（机械设计及理论专业论文）梗丝气力输送系统的运行参数优化及试验研究.pdf

ab s t r a c t abs tract c u t t o b a c c o p n e u m a t i c c o n v e y i n g s y s t e m i s w i d e l y a p p l i e d i n c i g a r e tt e i n d u s t ry . t h e r e a r e m a n y p a r a m e t e r s w h i c h a ff e c t t h e r u n n i n g s t a t e s o f c u t t o b a c c o p n e u m a t i c c o n v e y i n g s y s t e m . f o r t h e r e a l - t i m e p r o d u c t i o n s i t u a t i o n o f c ig a r e t t e f a c t o ry , i n t h e t h e s i s , o p t i m i z a t i o n o f t h e p r o c e s s p a r a m e t e r ( s u c h a s c o n v e y i n g s p e e d a n d c o n v e y i n g r a t i o ) i s t e n t a t i v e l y s t u d i e d . o n t h e b a s i s o f t h e t h e o ry o f p n e u m a t i c c o n v e y i n g a n d o p t i m i z a t i o n m e t h o 氏 t h e m a t h m o d e l o f o p t i m i z a t i o n d e s i g n c o n s i d e r i n g t h e f a c t u a l s i t u a t i o n o f c u t t o b a c c o p n e u ma t i c c o n v e y i n g s y s t e m i s e s t a b l i s h e d勿 u s i n g e x p e r i e n c e d e x p r e s s i o n s . w o r k i n g o u t t h e m a t h m o d e l b y c o m p u t e r a n d p r o g r a m m i n g b y c + + l a n g u a g e , t h e v a l u e s o f p r o c e s s p a r a m e t e r i s a r r i v e d a t w h i c h m a k e w a s t e e n e r g y l e a s t . t h r o u g h e x p e r i m e n t t h e m a t h m o d e l a n d t h e p r o g r a m i s v a l i d a t e d t o b e c r e d i b l e , a n d m e a n w h i l e , t h e e x p e r i m e n t i n d i c a t e s t h a t w h e n t h e p ip e d i a m e t e r a n d c o n t a i n i n g w a t e r o f c u t t o b a c c o i s d e f i n i t e , t o b a c c o c u tt i n g m o s t l y l i e s o n t h e c o n v e y i n g s p e e d . k e y w o r d s : c u t t o b a c c o ; p n e u m a t i c c o n v e y i n g ; o p t i m i z a t i o n o f p a r a m e t e r ; c o n v e y i n g s p e e d 