（机械设计及理论专业论文）人工植被生产线中气力输送系统的国产化设计与研究.pdf

机械科学研究院硕士学位论文 人工植被生产线中气力输送系统的国产化设计与研究 摘要 本课题来源于国债项目“人工植被生产技术与没备的国产化”。目前国内人工植 被生产线的国产化研究工作还在起步阶段，而气力输送系统是人工植被生产线中的关 键了系统之一，它的国产化好坏直接影响到产品的质量和国产化的效果。本文在完全 消化吸收国外进口设备的基础上，查阅了大量的文献资料，首次对人：1 ：植被生产线的 气力输送系统进行了国产化的设计与研究。论文共阐述了以下几个问题： 1 、分析了气力输送的悬浮机理、麦秸稻草类物料的性质和麦秸稻草类物料气力 输送设计参数的选取，建立了麦秸稻草类物料的压损计算模型，为气力输送系统的国 产化设计与研究提供了理论基础； 2 、详细分析了原气力输送系统中的各个部件和结构，对原气力输送系统进行了 设计分析，实现了用国产风机替换进口风机的选型问题，节约了成本，减少了能量的 消耗； 3 、通过分析原气力输送的传动系统，指出了在国产化设计过程中存在的问题， 对原气力输送的传动系统进行了改进，同时按照国内螺旋输送机的成熟经验和设计标 准对螺旋供料供料机构进行了重新设计，解决了原气力输送传动系统存在的缺陷，使 之更符合中国的国情，更好的满足了国产化的要求，提高了产品的竞争力； 4 、在对气力输送系统进行国产化设计的时候，必须考虑到管道堵塞的问题，因 此本文最后管道堵塞产生的机理、原因以及弯管中物料的运动状态进行了详细的研 究，建立了弯管中物料的运动模型，分析了弯管的弯曲半径、弯曲角和管道堵塞的关 系，提出了在国产化设计的时候如何防止堵塞产生的措施。 关键词：人工植被生产线气力输送系统螺旋供料机构国产化 机械科学研究院硕士学位论文 d o m e s t i cd e s i g na n ds t u d yo np n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m o fe r o si o nc o n t r o lb l a n k e t a b s t r a c t t h i ss u b j e c tb e l o n g st ot h en a t i o n a ld e b ti t e mo f “e r o s i o nc o n t r o lb l a n k e t p r o d u c tt e c h n o l o g ya n d d o m e s t i cp r o d u c t i o no fe q u i p m e n t ”i nc h i n a ，t h e s t u d i e so nt h ed o m e s t i cp r o d u c t i o no fe r o s i o nc o n t r o lb l a n k e tp r o d u c t i o nl i n e a r eu n d e r w a y t h ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e mi s o n eo ft h ek e ys u b s y s t e m s ， w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c ep r o d u c tq u a l i t ya n dd o m e s t i cp r o d u c t i o ne f f e c t b a s e d o nt h ea n a l y s i so fi m p o r te q u i p m e n t s ，a n dl o o k i n gu pm a n yr e f e r e n c e s ，t h i s p a p e rf i r s t l yp r o v i d e s t h ed o m e s t i c p r o d u c t i o nd e s i g n a n ds t u d yo nt h e p n e u m a t i cc o n v e y i n g o fe r o s i o nc o n t r o lb l a n k e tp r o d u c t i o n1 i n e t h em a i n c o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n gw a y s ： l 、t h eb a s i cp r i n c i p l eo fp n e u m a t i cc o n v e y i n g ，t h eq u a l i t i e so fs o m ek i n d o fm a t e r i a l sl i k es t r a w ，a n dt h ee h o i c eo fd e s i g n i n gp a r a m e t e r so fp n e u m a t i c c o n v