 输送管道当量长度( m ) 青岛科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 在工业生产中，物料的遥送无处不在，且由于原材料或成品的输送造成的 动力损耗占熬个生产过程中动力损耗的大部分。选择、没计合理的输送方式是 懿秀提高生产效率，降低生产成本的关键。物料输送静方式多静多样，其中气 力输送作为各种散状物料的一种连续输遴方式，在工业生产的各个部门应用越 来越广泛，在物料的输送中占很大比重。气力输送可以在车间内部、露天、建 筑，铁路、躲舶懿输送中，对各种粉末状、颗粒状、纤维状以及 片状的甥料 进行输送。鬟外，由于气力输送自身的一些特点，它还可用于运送食晶，药品 嚣。因此，气力输送系统在电力、化工、轮胎、制药、食品处理、钢铁、冶金 等行业的应用趟米越多。特别是在轮胎制造炊中对于炭黑及粉料的输送，气力 输送必不可少。 从气力输送的理论研究来看，气力输送是一个复杂的二相流动过程。物料 在气流中的输送涉及到气体速度的分布以及物料与管壁及自身之间盼摩擦润 题。在辕送斡过程中，物料常常同时良懋浮秘流讫廉嚣秘方式肉蘸逯送，物辩 颗粒之间，颗粒与管壁之间都会发生碰撞，要对这些问题进行全面的研究是非 常复杂的。虽然多年以来人们对这一领域进行了大鬣的研究，但仍有许多问题 没有解决。铡翔料气混合比与输送稳定梭的关系，以及镣送效率黥闫题。因此， 含理的设计，优化气力输送系统，就必须对气固两相流动机理进行深入的研究， 掌握其特性及规律，这些鼹理论研究的重点。 在工业实际应雳中，气力输送系统容弱发生堵管瓒象。对堵管礴象缒磺究 涉及到许多方丽。提高气速可以防止堵管现象的发生，但是气速过高，则会造 成物料在管道内的悬浮流动，使输送的效率降低；而且过高的气速还会使物料 颗粒与管壁的碰撞增杰羁，加速管道豹密损，搜物料输送完毕后的破碎率增热。 同时也会造成辘蹩的损失严重。因此必绥瑟研究气崮两楣滚的流动钒理，找到 堵管现象的成豳，进行预防控制，以提高系统输送的稳定性，节约能源。 从以l 所遮可以看出，对管道中气躁两相流的氍殍究，不仅在其鏊础理论方 蕊有重要晌意义，而嚣在：r 稷庇庵方藤电有实际的价值。 1 气力输邀系统中粉料流动机理及实验研究 1 2 文献综述 1 2 1 气力输送系统的起源及发展 气力输送矮警嚣始于1 9 邀纪秘，第一个气力输送系统出现在1 8 7 4 年於法 国，当时该系统用于磨石的除尘，其原理如图1 - 1 所示。后来英国人c r a m p o n 给i 土5 了另一种主要用于炼钢的气力输送系统，其装置如图1 - 2 所示。这一系统 在当辩起了很大瓣 睾弼著一纛经耀了7 0 年之久。 爨1 - 1 为磨石除奎的f l 】气力输送系统 f i g1 - 1t h ep n e u m a t i cc o l l v e y i n gs y s t e mf o r a b r a d e r 2 青岛辩技太学硕士学位论文 图1 - 2 炼钢厂”糖制粉煤输遇蹙的装置 f i g1 - 2 t h ec o n t r o l l e r o f p o w e r f e e d i n g 在气力输送发曩初期，多经月真空系统输送本弱和谷物。2 0 邀纪拐剃更多 地使用正压系统，输送速度比较离，称为稀相输送。有活载的是艇g a s t e r s t a d t 于 3 1 1 9 2 4 年公开发表的论文。他掇出描述空气流动及气一固混合物在输送管中 流动的理论规律。他的主要研究对象是颗粒体及谷物( 如小麦) 。至今，当用于 这类特性的物料时，他提凄的经验公式仍是正确静。 粉体的气力输送是利题气流在管道或容器中输送粉体甥科鲶一秘方法，在 气力输送管道中，混合介质蹙空气和粉粒体，困褥属于气固两相流。