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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工作及取得 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 南昌大李 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ 手 “ ): 确签 字 日 ” : 7,0 0 7 年 ” /p rl 学位论文版权使用授权书 本学位 论文作 者 完 全了 解南昌大学 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。 本人授权南昌大学可以 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 “ 者 签 “ 手 写 : 演 场 签 字 日 m : 7 夕 年乙 月t o 日 导 jfiv -g (手 写 )靡(a t 1 期 : “夕 年 ” i o fi 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 1 章绪论 第 1 章 绪论 1 . 1 气力输送综述 1 . 1 . 1气力输送简介 气力输送是利用空气 ( 或惰性气体)流动作为输送动力，在管道中输送固 体物料的方法。管道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i l l . 相比其他气力输送方式，气力输送输送效率较高，设备构造简单，维护管 理方便， 易于实现自 动化， 并且由 于气力 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，也有利于环境保护，特别是用于工厂车间内部输送时，可以将输送 过 程和生产工艺过 程相结合，有助于 简化工艺过程和设备 2 1 气力输送是随着物料搬运和一些工业过程的需要而发展起来的，该技术在 相当长的一段时间内，只能用于输送固粒为稀相的情况，2 0 世纪中后期，气力 输送技术得到了 广泛的 应用，原 有的 一些限 制也不断的 被突破，目 前在轻工、 纺织、化工、医药、烟草、食品、矿山、冶金、电力等行业和部门均得到了广 泛的应用，如梗丝、 烟叶、小麦、大豆、 面粉、食盐、成件物品、棉花、羊毛、 水 泥、 煤炭、型砂、 木材等多种物料的 输送0 ,3 ,4 1 1 . 1 . 2气力输送的应用和发展 气力输送技术从 产生至今己 有百余 年的 历史，早在 1 8 1 0 年m e d h u r s t 就提 出了 利用邮件气力 输送方案;1 8 2 4 年v a l l a n c 。 建立了 气力输送的 实验 装置14 1 1 8 9 1 年 英国的d o c k h a m经过多年的改 造工作，从根本上改 造了原 来的装置， 成功 制造出 了负压气力输 送装置， 广泛应用于 港口 等处的 粮食装运， 当时这种 气力 输送装置在英国、德国、 荷兰的 应用相当 普及， 这是 气力输送技术的第一 次大规 模应用1 s ) .二十 世纪二十 年代中 期，正压和负压的输送均己 广泛的应用 第 t 章绪论 于 粮食输 送， 而且从那时 起气力 输送技术得到了巨 大发展，并且应 用领域扩大 到 其它各 个行业6 1 在相当 长的 一段时间里， 气力输送技 术的 研究 和应用只停留 在对稀相悬浮 气力输送的 基础研究 和主 要装置 部件的 构造改 进上。由 于散状 粉粒料在管道中 由高速气流带走，粒子相互间及粒子与管壁之间的碰撞使粒子破碎和管道磨损 不可避免 ; 加之输送空 气量 大使得能耗也 大， 虽然降 低输送气流速 度有所改善， 但 又 极 易 引 起 堵 塞 ， 这 种 情 况曾 经 阻 碍了 这 项 技 术的 应 用 17-9 1 。 在2 0 世 纪 后 期 ， 低 速密 相气力输 送技术的 研究开发成功， 是气力输送技 术从机理、 应用上均 有 一 个新的 质的突 破。由 于计算机技 术的 飞速发展，使以 往感到困 难的气力 输送 过 程中的 复杂流 态可以 通过数值统 计进行计算，使 研究 不断深化和定量 化:同 时，由于制造技术和材料工程的飞跃发展，控制技术和传感技术的进步，使低 速密相气力 输送技术在众多的产业 领域得到成功 应用， 从而解决了 以 往物料破 碎、 管 道 磨 损、 高 耗能 等问 题， 并 提 高 了 系 统的 可 靠 性 和 工 程 的 经 济 性 10-12 1 。 我国气力输 送的 研究 和应用 起步较 晚， 始于上世纪5 0 年代. 