e y i n ga r ei n t r o d u c e d t h ep r e s s u r el o s sm o d e l i ss e t u p 2 、e v e r ye q u i p m e n ta n d s t r u c t u r eo fp n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d i nd e t a i l t h es e l e c t i o no fd o m e s t jcb l o w e ri ss o l v e d t h ec o s ta n de n e r g y c o n s u m p t io na r ed e c r e a s e d 3 、t h r o u g h t h er e s e a r c ho n p n e u m a t i c c o n v e y i n gs y s t e m ，t h ei m p r o v i n g m e a s u r e sa r ep r o v i d e da n d t h ec o n v e y i n gw o r mi sr e d e s i g n e d 4 、t h er e a s o n so fp i p e l i n eb l o c k i n ga r ea n a l y z e d t h em o v e m e n ts t a t eo f t h i sk in do fm a t e r i a 1 i k es t r a wint h es y p h o ni sr e s e a r c h e d k e yw o r d s ：e r o s i o nc o n t r o lb l a n k e t ，p r o d u c t1 i n e ，p n e u m a t i cc o n v e y jn g c o n v e y i n gw o r m ，d o m e s t i cp r o d u c t i o n 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究1 ：作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭越抖堂硒究医或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在沦文中作了明确的说明并表示i 身f 意。 学位论文作者签名：1 纲伟! ；7 复签字同期：) 护一净月 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼型堂班宜暄有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权扭撼抖堂盟窒暄可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：钥绎火 签字h 期：叩。手年f 月g 日 导师签名 校埔 签字日期：加v 年6 月2 占日 机械科学研究院硕士学位论文 物料的比重( k g m 3 ) ； v 。物料的悬浮速度( m s ) 速度系数： 符号清单 g 重力加速度，取g = 9 8 1 ( m s 2 1 ； 彭物料的阻力系数： g 设计的输料量( k g h ) ； g 汤均工艺过程需要的输料量( k g b ) ； “储备系数； v 输送气流速度( m s ) ： g 物单位时间内通过输送管道截面的物料质量( k g h ) ； g 气单位时间内通过输送管道截面的空气质量( k g h ) ： q q 单位时间内通过输送管道截面的空气体积流量( m3 h ) p q 空气的密度( k g m 3 ) ； 尼综合阻力系数： 占压降比； v * 气流速度( m s ) ； ”物物料的运送速度( n d s ) ； ，q 空气比重，1 2 k g m 3 ； g 重力加速度，9 8 m s 2 ： 料气输送比； 丑摩擦阻力系数； 机械科学研究院硕+ 学位论文 女综合阻力系数； 管道垂直段长度( m ) 各种局部阻力系数 s 蝶旋的螺距： d 螺旋叶片直径( r n ) ； d 螺旋轴直径( m ) ； ，螺旋面动摩擦系数； p 摩擦角； q 物料的输送量( t h ) ； 畅水平输送时物料的充填系数； k ：表示物料综合特性的经验系数； j 倾斜向上输送时输送量的校正系数，其值与螺旋供料机构的轴线和水平而的 夹角有关； ”，螺旋轴的最大许可转速； e 物料特性系数； o 螺旋轴所需之功率( k w ) ； 瞩被输送物料在料槽内运动阻力系数； 玎修正系数； 螺旋轴所需之功率( k w ) ： 机械科学研究院硕士学位论文 第一章前言 本章主要介绍了人工植被技术及其生产线的文献综述、国内外的发展现状，以及 本课题的来源意义和论文的主要研究内容。 1 1 人工植被及生产技术综述 1 1 1 人工植被及其生产技术简介 人丁植被是为改善土地荒漠化、防治水土流失、沙质土绿化、保护河堤路基而发 展起来的新技术。