现在许多 诸如制药、食品、塑料、水泥、化工、建材、采矿等工业部门，已普通采用气 力输送技术来输送不同的颗粒物料，一般用于物料的贮存、运输、供料及计量 等工序。魉尽管这样，至今这种输送方法仍没有形成一门完善的技术，其理论 研究大大薄蘑予实际应爱。许多气力输送理论只熊应愆于少数有选强静甥料。 管道物料输送技术属于气霞两相流技术，它与单相流有很大敕不同。 气固两相流的现象在自然界广泛存在。1 9 2 4 年g a s t e r s t a e d t ，j 研究过圊气 悬浮体管内流动【钔，但是许多经验和研究成果都比较分散。对气力输送过程中 麴各种现象闷气固两相滚的统观点系统地分析鞠研究始予上世纪4 0 年代。_ 盘 十年代以螽关于气国两籀滚的论文显著增加，内容包括两耀流边赛屡、浚态化 技术、激波在两相流混合介质巾爵勺传播、空化理沧、喷管流动等。1 9 5 6 年l n g e b o 研究了颗粒群阻力系数的经验公式。1 9 6 1 年s t r e e t e r 主编的流体力学手册有专 门的扭介绍两相流【“。六十年代以后，越来趟多的学者探索描述两棚流运动 3 气力输送系绞中龄辩流动机理及宴骏研究 规律的基本方程。有关两相流的专著如y i h 6 1 1 9 6 5 年，s o o 7 1 1 9 6 7 年，w a l l i s t 8 1 1 9 6 9 年，i s h i i 引1 9 7 5 年，p a i 1 1 9 7 7 年。 敖辩颗粒学也被稼作粉 李= 工稷学，是一f j 掰兴的综合性技术学辩，既与若 干基础学科稠溅邻，又与工程应翻楣联系。早期跌搴鬏粒学研究的有荚瓣学者 j m d a l l a v a l l e ，1 9 4 3 年他出版了憾界上第一部颗粒学专著m i c r o m e r i t i c s 。z e n z 就气一固流动特性进行了广泛的研究，提出了单颗粒在水平管线上的沉积速度 的经验关联式。”。前苏联学者克列因、高尔得什琴、李科洛夫斯基等对谷物、 水泥等材料以弹性力学理论和试验缝槊为基础f 13 1 ，进行了散粒体结构力学键基 本淘题的磷究。w e n 对东平管中蔑力帮压降进行了实验菁秀究，提出了气隧之间 存在滑动| 1 4 t 。上潼具贞利用流体力学和固体摩擦理论的方法，建立管道颗粒流 动的运动模型，尝试得到解析解，建立了一系列的假设，分析了颗粒运动的【1 5 】 理论速度，很是与实际情况有很大的差别。他所分析的情况不适用于非均匀悬 浮渡。 硬究流场中单鬏粒或有着相互作用懿多颗粒运动，以及考察含有颗粒的滚 场本身可用柬推测流场中有关的流动信息，如探讨作用在颗粒上的台力和流场 平均的流变性质或输运性质等。相关研究有1 9 6 5 年e i n s t e i n 提出了有效粘性理 论，1 9 7 5 年t c h e n 提出的关于小颗粒在均匀紊流中运动受力和扩散的理论等等。 s a y a g e 1 6 1 和l u n 1 7 j 也对颗粒流终了大量的研究。 y b nk a r m a n 学院静l o u r e n 【”】等人所迸雩予瀚气霞两提紊瀛运动搂黧的研 究有独特的地方。将固相与稀薄气体分子运动沧稠比 嚣f ，用方程描述，而气相 用连续介质模型描述。对于稀相管道素动两相流，所应用的运动模型的数值计 算结果与实验能够很好的吻合。两相流的运动模型和连续介质模型分别从微观 和宏蕊两方瑟攒述两楣流动。 我圈躲激狂颞粒学及气力输送技术的研究莛步较晚，我国于8 0 年代成立了 “中国颗粒学会”。中科院化冶所、清华大学、西安交通大学、浙江大学、大连 理工大学、同济大学、上海海运学院、山东建材学院等科研单位也对散料颗粒 学及气力输送技术作了一系列的研究工作。 1 9 7 8 年中翻科学院化工冶金研究所的李洪镑裁簧蠹气力羧送压力镄失的计 算方法进行了深入鲍研究 撼3 。