长春汽车制造 厂在铸造方面最先使用气力输送，1 9 5 9 年进行了热气流烘砂的工艺试验，取得 一定成果，1 9 6 6 年试验成功涡 流式压送装置 1 3 1粮食 行业于1 9 5 8 年在浙江金华 建成了气力输送面粉车间，1 9 “年在南京浦镇建成了气力输送大米车间。在港 口方面，有上海港生产率为2 0 0 t / h 的x m3 型吸煤机和1 5 0 t / h 的门座吸粮机，长沙 港的浮动吸 粮机 1 4 1 。 天津染化二厂于1 9 7 1 年对造型材料的高真空吸送进行了试 验研究，并 提出了以 此为 基础的设 计计算方法。 筒式气力输送的应用，于1 9 5 5 年在上海电 报局南京东路营业所建立了 双管往返式电 报单输送系统，1 9 8 0 年在 上海 第五钢厂 装置了 炉前与中心试 验室之间的钢 样传输系统4 1 。 从8 0 年代开始， 气力输送装置在各行业的应用得到迅速地发展。 近年来， 我国 不仅在工厂车间内部 和建筑、 铁路、 船舶的 运输作业中， 对 各种粉末状、颗粒状、纤维状和叶片状的物料，越来越广泛地采用了气力输送 的方式;而且在邮电局、商店、旅馆、图书馆等搬运频繁的场合，对于信件、 票证、 帐册、图 书、 试剂等也己 有 采用气力输送的。 此外， 滤嘴卷烟滤 棒、小 包卷烟、塑 料瓶装食品、 金属零件 等成件货物， 气力 输送也己 成为可供 选用的 搬运方式之 一 1 5 1 随着气 力输送理论的成熟与相 应技术的进步， 气力输送技术将 逐步 形成一 套完善的理论体系，在更广阔的领域得到更好的应用和发展。 第 1 章绪论 l l 3气力 输送的分类 气力输 送有着多种不同的 分类方法， 本文列出 工程上常用的几种分 类方 法， 见表1 . h 表 1 . 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) 气源压力高真空 - 0 . 0 5 - -0 . 0 2低压 0 - 0 .0 5 ( mp a )低真空 -0. 0 2一 0高压 0 . 1 一。 . 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 资料来源: 程克 勤， 陈宏勋: 气力输送装置 ，北 京: 机械工业出版社，1 9 9 3 . 在这些分类中，最方便的是按照在管道中形成气流的方法，将气力输送分 为吸送式和 压送式两大类。无论 气力输送装置的型式 有多少，都可以分别归 属 于这两大 类之中 i 6 ( i ) 吸送式 吸送式气力输送装置采用风机或真空泵作为气源设备，装在系统的末端， 当风机运转后，整个系统形成负压，由于管道内外存在压力差，空气被吸入输 料管，同时 物料与 空气一起从吸嘴进入管道并随气流到 达分离器， 物料受到重 力或离心力 作用从 气流中 分离出 来，空气则继续送到除 尘器过滤， 净化后 通过 风机排放到 大气中 或循环使用。在这种装置中 ，输送 管内的空 气压力小于周围 大气 压力，也 称为 负压气力输送系统。能有效收集物 料， 供料方式 较简单， 粉 尘飞 扬小: 但对输送距离 有一定限 制， 对卸料器、 除尘器的严密性要求高。 ( 2 ) 压 送式 压送式 气力输送装置的 气源设备安装在输送系统的进料端前， 因此物 料不 能自 由流畅 地进 入输料管，而必须采用密封且能保持 压力的 供料装置。风 机运 转后，管内的压力 高于大气压， 物料定量地从供料装置 加入管 道，随即被 压缩 空气 输送到 分离 器或贮仓，在其中物料与空气分离并 通过卸 料装置卸出， 空气 则经除尘器净化后排入大气. 在这种装置中， 物料输送都在压气管道一侧进行， 第 1 章绪论 输送管内 的空气压力 大于周围大气压力，也称为正 压气力输送系统。适用于长 距离、 大容量输送; 供料 装置 较复杂， 对空气质量要求 严格， 须防止杂 质、 水、 油侵入系统。 此外，还有将 两种装置相结 合的混 合式气力输送系统，在这种 装置中吸 气 管道和压 气管道中都 进行物料输 送，综 合了吸 送式和压送式气力输 送的优点， 并且能实现较长 距离输送。如果 要从 几个加料点输送至几个分散的卸 料点， 或 是在输送过 程中， 需要实 现多 种工艺操作时， 采用混合式的 气力输送系统 是十 分合适的。但是其结构复杂，气源设备较易磨损。 1 .2气力输送在卷烟工业中的 应用和发展 气力输送在卷烟工业中应用非常广泛，特别是与工艺过程相结合后，使卷 烟厂的 工艺和设备得到简 化，目 前己 经成为国 内外卷 烟生产连续化、自 动化不 可缺少的装置。 