人工植被采用废弃的天然纤维，如秸秆、稻草、椰壳、各种麻类等， 加入适量的有机质，制备成既能提供种草基质又能保护土壤结构的绿色垫毯。根据实 际要求和环境条件，选择不同结构的垫毯，利用绿色垫毯防风、固土、保湿、提供腐 殖质的功能，形成可供绿化的人工环境，最终形成人工植被。它可以用于风景区和城 市街道绿化，陡峭山坡如矿山、煤山、桥端三角地、水池、河岸等地恢复性覆盖和加 崮，高速公路和铁路的两侧、消音墙、高尔夫球场、水坝、屋顶绿化等的建设，防涝 排涝及盐碱地、沙地、荒地。绿色垫毯由于组成不同，分解的时间不同，像秸秆、稻 草类，l 2 年可分解成腐殖质，而椰壳纤维则需3 5 年才能分解成腐殖质。该项技 术可为彳i 易绿化的土质创造绿化条件，为水土保持提供新的方法，同时充分利用秸秆、 稻草、椰壳等废弃物，减少田问地头焚烧秸秆带来的严重污染。 人工植被生产线主要用于生产人工植被，也可用于生产纤维垫层。德国m s t 公司 通常采用的人工植被生产工艺技术路线如图卜1 所示“1 ： 挂胶系统卜_ 斗麦杆布料机卜_ 斗营养土布料机卜斗肥料布料机卜斗种子布料机 堕曼全勇坦茎整! 多叫堂塑型9 叫塑型! 型叫塑堡! 型叫型望垫! l壁型三!i 图卜l 德国e m a 3 0 0 0 人工植被生产工艺技术路线简图 输送l 系统l i 铺设机 b 机械科学研究院硕士学f 7 = 论文 1 原料准备工序：原料从原料地收购打捆送入原料仓库，再由输送带经过松散 机松散之后，进入原料处理工序。 2 原料处理：f 序：根据草挚是否需要带种子，原料处理工序可分为两个不同的 工艺路线：不带种子草挚的生产：秸秆、稻草、麻类等原料经过气力输送系统进入 铺设机，经过压榨、梳整、摊匀、铺平后进入成型工序；带种子草垫的生产：带种 子草垫的生产除了包含不带种子草垫的整个生产线外，还要经过挂胶系统挂胶，麦杆 布料机撒下一层碎麦料，营养土布料机，肥料布料机布下草种生长所需要的有机基质， 种子布料机撒播种子，最后和经过铺设机的铺好的草垫一起进入成型工序。 3 成型工序：经过原料处理工序摊匀铺平的草垫卷边后进入编织机进行编织， 再经过切割机经横向、纵向切割后进入卷捆机，卷绕包装后完成整个成品生产。通过 控制原材料，肥料和种子不同的下料速度组成不同配比的草垫。 1 1 2 人工植被技术的国内外发展现状 人工植被技术从7 0 年代开始出现，到目前已成为治理水土流失、防止荒漠化、 保护河堤路基和无土绿化的主流技术之一。在美国、加拿大、日本和欧洲各国广泛采 用，用于沙质土、山坡、河堤路基的固土、保湿、绿化，以及废矿坑井恢复植被和无 土绿化。设在美国、德国的b o n t e r r a 公司生产的绿色热毯，已大量销往世界各地。 芬兰的j u h as a r v i a h o 公司生产的绿色垫毯被称为“m a g i cc a r p e t ”即神奇的毯子， 在欧洲市场销量极好。德国m s t 机械制造公司是目前世界上最大的天然环保人工植被 及其设备制造公司，已有2 0 多年的研究历史。该公司生产的人工植被生产设备品种 繁多，能够满足用户的不同要求，现已遍及欧洲、美洲、非洲、澳洲及日本等世界各 地。1 。目前我国人工植被技术及其生产线的研究开发尚属空白，仍需采用进口设备。 1 2 课题的来源意义和研究内容 1 2 1 课题的来源 2 0 0 1 年，机械科学研究院承担了国家计委国债项目“人工植被生产技术与设备 的国产化”，从德国引进了一条年产9 0 0 万平方米的人工植被生产线，通过消化吸收， 形成了国产化人工植被成套生产技术，开始向国内用户提供人工植被生产工艺和设 备。本课题是国债项目“人工植被生产技术与设备的国产化”中的一部分，主要是以 麦秸稻草等物料的气力输送系统为研究对象。 机械科学研究院硕士学位论文 1 2 2 选题的意义 我国荒漠化土地已占国土总面积的三分之一，并且每年以2 4 6 0 平方千米的速度 扩展，水土流失面积已达3 6 7 万平方千米，约四分之一的草原严重退化、沙化、碱化。 水土流失和荒漠化一直是破坏生态环境的严重问题之一，已经影响到我国的可持续发 展。 由于风沙的危害，造成的经济损失也是惊人的。据专家测算，近几年来，中国每 年因风沙危害造成的直接经济损失达5 4 0 亿元。另外，中国是世界上水土流失最严重 的国家之一，每年从长江、黄河流走的土壤达2 0 多亿吨。 上述表明，今后相当长的一个时期内，我国治理水土流失、防止土地荒漠化的工 作是十分艰巨的。绿色垫毯的生产无疑为大规模荒漠治理提供了一个有力的手段。如 果按全国需治理荒漠面积的5 采用绿色垫毯计算，每年绿色垫毯的需要量为2 5 0 0 平 方千米，需绿色垫毯生产线3 0 0 套，市场非常巨大。这不仅为环保产业增加新的设备 领域，加大防治荒漠化、水土保持和固堤护基的技术含量，提高绿化的成效性和显示 度，促进生态保护产业化；同时为合理利用秸秆、稻草、椰壳等废弃物提供新途径， 减少每年因大量焚烧秸秆、稻草带来的环境污染，变废为宝，为农民增加收入渠道 3 。 因此通过引进国外人工植被生产线，消化吸收形成国产化技术，建立绿色垫毯设备生 产基地，也将会变的越来越重要。 