t 9 8 0 年，华东化工学陵的橱伦对脉冲气刀式栓渡 密相气力输送进行了理论探讨l 婚l 。1 9 8 5 年，陆厚根对粉体整体流动时料仓最小 卸料口径进行了理论探讨 2 。1 9 8 7 年，樊建人、岑司法等在单元内颗粒原模型 的基础上，提出了脉动频谱随机轨道模型，该模型采用湍流双方程模型求解气 4 青岛科技人学硕：i 学位论文 相湍流遮度场，并用随机f ； 匀傅立叶级数来模拟气流的脉动速度，但是该模型需 要给出三维空间中颗粒场的详细信息 2 “。 1 9 9 2 年，陆厚撤用掰个形状指数，来表征耢煤灰鞭粒彤貌1 2 2 。1 9 9 0 年上海 海运学院的余达锻等对气力输送进行了优化设计，1 9 9 6 年，赵联城对仓泵气力 输送的实验进行了探讨【2 ”。1 9 9 5 年，中国科学院化工冶金研究所的王兆霖、李 洪钟等，对影响粉体流悉他的本徭俸用力遴行了理论探讨，摇融了颗粒闯作用 力对牯性糖粒的流态化摸量的影响，并从改善微细物料流态化质量的角度，分 析了流态化的诸多措施，为进步研究微细物料流态化提供了基础 2 4 j 。1 9 9 6 年， 北京科技大学的涣江、沈颤身等就低气速商混合比承平气力输送蕊赛速度避行 了毙较涤入的研究。1 9 9 8 年，繇剥东、沈颐身等又对密搬气力输送的漉型及稳 定性的判定进行了实验研究 2 5 1 ，提出了一种检测流型与判断稳定性的方法。 1 9 9 7 年，青岛建筑工程学院的刘聚德对散粒体动力学避行了实验研究。通 过实验获取慧样建立适孺子低应力状态下无粘性数辫体动力学方程斡信息。在 实验的基础上分析 乎价了用于描述散粒体与机械结构相互作用的传统理论方 法，提出了一种建立散粒体运动学的方法【2 “。 1 2 2 气力输送研究工作的进展 虽然将气力输送技术运用于实际生产中已经有一百多年的历史了，但是由 于输送物料物性的多变性，外界条件的交化对气固两相流的影响很大，因此对 予气力输送蘧论的葶并究只有最近几十年才发展起来，还缀不完整，理论研究远 落后予应用技术，因此，还需要对气力输送特别是密相输送进行大量的研究工 作。目前国内外主要的理论研究工作集中在以下几个方面： f a l 质点运动蕊律、湍流扩散流体秘与分散相樱互俸用、闽体颗粒与嗣佑表露楣 互乍用机理； 伯1 流态化气固两相流动宏观运动控制的研究； f c ) 高压密稻气固两褶流动控制方法驹研究； f d ) 滚态纯气爨两楣流动非线性动力学特性的礤究； f e l 粉体的本征粘聚机理和流恣化团聚过程研究； ( n 复杂集合通道、复杂多组分多榴流的动态特性的研究； ( g ) 气圈秘楣流瀛速与管壁磨损之闽的关系研究： f h ) 。颗粒划形体效应作用规律的研究； m 建立两相流理沧模型、基本控制方程与闭合祭件、离散化方法与离散化方程 5 气力输送系统中糟瓣流动撬理及实豫 f ； 究 求解以及计算机程序的研究。 1 ，3 气力输送系统概述 1 3 1 气力输送系统简介 气力输送是指气力输送是一种利用空气( 或气体) 流作为输送动力，在管道 中搬运粉粒状固体物料的方法。气力输送的种类较多，但是气力输送系统一般 都是由源动力部分，麓辩、混合、麴速部分，输送部分，气霜分离都分缀戚。 各部分装霞形式的不同形成了不瓣类型的气力输送系统。图1 3 表示麴是正压 密相气力输送系统。 i 源动力系统 源动力部分是气力输送系统中必不可少的部分。许多种类的空压机，鼓风 祝，诫扇以及囊空泵为输送气体提供了必要豹能量。鞠关的气力输送系统设诗 需要对输送所需簧憋气体流量和熊够迸雩亍正常输送敬蓬力( 正压或受羼) 进行设 计。 实际上用于输送固体颗孝点的气压范围很大，在设计气力输送系统时，需要 了解管道内的气体流量，是否臻对气体进行干燥、冷却和过滤等等。 