在卷烟工业中，气力输送装置不仅用来输送梗丝、烟叶、烟梗等原料，还 能实现松散、去杂、分叶、干燥、冷却、除尘等工艺，已成为卷烟厂的一种专 业设备。 在卷烟厂的生 产中， 利用气力输送装置作为 连续运输设备，实现生产 连 续 化、 自 动 化 ， 要比 其 它 的 输 送 装置 布 置 灵 活 、 管 理 方 便 1 71 气力输送在卷烟工业中的应用，始于 1 8 6 6 年出现的烟丝的气力输送装置。 1 8 9 1 年在英国d o c k h a m制出负压 气力输送装置， b . c . i i a m k o b等对烟丝做了 大 量的实验，以后气 力输送在 烟草 行业的 应用得到推广 1 8 。 气力输送在我国 卷烟 工业中的应用， 最 早于 1 9 3 6 年重庆南洋卷烟厂首先用 于烟丝的输送 1 7 1 。目 前， 在我国卷烟工业中气力输送装置的应用，从烟草物料的输送发展到滤棒和小包 卷烟的输送，逐渐 从输送装置发展到工艺设 备， 如气力配丝、 烟叶的气流干 燥 和浮 选分离设备 等。 8 0 年代滚筒式供料 器以 及现代的盘 旋式 喂丝机、 筛分振动 分配喂丝机的 研制及其应 用更是气力输送技术和卷 烟机械的 完美结合 1 9 1 。由 于 气力 输送装置的不 断改进与 卷烟 生产连续化的 迫切要求， 气力 输送装置在卷 烟 生产设备中将占有越来越重要的地位。 第 i章绪论 1 .3课题的研究价值和主 要内 容 1 . 3 . 1课题的研究价值 1 )理论价 值 气力输送虽然在许多领域中得到了广泛的应用，但是至今仍然没有形成完 善的 理论体系， 其理论研究大大落后于实际应 用。并 且国内 外有关气力输送理 论的研究， 大多是 有关粉粒状物料的， 针对纤维 状、叶 片状物料的梗丝和烟叶 的气力输送研究不多。梗丝气力输送系统是气力输送技术在卷烟工业领域的应 用，由 于 烟草物 料的 一些特殊性， 在这方面的 研究方 法和成果可以 作为气力输 送技术应 用理论的 丰富 和补充， 并为气力输送在 其他领域的 应用起到启示和借 鉴作用。 2 )经 济价值 对气力输送系统进行运行参数优化可使生产率提高，有效降低功率，对卷 烟厂有很大的现实意义。在气力输送烟草物料方面，选用合理的、优化的气力 输送参数尤为重要， 一方面有利于提高卷烟的质量等级， 保证卷烟产品的质量， 从而创造显著的经济效益;另一方面可以减少生产过程中产生的粉尘，降低生 产车间的含尘量，有利于保护环境和在线工人的身心健康，具有很大的社会意 义。在实现某些制烟工艺方面，气力输送运行参数直接影响到卷烟的质量和制 造卷烟的原料利用效率， 在这方面的研究和技术改进可以创造巨大的经济效益。 1 . 3 . 1课题的主要内容 卷烟厂的梗丝气力输送系统是以气力输送理论为基础的，由大量的经验公 式和试验结论来进行设计计算，往往由于物料特性、系统的布置情况、设备参 数等实际条 件变化 太多，而 得不到可靠的理想结果。目 前， 卷烟厂气力输送系 统管路的设 计和参 数的 选用， 靠取大的 安全系 数和凭经验选用。 针对卷 烟厂的 这种现状， 本文采用优化设计方法、 试验研究对气力输送的 主要运行参数 进行 优化设计， 主要工作内 容如下: ( 1 ) 分析了 烟草 物料的性质及 其气力 输送的主要参数，建立了 烟草物料的 压损计算模型，为气力输送系统的优化提供理论基础。 第 1 章绪论 ( 2 ) 分 析各性能指 标， 选择合适的运 行参数，使得输 送量最 大， 功 率最小， 利用优化设计方法进行参数优化。 ( 3 ) 在采用不同的 输送风速的 情况 下， 进行梗丝整碎度的试验 分析， 找出 最优参数。 根据优化结 果和试验分析，并结合 卷烟厂的实际情况， 提出 合 理的 优化参 数，并对使用中可能出现的管道堵塞和噪声问题提出解决措施。 第2 章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 第2 章 气力输送的基本理论及主要参数 2 . 1物料的基本性质 在气固两相流中，固体物料的性质对输送系统有很大影响，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。 2 . 1 . 1物料的物理性质 物料的物理性质主要指的是物料的密度、形状、大小、分布和含水量。烟 丝、烟叶具有密度低、形状不规则、含水量低且物料尺寸范围广的特点。 物料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， 则用 于输送的能 耗就大 1 6 1 。