1 2 3 论文的主要内容 在人工植被生产线中，气力输送系统是其中的关键予系统之一。气力输送系统输 送物料的好坏直接影响到垫毯的质量和美观；另外，如果气力输送系统设计不合理会 造成管道堵塞和系统运行的不稳定。因此对气力输送系统的国产化设计与研究是人工 植被生产线国产化中重要的一个方面。 然而目前国内人工植被技术及其生产线的研究开发尚属空白，而引进的生产线j + 家所提供的技术资料很少，因此大大增加了国产化设计的难度。如果只是对引进的生 产线进行测绘、猜测和仿造而不了解它的工作原理与设计思想，仅仅认为把进口生产 线中的零部件换成国产的零部件就是国产化，这将会导致国产化的水平很低，国产化 后的生产线将不能够实现标准化和以后的系列化，达不到世界同类设备的水平。因此 本文在完全消化吸收国外进口设备的基础上，查阅了大量的文献资料，首次对人工植 被生产线的气力输送系统进行了国产化的设计与研究。 机械科学研究院硕士学位论文 本论文共分六部分： ( 一) 前言 本章主要介绍了人工植被技术及其生产线的文献综述、国内外的发展现状，以及 本课题的来源意义和沦文的主要研究内容。 ( ) 气力输送的基本原理与设计参数 本章主要分析了气力输送的悬浮机理、麦秸稻草类物料的性质和麦秸稻草类物料 气力输送设计参数的选取，建立了麦秸稻草类物料的压损计算模型，为气力输送系统 的国产化设计与研究提供了理论基础。 ( 三) e m a 3 0 0 0 气力输送系统的分析 在进行国产化的设计与研究过程中，对原有气力输送系统的消化、吸收以及摸透 原设计意图是一个非常重要的环节。本章详细分析了原气力输送系统中的各个部件和 结构，对原气力输送系统进行了设计分析，实现了用国产风机替换进口风机的选型问 题，节约了成本，减少了能量的消耗。 ( 四) e m a 3 0 0 0 气力输送系统的改进研究 本章通过分析原气力输送的传动系统，指出了在国产化设计过程中存在的问题， 对原气力输送的传动系统进行了改进，同时按照国内螺旋输送机的成熟经验对螺旋供 料供料机构进行了重新设计，解决了原气力输送传动系统存在的缺陷，使之更符合中 国的国情，更好的满足了国产化的要求，提高了产品的竞争力。 ( 五) 管道堵塞和磨损的分析与防止措施 在对气力输送系统进行国产化设计的时候，必须考虑到管道堵塞的问题，因此本 文最后对管道堵塞产生的机理、原因以及弯管中物料的运动状态进行了详细的研究， 建立了弯管中物料的运动模型，分析了弯管的弯曲半径、弯曲角和管道堵塞的关系， 提出了在国产化设计的时候如何防止堵塞产生的措施。 ( 六) 结论 4 机械科学研究院硕十学位论文 第二章气力输送的基本原理与设计参数 为了对气力输送装置进行合理的设计，首先必须了解气固两相流的输送原理。例如 f 确的确定装置所需的风量和压力，这关系到所选风机的容量、关系到整台装置能否 正常工作以及性能的优劣，而对于稀柏悬浮气力输送，只有当装置中具有一定流量和 压力的气体介质提供足够的能量时，才能使物料不致从双相流中沉降和积聚，因此， 本章主要分析了气力输送的悬浮机理、麦秸稻草类物料的性质和麦秸稻草类物料气力 输送设计参数的选取，建立了麦秸稻草类物料的压损计算模型，为气力输送系统的国 产化设计与研究提供了理沦基础。 2 1 气力输送综述 2 1 1 气力输送简介 气力输送是指借助于空气或者其它气体在管道内的流动来输送干燥的固体物料 的输送方法。管子两端压力差推动的气体流动直接给管内物料提供了移动所需的能 量。气力输送使用的工作介质多为空气，对输送的物料及环境均不会造成污染。被输 送的物料封闭在管路中，既不会造成物料的散失和损耗，也避免了由此而引起的对工 作环境所造成的污染。气力输送还具有输送速度快、工作可靠、自动化程度较高等优 点。 气力输送目前在轻工、纺织、化工、医药、烟草、食品、矿山、冶金、机械等行 业和部门均得到了广泛的应用“。3 ，例如小麦、大豆、面粉、食盐、成件物品、烟叶、 棉花、羊毛、水泥、煤炭、型砂、木材等多种物料的输送“”“。在人工植被生产线中， 气力输送主要是对麦秸、稻草和玉米秆等原料进行输送。麦秸稻草类物料在输送管中 的运动是一个很复杂的动力学过程，由于输送管中的气流主要呈紊流状态向前运动， 冈而也使得麦秸稻草类物料的运动呈不规则的状态。 2 1 2 气力输送的发展历史 气力输送是从1 9 世纪发展起来的，它的具体应用始于成件货物的筒式气力输送 装置”“。数l o 年后气力输送才被正式用来卸送谷物、棉花和砂等散料，于是出现了 第一台浮式气力卸船装置以及固定式吸粮设备。此后，限于当时的工艺和技术水平， 气力输送技术在较长的一段时问内几乎没有多大发展，装置均是基于悬浮稀相气力输 送原理设计的”“。直到本世纪初才将其应用范围扩展到车间内部的散料运输中。就稀 机械科学研究院硕士学位论文 相悬浮气力输送来说，其输送模型、流动状态分析、压力损失计算、组成系统的各主 要部件结构以及操作使用管理，均已有一定的研究深度和经验的积累。近年来，f 灶界 各国围绕稀相悬浮气力输送技术上所作的努力集中在节能、提高输送效率、探讨装置 的合理、优化设计；防磨减磨措施、减少破碎、提高输送质量；设计结构紧凑、灵巧 轻便的装置以提高装置的性能和展拓其使用的范围等方面。