2 刍珏辩、混会、热速部分 对任倚气力输送系统来滋，这部分都是至关熏要豹。物料在逸攫与气漉 混合，在很短的时间内物辩由静此状态变为运动状态，物料的动量也发生了很 大的变化。这就需要在设计时要考虑到物料动量变化的加速区。因此混合、加 料部分通常会包括一条具有定长度的水平管道，以保证物料可以达到纂一固 定静流动速度。保证气力输送系绞雀皴工作的关键怒合理豹选择热辩瓤装置， 使其输送固传颗粒斡要求，叉满足系统靛要求。 3 输送部分 固体颗粒通过加速部分后将进入输送部分。输送部分由管道组成，管道设 计的基础包括物料的磨琢性，压力要求等等。输邀系统一般包括一些：赢管、弯 管和换肉溷等。弯管会改变物料晒流动方向，物料蘧过弯管后会减速，因此在 物料通过弯管螽也要有一段熊遮区镬达到一定的输遴遽凄。 4 固一气分离部分 在这一部分同体颗粒将与输遴气体分离。压力输送系统只需要保持进入| 直l 一气分离的除尘器压力恒定即可。 6 青岛科技火学颁十学位论文 合理逸撵固一气势离系统的要索有很多，擐主要的匿索怒需要分离的溺体 颗粒的尺寸、输送气体中含有的固体颗粒的浓度，以及风速、风量等等。不同 的气力输送系统所需要的固一气分离系统也不同。 1 3 。2 气力输送的适用范围 能够用气力输送的材料范围很r “。事实上几乎所有的粉料和颗粒料都能用 气力输送方式输送。如输送尺寸达7 0m m 鹊装磊以及形状不规捌的成暴霉传 等。通常情况下，材料越大越厚，输送时需要的气流速度越商，消耗的气爨也 越大。通常规定尺寸大于1 5m m 就不再适合进行气力输送。另外，输送管道 的内径尺x 至少应为输送毒孝料中最大尺寸的三倍，这样可以避兔管内造成堵塞。 实际上，嫒适合气力输送的材料憝具露自流往，菲磨琢性和菲纤维的材料。但 是由于新型气力输送系统的气流速度越来越低，粘性的、磨琢性的以及脆性的 材料也可以进行输送。 图1 - 3气力输送系统结枸 f i g1 - 3t h ec o n f i g u r a t i o no f p n e u m a t i cc o n v e n i n gs y s t e m 1 , 3 3 气力输送系统的优缺点 气力输送系统与其他机械输送方式，如带式输送机，螺旋、振动城送机榴比 具有许多优点： 气力输送系统中粉料流动机理及实验研究 a 。所有酶国 零输送设备与气力输送系统相比，气力竣送系统可熊是小颗粒固 体物料连续输送的最合适的方法，同样也适合间断地将大批量颗粒物料从 槽车、铁路车辆和货船输送至贮仓。 b 。输送管道的占地面积在各嵇输送方式中最小。 c 气力输送系统对充分利用空间的设计南极好的灵活性，设备投资少。可以 戮遣制宣的选搀最佳方案：翔可进行多点投辩囱点秘料，或采用一点授 料向多点卸料。 d 气力输送系统所采用的备种固体物料输送泵、流量分配器以及接收器非常 类似予流体设备懿猱 # ，因此，大多数气力输送系绞缀容易实现鑫动位， 由计算机自动控制操作，可以减少操作人员的费用。 e 清洁，低污染。由于气力输送系统是密封系统，因此可以防止输送物料对 环境的影响。遽过台理的设计麓使气力赣送系统做副真正的无尘，特别在 负压系统中尤为明显。 f 可以用于长距离输送。 g 对于化学性能不稳定的物料，可采用惰性气体输送。 假怒气力输送系统仍存在一燥缺点： a - 箕动力消甏在各耱输送方式中较高。 b 使用受到一定的限制。气力输送系统仅能用于输送比较干燥的、没有磨琢 性、有对还需要是能自囱漉动的甥籽。一般，如浆最终产品不允许破碎， 则脆性的、翳予破碎静产蕊不适台采蠲气力输送槐输送。另夕 ，易啜湿及 易结块的物料也不适直用气力输送。对于易氧化物料必须采用惰性气体为 介质输送。 e 。存在设备縻损及谚辩破碑的现象。 d 对于物料的物性变化反应敏感，物料特性的微小变化( 堆密度、颗粒大小 分匆、硬度、休止囊、爆炸的潜在危险) 鄙齄引起爨 乍上的困难。 