梗丝、 烟叶 等烟草物料的气力输送 机 理与粉、粒状物料不同，这类纤维状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2 0 1 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。 卷烟工业气力输送系统中常用的几种原料的散堆密度如表 2 . 1 所示. 表2 . 1 烟草原料的 散堆堆积密度 烟草原料种类原料散堆堆积密度 梗丝1 1 0 1 6 0千克/ 立方米 烟梗2 5 0 - 4 3 0 千克/ 立方米 烟叶。 . 0 2 9 3 - 4 .0 7 7克 / 张 资料来 源: 黄标: 气力输送在卷烟工 业中的 应用 ， 北京: 轻工业出 版社，1 9 8 6 . 从表中可以看出这类物料的密度都不大，因此对于烟草物料来说比较容易 实现 气力输 送。 物料的形状对它的悬浮速度有较大影响。同一种物料以球形颗粒的悬浮速 度最大，其 他各 种不规则形 状颗 粒的悬 浮速度就较小。烟草物料的形状既有纤 维状、扁平状，又有片状，形状不规则。 第2章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 含水量是指物料中水分的含量，通常以物料中所含水分的重量与物料重量 的比 值以 百 分数表示2 1 1 。 烟丝的 含水量一般小于1 3 %， 如果 水分过高， 物料的 松散程度就差，造成物料卷绕成团，从而会使物料不均匀，能量消耗增加和生 产率降 低， 甚至造成管道 粘附和 堵塞使整个输送系统不能 正常进行。 物料含水量高也会带来一定的好处，即飞扬性小，并难以带静电或爆炸。 2 . 1 . 2物料的静力学性质 物料的静力学性质指的 是物 料的 摩擦系数和磨削 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1 1 6 1 物料摩擦系数越大，输 送压力要 提高， 管道磨损和输送能耗也随 之增加， 而且 输送距离受到很大限制。 对于烟草物料， 由于 采用稀相 气力输送， 并且在输 送时它们处于 悬浮状态， 物料与物料之间的距离相对较大，因此其相互作用可以忽略不计。但是物料与 输送管道之间存在摩擦作用，这部分压力损失要消耗一部分能量，因此在进行 系统设计和分析时必须考虑。 摩擦力的存在会引起输送管道的磨损和堵塞， 这在以后的章节会详细介绍。 烟草原料的磨削程度及流动性随原料尺寸、产地以及含水量等多种因素的不同 而改变，但总的说来，它们是属于无磨削性或轻度磨削性的物料。 2 . 1 . 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 要物性。 烟草物料具有悬浮 速度较小，流动性 较差 的特点。 悬浮速度是这样规定的:粒子从静止状态开始，在流体中自由下落，最终 达到均匀 等速的 沉降，这一 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 2 2 1 。 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 溅，粒子 在流体中的浮 力 叽和流体阻力凡，当 该物料处于 悬浮 状态时， 必须满足以 下条件: 夙一 巩= 凡( 2 . 1 ) 第2 章 梗丝气力输 送系统的基本理论及主要参 数 _。_ ， _ ， 耐3 ，、 x 1 1 : w ; w a = -v , 一 y . ) o ( 2 . 2 ) _耐 l - 4 y , v , 2 g ( 2 . 3 ) 由上述关系式可得: 、 韶 4gd ,- ra3c y ( 2 . 4 ) 式中 : v , 物 料 的 悬 浮 速 度 (-/s ) g 重 力 加 速 度， 取g = 9 .8 ( m /s 2 ) d 球形 物料的 直径 o u m ) y . 物 料 的 比 重 (n /m 3) y a 空 气 的 比 重侧 /m 3 ) c空气对物料的阻力系数 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 d v f 颗粒间的空隙等因素的影响，因而在工程实际应用计算中，常采用实验的 方 法来测出 物料的悬浮速 度。 经实 验测定， 烟草物料的悬浮 速度见表2 . 2 0 表2 .2烟草物料的悬浮速度 试料名称大小 ( 毫米)悬浮速度 ( 米渺 )含水量 ( %) 烟丝牌号a长 1 . 5 4宽0 .8 1 . 8 1 2 .9 烟丝牌号a长 1 . 5 以 下宽0 .8 1 . 