气力输送的研究大体分为 两个方向：( 1 ) 对已有的气力输送装置进行输送过程的机理性研究，力求为设计和使 用提供理论指导和实践依据。( 2 ) 在总结已有的输送技术基础上和在某种粗浅理论的 启发下研制新型节能气力输送装置。 2 1 3 气力输送的分类 。i 力输送的分类标准很多，本文主要从工程上常用的几种方法对其进行分类，如 下表2 1 。 表2 - 1 气力输送分类。” 划分依据类型 料气比值稀相 2 5 气流方式吸送( 负压) ；压送( 正压) 气源压力真空一0 0 5 0 ；低压o o 0 5 ( m p a ) 中压0 0 5 o 1 ；高压0 1 o 7 作用机理动压( 速度能) ；静压( 压力能) 流动状态悬浮流；集团流；栓流 对于麦秸稻草这类纤维物料来说，常采用稀相动压悬浮气力输送，因为稀相气力 输送的气流速度较高，物料悬浮在铅垂管中呈均匀分布，在水平管中呈飞翔状态，空 隙率大，物料的输送主要依靠由较高速度的空气所形成的动能，因此可以减少管道的 堵塞。 2 2 物料的性质 在气固两相流中，固体物料的性质、机理和阻力等对输送系统都有很大影响，对 物料性质的分析是气力输送系统设计的基础，它关系到系统的节能及其它输送性能。 与气力输送相关的物料性质主要有：物料的物理性质、静力学性质和动力学性质。 6 机械科学研究院硕士学位论文 2 2 1 物料的物理性质 物料的物理性质指的是物料的密度、几何形状和湿度。麦秸稻草具有密度低、形 状不规则、含水率低且物料尺、j 范围广的特点。 物料的密度即单位体积的质量，是确定气力输送工艺参数的重要依据。物料的密 度越大，用于输送的能耗就大。麦秸稻草等物料的气力输送机理与粉状和粒状物料不 同，这类物料在输送过程中一般成群团形状，物料之间及其群团内部含有空气，我们 可把它们看作为一种松散状的粘弹性物质”。因此，在设计计算时，我们不能采用物 料的实际密度，而常用的是物料的散堆堆积密度。人工植被生产线中常用的几种原料 的散堆密度如表2 - 2 所示”。从表中可以看出这类物料的密度都很小，因此对于麦秸 稻草这类物料来说很容易实现气力输送。 表2 - 2 草类原料散堆堆积密度 原料种类原料散堆堆积密度( k g m 3 ) 风干) 稻草5 5 6 5 麦草 6 5 7 5 高粱秆6 0 6 5 玉米秆6 0 6 5 物料的几何形状对它的悬浮速度有较大影响。经过松散机打断松散后的麦秸稻草 的长度大部分为8 5 r a m ( 因为松散机的刀距为8 5 r a m ) ，但是也夹杂着其它不同长度的纤 维，麦秸稻草的形状既有纤维状、扁平状，又有片状，形状很不规则。 麦秸稻草的含水率一般小于2 0 ，如果湿度过高，将破坏物料的松散程度，造成 物料卷绕成团，从而会使物料不均匀，能量消耗增长和生产率降低，甚至造成整个系 统的堵塞。 2 2 2 物料的静力学性质 物料的静力学性质指的是物料的摩擦系数和磨琢性。物料输送时，一般在物料群 团间、物料与输送管道的壁面间、群团与空气间均存在着相互作用。对于麦秸稻草类 物料的气力输送来说，由于它们在输送时，处于悬浮状态，因此物料与物料之间的相 互作用可以忽略不计。但是物料与螺旋供料机构、输送管道之间都存在着摩擦作用， 这部分压力损失都要消耗一部分的能量，因此在进行国产化设计时必须考虑进去。麦 草茎杆对钢料的摩擦系数见表2 3 “。摩擦力的存在会引起螺旋供料机构中螺旋叶片 机械科学研究院硕士学何论文 的磨损和输送管道的磨损和堵塞，这在以后的章节会详细介绍。麦秸稻草等原料的磨 琢程度及流动性随原料尺寸、产地、湿度以及备料净化的方式及效果等多种因素的不 同而改变，但总的况来，它们是属于无磨琢性或轻度磨琢性，但流动性较差的物料。 表2 - 3 麦草茎杆对钢料的摩擦系数 材料类型干物质含量相对运动材料动摩擦系数 约9 0 钢约0 2 2 麦草茎杆 约8 0 钢约0 2 9 2 2 3 物料的动力学性质 物料的动力学性质指的是物料的悬浮速度和流动性，它们代表着物料输送难易的 程度。因而，在稀相气力输送中，不管是粉料、粒料、纤维状或叶片状物料，均以悬 浮速度作为主要的物性。麦秸稻草类物料具有悬浮速度较小，流动性较差的特点。 所谓悬浮速度是这样规定的。：粒子从静止状态丌始，在流体中自由下落，最终 达到均匀等速的沉降，这一i 临界速度称为粒子的沉降速度。悬浮速度在数值上与它相 等。设直径为d 的球形粒子，在铅垂流场中自由下落。粒子受到的作用力有：重力w ：， 粒子在流体中的浮力w 。和流体阻力f 。，当该物料在直立管中成为悬浮状态时，必须满 足以下要求： w 。一w 。= f 。 又知：w 。_ w a = 等( 弧) f 。：k x _ a2 鱼v 2 4 2 9 5 式中 物料的重度( n m 3 ) ； y 。空气的比重( n m 3 ) ； v ，物料的悬浮速度( m s ) ； g 重力加速度，取g = 9 8 1 ( m s 2 ) ； 髟物料的阻力系数。 由上述一些关系式可得悬浮速度v 为： 机械科学研究院硕士学位论文 f 丝! 氇二丛! 3 k7 c t ( 2 1 ) 上述悬浮速度的理论计算，是以单个球形颗粒在无限大的流场中的运动作为模 型。