近几年来，低速密相气力输送系统发腱迅速，它较好的克服了系统能耗较 r 青岛辩技久学疆学位论文 大的不足。表1 - 1 给出了气力输送与其他输送方式的单位功率消耗 表1 。1各种连续输送机的单位功率消耗 气力输送秽。械输送 辘送方式 穗媚 毳速 带式摄动 斗式 螺旋 雁送吸送 密相输送梳输送枕输送枕输送柱 功率消耗 0 0 0 2 0300 3 0 0 0 1 0 0 0 0 3 。0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 1 ，0 1 k w h t - i l l1 00 0 20 0 0 6 0 80 0 3 1 3 。4 气力输送系统的分类 气力输送系统可以有多种不同的分类，就压力特性而言，可以分为负压系 统，正压系统和混合系统。 1 负压系统 负篷系绕铡用辕送系统终点的撼祝抽吸系统内豹窆气，在系统中形成低予 大气压的受疆气流，物辩与空气起胰吸嘴进入到达系统肉弗随气流到达系统 终点，最后经过滤分离将空气摊放到大气中。负愿输送系统主要用于将物料从 一个或几个料仓输送到一个储库的工况。这种输送方式能够有效地收集物料， 但输送距离受到定地限制。负压输送广泛的应用于输送具有毒性和潮湿性的 物料，这秘系统可保证无尘趣料，并且可以保证不会由于管道熬泄漏丽g l 起对 周边环境的影确，由于对系统秃尘运行的需求越来越大，受压系统已经在许多 工业部门被广泛应用。负愿输送的应用范围十分广泛，从小型的除尘操作到大 型的一般每小时输送几千吨的卸船系统都有应用【2 。图1 - 4 表示的是负压输送 系统。 9 气力输送系统中耱料流动机理及实验研究 ， 辱：阿罗 5 7 3 j 、发送罐：2 ，勰转藤；3 、镣送蛰；4 一娩分燃嚣：5 压力并关； 6 滁令嚣：7 。辩能律；8 。贮濮；9 梦茨醚视 图1 - 4 负孤输送系统结构示意圈 f i gl - 4t h ec o n f i g u r a t i o no fv a c u u mc o n v e y i n gs y s t e m 2 。正压系统 正压输邀是气力输送最基本蛇形式，在系统中，利用系统输送起患麴输送 风规，将赢予大气压的压缩空气邋入输送系统中，携辩定量送入赢遮运行的气 流中，在气流的带动下物料到达输送系统终点，经过滤后物料与空气分离后气 体排入大气，物料留在贮仓。正压输送主要应用于将物料输送到一个或几个贮 仓的工况，多料斗卸料是由多翻转向阀实现。由于正雁系统是在高于标凇大气 匿力的章专况下遴雩亍工终，因此自g 够承受一定压力的鸯羁糕设备是正疆输送系绞正 常运芎亍的关键。如果合理的进行设计，正压输送墩可墩实现多点取辩输送。与 负压输送相比，正压输送系统其裔较高的容量并且遁合于较远距离的输送。图 1 5 表示的是正压输送系统。 t 0 青岛辩技大学颈士学位沦文 l 、糕饿装羧；2 援送装程：3 、漪努嚣；4 爹蒺避税：5 。旋转游： 6 峻獬；7 、输送镑：8 、乐由帮美：9 。：娃分趱嚣：1 0 、睬：延器； ti 、槲弛谴：1 2 贮罐；13 风帆：1 4 空气狰化装瓣 图1 - 5 正压输送系统站构示意图 f i g1 - 5t h ec o n f i g u r a t i o no f p n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m 3 。混台系统 混合系统楚在同一设备中慕有正压和负压的优点，翻用两静不隧系统鹃优 势，因而可以应用于比较复杂的系统中。混合系统燎压吸式。通过使吸送距离 尽可能缩短，系统的输送效率就会相对提高。这种系统可以对不同的物料进行 多点装料和多点卸料。 工程上鬻爝酌气力输送方式为褥相输送和密棚输送。 