5 1 2 .0 烟丝牌号b长 1 . 5 以 上宽。 .8 1 . 9 1 1 .9 烟丝牌号b长 1 . 5 以 下宽0 .8 1 . 5 1 1 . 5 烟丝细粉一。 .8 1 2 . 5 资 料来源: 黄标: 气力输送在卷烟工 业中的应用 ， 北京: 轻工业出 版社，1 9 8 6 . 2 .2气固两相流的悬浮运动理论 气力输送从本质上来说，是固 体和气体在管道中的混合 流动。 对于梗丝、 第 z 章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 烟丝、 烟叶这类纤 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， 可以 按照纯 流体运动的一些规律 研究其运动状 态. 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 . 2 . 1物料的悬浮机理 气力输送情况下，由于输送管内的气流速度，随其径向位置而变化，所以 处于不同位置上的物料所受气流作用力也各不相同。但是物料运动的方向总是 和气流的流动方向一致。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。 但无论在水平管中， 还是在铅垂管中的 输送，都必 须首先使物料悬浮。 在垂直输送管道中运动的物料，同时受到重力、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，为了保证气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 的形状一般是不对称的，致使物料受到不均匀的推力作用而产生旋转，还由于 物料相互之间或与 管壁碰撞引起的自 转 运动，所以 物料呈不规则的曲 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。 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 述几种作用力的作 用， 它们具有 对抗重力的作 用【 2 3 1 . ( 1 ) 气流紊 流运动时垂直方向分 速度产生的 力; ( 2 ) 在管底的物料，由 于上下压力差，即由管 底与 物料上部的 气流速度差 第z章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 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， 特别是片状物料，当 气流以 某一速度流经物料时， 作用在物料上的气流动压力和摩擦力的合力所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 撞时， 受到反作用力的垂直方向 分力。 在上述各力的作用下，物料在水平管道中呈悬浮状态并随气流运动。 2 . 2 . 2水平输送管中物料的运动状态 在水 平输送管中，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;当气 流速 度逐 渐减小时 ，则越靠近管底处， 物料分 布越密:当气流速度小于某一值 时，一部分物料就停滞在管底，被推着向前运动;气流速度再进一步减小时， 则大部分物料沉降在管底，形成不稳定的移动料层，最后停滞而堵塞管道。 水平输料管中 气流 速度与物 料的 运动状态的关 系， 可以分为以 下几种 z 4 ) . ( 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， 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:这是物料悬浮输送的 极限 状态。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，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 堆积层作砂丘移动似的流动。 第z章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 ( 6 ) 栓状流: 堆积的物料层充满了 输送管的 横断 面， 形成料栓前后被空 气 切断，产生压力差，物料借助空气的压力差推动输送。 这些 不同的 流动状态也与 物料的 物理性质有关。 但是， 主要是 受气流速度 的影响。