实际上，气力输送管内物料的悬浮情况常常受颗粒的形状、流场的大小和颗粒问 的空隙等因素的影响，因而在工程实际应用计算上，常采用实验的方法来测出物料的 悬浮速度，经实验测定，麦秸稻草类物料的悬浮速度见表2 4 【3 9 】。人工植被生产线中， ) j h t 后的麦秸稻草的尺寸一般小于1 0 0 m m ，因此它们的悬浮速度为5 o 6 0m s 。 表24 麦秸稻草类物料悬浮速度表 类别物料的悬浮速度v 。( m s ) 茎秆 1 0 0 m m5 o 6 0 茎秆1 0 0 1 5 0 m m6 o 8 o 茎秆1 5 0 2 0 0 m m8 0 1 0 o 茎秆2 0 0 3 0 0 m m 1 0 o 1 3 5 茎秆3 0 0 4 0 0 m m1 3 5 1 6 0 茎秆4 0 0 5 0 0 m m1 6 0 1 8 o 2 3 气固两相流的悬浮运动理论 对于麦秸稻草这类纤维物料来说，常采用稀相动压悬浮气力输送，悬浮气力输送 具有以下特点：物料较均匀地分布在管道中，并均匀地同整个管壁相接触，它与管壁 的摩擦系数，可用类似于流体的沿程阻力系数来表示。对悬浮气力输送而言，很难确 切地从量的方面研究每根纤维在管道中的运动规律，而且在工程上研究每根纤维的运 动规律也是没有多大的意义。因此常常把两相流看作一种以流体流动为主的运动加上 物料的移动，即把固体物料也当作一种特殊流体来看待，研究其运动状态。这种特殊 流体服从于纯流体运动的一些规律，这是当前研究气力输送管道均匀悬浮两相流的一 种较普遍的方法。 2 3 1 物料的悬浮机理 由于输送管内的气流速度，随其径向位置而变化，因而处于不同位置上的物料所 受气流作用力也各不相同。物料形状不对称，气流在物料上的作用力也会因不对称而 造成物料的旋转；由于物料间的摩擦，使有的物料减速，有的物料加速，所以物料的 运动极不规则。但无论在水平直管中，还是在铅垂直管中的输送，都必须首先使物料 机械科学研究院硕士学位论文 悬浮。 在垂直输送管道中运动的物料，同时受到熏力、气体静浮力和气流作用力这三个 力的共同作用，其中气体静浮力的量值很小，可将其忽略不计。在垂直输送管中，为 了保证一e 流对物料的作用力大于物料所受的重力，气流的速度必须大于物料的悬浮速 度。当气流速度大于物料的悬浮速度时，物料即向上运动，与此同时，由于在紊流气 流中，有与流向相垂直的分量存在，管内的气流速度又具有速度梯度，物料在离管壁 的不同距离处，受到的推力也不同，并且物料的形状1 般是不对称的，致使物料受到 不均匀的推力作用而产生旋转，还由于物料相互之问或与管壁碰撞引起的自转运动， 所以物料旱不规则的曲线上升运动状态。但是从宏观看，在垂直输送管中，物料在管 道内的分布基本是均匀的。 由于在气力输送的情况下，物料运动的方向总是和气流的流动方向一致，对于物 料在垂直管路之中下落的情况，物料所受的重力方向是铅垂向下的，气流的流动方向 也是垂直向下的，保证物料向下运动的条件是自然得到满足的，因而对气流速度等工 作条件要求较低。 在水平管道内，物料重力方向与气流方向垂直，空气动力对物料的悬浮不起直接 作用，但实际上物料仍能被悬浮输送，这是由于物料除受到水平推力外，还受到下述 几种作用力o ”的作用，它们具有对抗重力的作用。 1 紊流气流垂直方向分速度产生的力； 2 在管底的物料，由于上下压力差，亦即由于管底与物料上部的气流速度差而 引起的静压差所产生的作用力； 3 物料周围的环流与管内气流共同作用引起的外力。贴近管底的物料在气流推 动下向前滚动，形成环流。在物料的上部，环流与管内气流流向相同，叠加后流速减 小。物料上下形成气流速度差从而引起静压差产生向上的作用力； 4 物料形状不规则，产生的推力在垂直方向的分力： 5 由于物料相互间或与管壁碰撞受到反作用力，该反作用力在垂直方向的分力 导致物料的跳跃。 在上述各力的作用下，物料在水平管道中呈悬浮并随气流而运动。 2 3 2 物料在水平管道中的运动状态 在水平输料管中，物料在管内的分布和运动状态，受气流速度的影响，其变化十 机械科学研究院硕士学位论文 分显著。一般来说，输送气流速度越大，物料越接近于均匀分布，气流速度逐渐减小 时，靠近管底处，物料分布越密，当4 流速度小于某一值时，部分物料在管底，被 推着向前运动，气流速度再进一步减小时，则管底物料层作不稳定的移动，最后停顿， 产生堵寨。 将水平输料管中气流速度与物料的运动状态的关系分类，可以分为以下几种”： 1 悬浮流：当输送气流速度较大时，物料基本上接近于均匀分布状态，物料在气 流中呈悬浮状态输送。 2 底密流：当气流速度减小时，越接近管底，物料分布越密，但没有出现停滞。 物料一面作不规则的旋转、碰撞，一面被输送。 3 疏密流：当气流速度进一步减小时，物料在水平管中呈疏密不均的流动状态， 这是物料悬浮输送的极限状态，也有一部分物料在管底滑动，但还没有停顿。 4 停滞流：当气流速度小于某一数值时，大部分物料失去悬浮能力而停滞在管 底，局部区段因物料积聚而使管内断面变小，气流速度在该区段增大，此时又将停滞 的物料吹走，物料就这样停滞、积聚、吹走互相交替，形成不稳定的输送状态。 5 部分流：当气流速度过小时可见到部分流。物料堆积在管底，气流在上部流 动。