对予稀籀输送，被输送镑辩的质量流量与气体的凄量流量之魄院较小，物 料颗粒的间距较大，输送气体的压力较低，输送速度较大。稀相输遴般适用 于被输送物料的粒度和质量较小、干燥和易流动的场合。 对于低遽密相输送，物料输送的速度较低，输送气体用压力辏离，与稀相 输送榻魄，它其有很多款佬点：由予输送速度较低，因此管道的臻攫窥物辩的 破碎率小；函耗气量较少丽傻输送终端数料、气分离比较容羁；褥辩的质量流 量与气体的质量流量之比( 料气混合比) 较大，使输送效率有所提离。所以低 速密相气力输送理所当然的被广泛应用。 4 其他分类方式 另外对气力输送系统还有弼静分类方法。以卜所谴的两种分类是对气力输 送最一般瓣划分方法。但是些学誊和工业邦l l 还聚爝其他的分类方法。 f 1 1 根据输送压力划分 f a l 低压系统一最大输送压力低予2 0k p a ； 气力输送系统中粉料流勘机理及实验训f 究 ( b ) 正压吹送系统一输送压力豹范豳出3 8m m 汞柱( 大约绝对擐力为5 0k p a ) 到1 个标准大气压( 1 0 0 k p 幻； ( c ) 单空压机系统输送压力达到2 5 个标准大气压( 2 5 0k p a ) ： ( d ) 高压系统邋鬻操作压力超过7 个标准大气压( 7 0 0k p a ) ； ( 2 ) 以趣辩方式捌分 ( a ) 控制式加料系统一可以对输送管道中的投料进行直犊控制； ( b ) 非控制式加料系统一固体的流动不能进行精确的控制( 真空吸料激置和仓式 泵邸耩于这釉粪燮) 。 1 3 ，5 输送系统的说明和运行 l 。穗图 输送相图怒对气力输送系统迸彳亍分桥研究的最壹溉的方法，如图1 - 6 所示。 该相图2 8 1 描述的是水平流动系统，表明了管道内任何点的压力损失梯度与表 观气速之闻静关系。 在应用相图邀行输送分橱的时候，通鬻有几种具袁代表性的图象箍述了襁 图中某一点在管道中的流动状态。另外相图还可以反| i 蹙出物料从稀相输送向密 相输送的转变过穗。 a b 线代凌了仅仅由于水乎输送管道中的气俸摩擦遮藏静压力羧失。 当空气速度为v ，的时候，颗粒大小相似的物料以固体质量流量g 进入管道 中。出于作用在固体颗粒上的拖曳力和颗粒之问的相互作用力( 圆体阅的摩擦 力1 使压力损失出b 点上秀至c 点。汾麓溜线c d ，裘示气体速凄逐渐降低， 颗粒速度也在随之降低而料气比( ) 增加。使固体颗粒与气体和管壁之间的 摩擦减小。d 点代表了物辫可以以稀相输送方式完全懋浮输送，输送气体速度 缀离。在这个交点处系统处予稳定流动状惫。对应予d 点的气体遮度菲常熏 臻，被称为临界速度。在临界点d ，气体速度轻微的降低会造成物料的沉积 ( 物料层) 。这样会使摩擦阻力压降增大至e 点。可以发现物料层馒管道的横 截蕊减少，嚣戴物辩层方的气流速度会增大，固髂鬏靛的输送速度也增大。 物料层的性质非常重要。基于系统中的压力损失情况以及输送物利的特性， 气力输送系统t p 会出现两种物料层的形式。一种是稳定物料层，是由永久沉积 予餐道底部的物料形成的。泼物利层保持不变。这种物辩层有效的溅少了管道 的横截面积，圆体颗粒在物獬艨的上方进行稀相输送。 1 2 青舞科技大学颈十学位论文 在稳定的密相输送中，有1 些物料可能会形成运动的物料层。在这种情况 下，管道中存在两种流动。流动的物料层有较高的物料集中率，并且在物料层 的上方通常存在蔫稀相流动。随着物料的性质和气源的设定压力加大，通常会 使稳定的物精鹾瞬闻转化为流动的物辩层。这一特定的情援会引超系统愿力的 剧烈变化，两且如果输送压力选择不当就会使管道产：生堵塞。 可以发现一般情况下稀相输送其输送速度要略高于转折速度。也就是说， 从以上：相图可以发现，由于稀相输送所需要的压力较高，因此这种输送系统需 要能够承受离压的加料装置。 