第 1 种到第 5 种的运动状态主要是依靠气流的动能推动的，而第 6 种 是靠气流的压力能进行输送的。对于烟草物料来说，当物料在水平管内呈悬浮 状态时，输送效果最理想。 2 .3 气力输送系统的主要参数 气力输送系统的主 要设计参数包括输送量、输送比、 输送气流速度和压力 损失 2 5 1 。这些参数的 合理 选用， 对气力输送系统运行的稳定 性、 可靠性和经济 性起着决定性的作用。 2 . 3 . 1输送量 输送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 送量g s ， 应该是输 料管在正常工作中可能 遇到的 最大物 料量。因 此， 输 送 量g , 的计算方 法是: 按工艺设 计平均物送量g再加上 一定的储备系数a 而 得， 即: g , = a g ( 2 . 5 ) 式中: g , 设计的最大 输送量 (k g /h ) g - i艺 过程需要的输送量 ( k g / h ) a 储备系 数， a的取值应根据工艺运 行的 实际情况来定 2 6 1 ， 一 般取 1 . 01 . 2 5 2 . 3 . 2输送比 所谓输送比 是指单 位时间内 输送的 物料量与同一时间内 通过该管道的空气 量之比， 它是气力输 送中 较为主要的参数 2 7 1 。 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: 第z章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 g , 2p a ( 2 . 6 ) 式中:m输送比 g , - 输送物料量 ( k g / h ) g o 空 气 消 耗 量 (k g /h ) q o 空 气 流 量(m 3/h ) p a 空 气 的 密 度 ， 在 标 准 状 态 下p o = 1 .2 (k g / 扩 ) 料气输送比m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 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. 在实际应用中，以 输送比 作为 实际装置的设 计依据。 考察输送比与混合物 运动时的工艺性能，以及与气力输送装置的能量损耗等关系很重要。有试验证 明: 输送比 不仅有安全使用范围， 在这范围内 不会造成堵塞;而 且还具 有经济 使用范围，在这范围内采用，运行最经济。因此，如何选择输送物料的安全和 经济输送比，是复杂而又十分有意义的问题。 2 . 3 . 3输送气流速度 输送气流速度也即输送风速，它是气力输送的一个重要参数。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，但速度过小，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; 气流 速度过高，会增加动力消耗及管道 和部 件的 磨损， 动力消耗几乎与 风速的 三次方成正比。 由于 管道位置 不同， 所要求的气流 速度也 不同。 从理论上说，输 送物料的 气流 速度只要大于 物料的 悬浮速度即可。 但是， 在实际装置中，由于 物料彼此 间的 碰撞与 摩擦: 物料与 管壁间 的碰撞 和摩擦; 气流在管道上分布的不均匀: 各种 管件， 如弯管、 切换阀 等处气流的 不均匀: 物料重力的影响等原因， 所需 的输 送物料的 气流 速度比 物料悬浮速度 大得多。 确定输送的气流速度，除了获 得可靠的输送条件外， 还必须由输送时的能量损耗、 输送物料的工艺性能而定。 第2章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 粗略地可按下式计算: u o - p 竹 式 中 :u o - 输 送 气 流 速 度 ( fn /s ) 尹 不同 位置管段的 经验系数 ( 见表2 . 2 ) u s 物 料 的 悬 浮 速 度 ( 1d / s ) 表2 .2气流速度的经 验系数 ( 2 . 乃 管道的布置形式 尹的 取值 2马 : 22 uo口 : 22 具有一支水平直线管段 具有一支水平和一支垂直管段 具有水平、 垂直和倾斜等三 支管段 具有更复杂的水平管段 资料来 源: 黄标: 气力 输送在卷烟工业中的 应用 ， 上海: 轻工业出 版社，1 9 8 6 . 实际 使用证明: 为了 保证输 送工 作的 可靠和经济，实际 上所采用的气流 速 度应比 上述求得的 理论值 加大3 5 -5 0 %. 2 . 3 . 