堆积的物料表面，有部分物料在气流作用下作不规则的移动。并且堆积层也随着 时间，作沙丘移动似的流动。当部分气流也不能实现时，管道即被堵塞。 以上五种运动状态主要是依靠气流的动压、悬浮推动的。对于麦秸稻草等原料来 说，当物料在水平管内呈悬浮状态时，输送效果更理想。 2 3 3 物料管断面上的气流速度与浓度分布 纯空气在管道中流动时，管流呈层流和紊流两种流型。无论层流或是紊流，气流 速度分布和浓度分布在管中心出现最大值，且沿管中心线成对称分布。 当物料进入水平管道后，。方面因受到气流的曳引作用而向前加速运动，另一 方面又受到旋转升力，物料间及与管壁问摩擦作用力和重力等力的共同作用使得物料 的运动非常复杂。在水平管输送过程中，因受重力的影响，物料的速度分布呈很强的 不对称性，一般说来管下部速度较低，管上部速度较高一些，而浓度分布却相反，如 图2 - 1 所示。 产生这一现象的原因主要是：物料在被输送时，由于受到重力的影响，越接近 管底分布越密。因而空气受到的阻力越大，速度越小。同时，由于越靠近管底处，气 机械科学研究院硕士学位论文 致造成物料的停滞。 图2 1 水平管中物料速度和浓度分布 垂直管道内物料的速度和浓 度分布与水平管道的情况有很大区别。在气固两相流的垂直上升流动中，物料浓度分 布是以管道轴线为对称的。管壁附近气体因和管壁摩擦而速度较低，所以物料运动较 慢，在加上物料与管壁面的摩擦作用以及气流湍流脉动在边界层的逐渐小时，因而形 成管中心物料浓度较低，管壁浓度增高的情况，如图2 2 所示。 垂直管中物料速度和浓度分布还与是向上还是向下输送有关，垂直向上输送研究 的比较多，而向下输送研究的较小。已有的 研究结果表明，向下输送物料分布更均匀， 更接近于平推流。 2 3 4 两相流压损特性 两相流的压力损失与单相流体不同， 单相流体如空气的压力损失是随气流速度 的增加而增大的，其压损与速度的关系见图 2 3 中的曲线1 。 图2 2 垂直管中物料速度和浓度分布 两相流运动由于物料之间，物料与管壁之 h 问不断发上碰撞和摩擦，而产生能量损失，所 以两相流比相应的单相均质流体的压损要大， 两相流的压力损失与气力速度的关系，根据实 验资料，大致如图2 3 中的曲线2 所示。 由曲线2 可以看到，两相流的压损曲线可 分为三段，即a b 段、b c 段、c d 段。其 中a b 段是物料与气流混合并启动的过程。在 这一段，物料速度很小，物料加速需要较大的 图2 - 3 压损与气流速度的关系 机械科学研究院硕十学位论文 能量。随着气流速度的增大，不仅气流本身的能量损失在增加，而且气流与物料的摩 擦能量损失也在增加。因此该段总的压力损失随着流速的增大而急剧增加，曲线比较 陡峭。b c 段表示物料处于间断悬浮状态，对于水平输送即意味着物料由沿管底运动 逐步过渡到悬浮运动，物料本身的运动速度增大，从而使物料与管壁的摩擦，流体与 物料的之间的摩擦损失减小。上述能量的减小值超过了因流速增大而造成的流体本身 能量损失增大的程度，因此该段总的压力损失随着气流速度的增大而减小。当流速达 到c 点时，物料基本达到完全悬浮，压损最小。称c 点为临界流动状态点，此时的流 速称为i 临界流速，以v t 表示，临界状态的流动是均匀流。c d 段表示物料全部处于 悬浮状态并且被正常地输送，物料在管道截面上分布均匀，此时，压损随着流速的增 大而增加，并且压损曲线c d 逐步趋近于单相流压损曲线。 两相流的压损不仅与流速有关，而且还受物料性质的影响。物料的摩擦系数大， 物料与管壁间的摩擦就大，压损就大，以上即为两相流压损的基本特性。 2 4 气力输送系统的主要设计参数 气力输送的主要设计参数包括输料量、输送风速和料气输送比。这些参数的合理 选用，对气力输送系统运行的稳定可靠性和经济性起着决定性的作用。 2 4 1 输料量 输料量的大小通常是由工艺过程所决定的。但作为气力输送计算设计依据的输 料量g ，应该是输料管在f 常工作中可能遇到的最大物料量。因此，输料量g 设的计 算方法是：按工艺设计平均物料量g 物均再加上一定的储备系数a 而得，即： g 设2 乜g 物均( k g h ) ( 2 2 ) 式中：g 设计的输料量( k g h ) ： g 舀均工艺过程需要的输料量( k g j h ) ； a 储备系数，口的取值应根据工艺运行的实际情况来定， 一般取1 0 1 2 5 。 2 4 2 输送风速 气力输送装置的好坏，与选择的气流速度有密切关系。最有利的气流速度是指保 证被输送的物料在所有的输送管道内均匀可靠地输送条件下、气力输送系统具有最经 济的工作性能时所允许的最小气流速度。从降低能量消耗来看，气流速度是越小越好， 机械科学研究院硕士学位论文 但速度过小，则系统对物料的流量变化适应能力不强、工作不稳定、易于发生堵塞现 象；输送风速过高，会造成管件的磨损，能耗过大，动力消耗几乎与风速的三次方成 讵比。 为了满足连续可靠地输送物料这一基本要求，输送气流的流速必须远远超过物料 的悬浮速度。同时随着被输送物料流量的增大，输送气流的流速也必须随之提高。