随羲气流速度的进一步降羝( 妻线e f ) ，一部分秘漉在管道底部物瓣瑶之上 流动，同时稳定料层也在缓慢流动。另外，也可发现出于物料的输送鹫增大， 压力损失随之增大。 相图中的曲线表示由高到低料气混合比依次升高的情况。相图上方与f e c 相同的曲线表明了当混合比更高时的压力损失情况。可以看到每一个混合比的 特缝兹线在转掰速度处都是压力损失的最小点。 如果把每个压力损失最小点联系起来纛，黻上洼线是非常熏瑟的。特别 是可以发现当混合比越来越商时，相图随线会向右上方移动，而转折速度增加。 这对于系统的设计者来说是至芙重要的。这表明在进行系统设计时应将系统置 于一定的加料速率下运行，如果加料速率要增加，就必须增加物料的输送速度， 因此气体流速氇必须增加以保证稳定的输送。 2 垂直输送与水平输送 v l 0 v 躜1 。6 水平输送相墨 f i gt 一6s t a t ed i a g r a mf o rh o r i z o n t a lc o n v e y i n g 气力输送系统中褥辩流动机理及实验研究 气力输送1 、。个重要的不利因索就是在垂直管道中的流动与在水平管道中的 输送完全不同。根据转折速度的定义，可以定义在垂商管道中的最小输邀速度， 即噎塞速度。转折速凄f 农平管道与噎塞速度( 垂套管道) 有明显的不同。在表 1 2 中列出了凡耱物粒的转季厅速度翔噎塞速度。歇裹申霹以看出隶乎管道的气毒搴 转折速度要院垂直管道所要求的囔塞速度大的多。对于流动性好的颗粒，水平 管道的输送速度比垂直管道大3 至5 倍。应该注意到对于粗糙的颗粒水平输送 速度与垂真输送速度之间的差异变小。 表1 2 不同堆密度和颗粒尺寸的物料在水平管道与垂直管道串气体的转折速度和噎塞速 度 物料堆积密度 秘径尺寸( m m )噎塞遽庋转折遮魔 ( k g m ) ( m s ) ( m s ) 澎润土9 0 07 51 5 7 6 水泥 1 4 9 01 57 6 砚9 3 01 0 61 57 ，6 盐1 3 6 01 5 03 。0 9 1 苏打蕊 5 6 01 0 63 o9 1 面耪5 6 0 5 0 l54 6 夺受 7 5 3s9 o o1 2 ，o o 粉煤敷 7 2 01 31 2 o o1 5 o o 熏晶石 1 7 5 06 34 6 7 6 菱镁矿1 6 0 07 5 3 ，03 0 1 。4 气力输送系统的动力学特征 1 4 1 系统的输送速度 气体的输送速度对气力输送黥效率有很大的影响。在实际应霸中，鬻用转 辑速度琴【：l 漆器这发寒捅述输送管道中气流速度和物糕颓稼的运动关系。冁赛速 度指物料能被气流带走而不沉降的最小速度。在一般情况下，低予l 骱界速鹰下 工作的输送系统称为密相输送。继续低于临界速度，悬浮物料开始沉降并停留 在管道底部。气体速度的进一步降低会导致物料快速的沉积以及压力损失的快 1 4 青岛科技大学硬士学位论文 速增加。有时临界速度可以作为输送系统的安余因子。转折速度是描物料不会 在管道内发生堵塞的最小速度。它是气体和物料的密度、物料颗粒尺寸和管道 直径的函数，通过对大量实际流场的测量，可建立相应豹经验关系溺数式。 w y p y c h 对经验关系式傲了大爨的磺究，撂巍的结论是增大管道尺寸需要缵大输 送的气流速度。 一般来说，输送存在一个最优气流速度，即最小气流速度。这是由于当气 流速度过商时，虽然可以保证输送的正常进行，但是也会出现负面影h 向：过高 的输送速度会加剧输送管道和弯管的磨损，同时也会使物料的破碎率增加。而 输送速度太低，劐会馒物料大爨沉积在管道底部，容易造成珐管。戮此最饶气 流速度是搬气力输送系统其有墩经济的工作性能和较高的输送效率时，空气在 管道中的最小运动速度。 1 4 2 系统的压力损失 管道愿降跫气力输送设计中躲重要参数。