在 物料输送过程中还存在有下述各种因素的影响： 1 管路弯曲处由涡流引起的弯曲损耗； 2 被输送物料的流量不均衡； 3 停机时沉落在管道下部的物料需要从静止状态启动； 4 物料之间、物料与管壁之间存在有撞击和摩擦，由此会导致能量的损耗； 5 各种管路元件如弯头、管接头、控制阀所引起的损耗； 6 由于输送系统的泄漏所造成的气流压力和速度的损失。 考虑到以上种种不利因素的影响，实际生产过程中所采用的输送气流的速度常按 下式计算：v 。= 矾，。( m s ) ( 2 3 ) 式中：扎输送气流速度( m s ) ； v ，物料的悬浮速度( m s ) 。 国速度系数，取决于输送管道线路的复杂性( 如管道长度、拐弯及垂直 段等情况) 和物料种类、特点( 如料气输送比的大小、湿度等) 。对于农业、 轻工业机械的输送部件，料气输送比不大时，c o 的耿值可按表2 - 5 选用。 表2 5 速度系数表 输送物料料气输送比速度系数c o 茎秆 l o o m m1 1 1 22 5 5 0 茎秆1 0 0 1 5 0 m m 0 8 1 o2 0 2 5 茎秆15 0 2 0 0 m m o 7 o 81 8 2 0 茎秆2 0 0 3 0 0 m m 0 6 o 7 1 5 1 8 茎秆3 0 0 4 0 0 m m0 5 o 61 3 1 5 茎秆4 0 0 5 0 0 m m 0 4 o 51 1 1 3 注：物料潮湿及输送条件不利时应适当选用较大的值。 4 机械科学研究院硕十学位论文 输送风速既可用上式计算，也可采用表2 - 6 中的经验数值。 表26 实际中通常采用的气流速度 物料气流速度( m s ) 草片2 2 2 8 碎茎秸1 0 1 5 2 4 3 料气输送比 所指料气输送比，是指输料管中所输送的物料量g 物与空气量g 气2 _ l t ，它是气力 输送中较为主要的参数。它可以反映出物料输送量以及输送状态的标准，它关系到输 送气流量、压损、功率消耗及物料在管内的输送稳定性。其定义式为： g 趣一g 瓴 g j 一q 气p 气 纷 式中 g 物单位时问内通过输送管道截面的物料质量( k g h ) g * 单位时间内通过输送管道截面的空气质量( k g h ) ； 阳空气的密度( k g m 3 ) ； q 一一单位时间内通过输送管道截面的空气体积流量( m 3 h ) 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 料气输送比既是衡量气力输送过程经济性的技术指标，也是衡量气力输送系统 工作能力的重要性能指标。在气力输送系统所能提供的输送气流流量一一定的条件下， 提高输送比意味着可以提高被输送物料的流量，这也意味着气力输送系统的工作能力 得以提高。 料气输送比越大，则在相同的生产条件下所需的管道直径就越小，所消耗的风量 和功率也越小，从而使气力输送装置的成本降低、能量消耗减少。但随着料气输送比 数值增大，会使系统中的压力损失加大，从而要求风机具有较高的压力，同时由物料 量波动引起的压损波动也大，不易保持系统的压力平衡，给操作带来困难，容易引起 堵塞。料气输送比取值受物料情况、输送管道条件、输送装置的气流压力等影n 向变化 范围较大，一般常用经验数值见表27 。在农机上输送装置的气流压力较低，一般“值 机械科学研究院硕+ 学位论文 耿用较小值。 表2 7 常用物料料气输送比 物料料气输送比 茎秸 0 3 2 0 干牧草 o 3 0 8 碎草颖糠杂质 o 1 1 2 4 4 压力损失的计算 进行气力输送装置设计工作，最主要的是在所要求的输送能力下，确定管径、 输送压力损失和所需气体量，其结果直接影响到输送装置设计的优劣、投资、生产费 用及j x l $ j l 等附属设备的选用。要想使物料在气流作用下以悬浮流稳定地流动，必须克 服输送过程中产生的各种压力损失。气固两相流在管内流动时气体、物料及壁面之间 的摩擦及物料的悬浮和上升等都需要消耗各种能量，这样就产生管内两相流动时的压 力损失。因压力损失的计算较复杂，因此在计算粉状、颗粒状物料的压力损失时，常 常忽略它们与管壁之问的摩擦作用，然而对于麦秸、稻草、木材、烟叶、烟丝等物料 来说，在计算气力输送系统的压力损失时，必须把物料与管壁之间的摩擦作用考虑在 内。根据两相流动理论口，流动过程中的压力损失可由气相压力损失和由物料存在而 产生的附加压力损失两部分组成。 气力输送系统中的各项因素所引起的压力损失的精确计算是很复杂的，过去的几 十年罩，国内外许多学者对气固两相流阻力特性进行了研究，取得了不少研究成果， 研究的方式大致可分为两类：一类是通过对作用于物料上力的典型分析而得出理论 式，再以因此分析及依靠大量特定条件下的实验数据来关联式中的未知数”。“；另一 类是直接采用实验数据进行回归”4 。”1 。目前，无论用什么方法得到的压降模型，大致 可分为压降比模型、经验公式、附加压降模型、力平衡模型这几类。目前常用压降比 模型计算低混合比和短距离的输送装置以及非粒状物料输送过程的计算。 压降比模型是g a s t e r s t a d t 于1 9 2 4 年提出的最早计算压降的一种模型方法，之 后出现几十个类似模型”“。压降比占定义为气固两相混合物流经管道的沿程摩擦压损 日直符( 泥) 与同流量的纯空气气流流过相同输送管段的沿程摩擦压损h 直管( 纯) 之比，通