气力输送系统设计主要参数龟括： 管径、气流速度、输送压降、混合眈等，其中大部分参数都由气力输送系统中 管道的压降盥接或问接确定。一般计算输送系统压损的方法有压降比法、经验 公式法、附加压降法和力平衡法等等。 压降扰法是g a s t e r s t a d t “9 】予1 9 2 4 年提出的最早计算压降的一种方法。 饱定义压潞魄为气匿两相混会铹流缀管道敢憨压降写缝气流以鞠黼豹速度漉经 同一管遂时产生的压降之魄，瀵过实验可殴直接确定输送特征筐与总压降的关 系。v o g t 和w h i t 8 a o 对较商混合比输送压降的情形进行了研究，但所得到的经 验关联式不能直接用于设计计算。目前仅采用压降比法计算低混合比和短距离 的物料输送以及非粒状物料的输送。 鱼】9 2 4 年g r a m p 和p r i e s t l y 。8 提出计算稀楣攀壹管输送压醛的经验公式 以来，经验公式对高混合磁输送压降鲍研究一轰起蓿重要的作用。这秭方法通 过一系列的实验得到经验公式，然后用经验公式来计算一些具体输送管道的压 降。由于实验点一般比较分散，使得用该方法训辫所得的压降精度不离。尽管 如此，该方法围英计算简单、操作方便丽得到广泛的应用。 酣女n 愿降法是目前设谤气力输送装置时常羽的静管道噩熙计算法。 b a r lh ”。认为气固两楣流动产生的总压降由一些具有一定物理意义的各种压降 组成。该方法采用分解组合的方式，将4 i 围两棚流通过管道时有_ j 能产生压降 的因素分丌进行考虑，最后再综合得到总体压降。 气力输送系统中箍精流动祝理及实验磷究 为避免主观因素对压降的影响，部分学者从分析输送机理出发，根据气国 两相流动的力平衡方程求解压降。与前述三种方法相比，这种方法具有明确的 物理意义和理论基础，其计算缩果静精度较高，但计髯复杂。 1 5 稀相输送与密相输送 一般通过管道中物料颗粒的浓度将气力输送分为稀相输送和密相输送。一 般说来，两零申输送方式是以料气混合比( 声) 来划分的。料气混合比是指被输送 的固体臻量流璧( g ) 与输送气体的质量流量( q ) l k 德。料气混合比小予1 5 的为 稀相气力输送，料气混合比大于1 5 的输送系统为密相输送。 1 。5 。1 稀相输送 稀檩输送需要较大的气量以及较嵩豹气速。气流通过作用在单个颗粒上的 浮力和拖曳力使物料分散的向前输送。稀相输送曾是气力输送系统中应用最为 广泛的输送方式。图1 7 表示了水平管中的稀相输送。 1 5 。2 密相输送 困l 一7 水平管中的稀相输送 密相输送的定义方法有很多。除按料气混合比盼大小来定义外，c a n n i n g 和t h o m p s o n 3 3 1 认为在气力输送中颗粒的输送速度低于临界速度的输送即为密 相输送。另有学者用输送相图定义密相输送，以棚阁上的临界速度为界，l 临界 1 6 毒岛科技大学琢十学位论文 速度线左边的区域为密相输邀区。对于密相输送来说，输送颗粒的性质对输送 的影响比稀相输送要大。由于密相输送的输送速度较低，凶此物料的磨损和破 碎率都比较低。但是有实验袭明，虽然密相输送可以最大限度的降低物料的输 送速度，但楚输送距离会受到凝翻。对于密稳输送的实验研究一般都集中在水 平管输送上，徨w c i n s t e i n 盘曾对垂直管密相输送做过研究。进行蠢蠢管密相输 送时，阻寨和鼓泡现象较为明恩。图l - 8 为水平管和垂直管密相输送图。圈l 一9 表示了水平管和垂直管中的梭流密相输送。 烹t 誓魔u 窒气壕麒 图1 8 水平营争垂直管的输避图 f i gl - 8t h ec o n v e y i n gp i c t u r eo f h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp i p e 圈1