4压力损失 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 和所需空 气量， 其结果直接影响到 输送装置设计的 优劣、 投 资、 生产费 用及风机等附 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、粒状 物料的 压力损 失时， 常常忽略它 们与 管壁之间的摩擦作用， 然而对 于梗丝、烟叶、烟丝、小麦、木材等物料来说，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 2 8 1 ， 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 去几十 年里，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 第2章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 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2 9 . 3 1 1 ; 另一 类是直接采 用实 验数据进行回归13 2 -3 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。 目前对管道悬浮输送中，气固两相流的压力损失的确定，是按下述原则处 理 的 12 81 . ( 1 ) 将两相 流中的颗粒群运动， 视为一种特殊流体，它在管道中 运动和一 般流体一 样， 有摩 擦阻力 和局部阻力， 所引 起的附加压力损失， 分别 服从达西 公式及局部损失一般公式; ( 2 ) 在确定 纯气流压力损失时，忽略物料所占 的断面和容积， 而按单相气 流的压力损失来计算: ( 3 ) 两相流的总 压力损失是气流的 各项压力损失与颗粒群运动附 加的 各项 压力损失之和。 两相流的总压损，由摩擦、加速、重力压损及局部压损组成，现分述如下: ( 1 ) 摩 擦 压 力 损 失a p f 这部分压力损失包括纯气流的摩擦压力损失和颗粒群的附加摩擦压力损 失，按达西公式的为: ap f 一 ap af + op nf = 、 会 。 ua2 一 u s a va 会 p uap a 2 一 卜 m a v, )aua 去 pa 2 ( 2 . 8 ) 二_又 u _ ， 。、 ， ，. ， _。 j 头 甲a =1 十m一 一 孙 刀 庄 坝 比 ，只9 a a v . .l u ? a p f = a a a 万 几 寸 ( 2 . 9 ) ” 于 水 平 管 一 0.2m + 摆 ( 2 . 1 0 ) 第2 章 梗丝气力输送系统的基本 理论及主要参数 n-5 、-10 ，一v 对于铅锤管 a =0 . 1 5 m+ ( 2 . 1 1 ) (2 ) 加 速 压 力 损 失op. 该压 力损失 产生于加 速段， 它是消 耗于空气和物料的启动 与加速。一 般按 下式确定: 二 。 . 、 ， 1v 2 l ip . = 】 1 十m 一 1 几 戈 l 叽j ( 2 . 1 2 ) ( 3 ) 重 力 压 力 损 失 apn 颗粒群的重力压损包括克服悬浮与提升阻力产生的压力损失. va， u p, r=m- g po jg - vs ( 2 . 1 3 ) 写成达西公式形式为: _ ( 2 f g g d ) _ l _ v o ap 一 l 石 万 可 可 ) - p av , /v . v a ) , d 万 ( 2 . 1 4 ) 式 中 : 无 重 力 阻 力 系 数 : 倾 斜 管 的 无 = v , + u s s 些 旦 u u 水平管的 无一 兰 u a 铅垂管的无二v ,土 兰 . 二 v a v , 口 a ( 4 ) 局部压力损失 弯管的压力 损失ap. 它取决于 物料 性质、 气流速度、 弯管在空间的方 位以 及弯曲 角 和曲 率半径， 一般按下式确定: 第2 章梗丝气力输送系统的基本理论及主要参数 v 2 ap. = l i + m k . k . p . 才 ( 2 . 1 5 ) 式中:k . . 纯气 流时弯管的局部阻力系数 氛 弯管 局部阻力的附 加压损系数， 其值见表2 . 3 表2 .3 弯管局部阻力的附加压损系数 kw一1.0 弯管空间方位 孟u有，山月了 . 目.120 铅垂向下转水平 9 0 0 铅垂向上转水平 9 0 0 水平转水平 9 0 0 水平转向铅垂向上 9 0 0 水平转向铅垂向下 9 0 0 资料来源:周乃如，朱风德: 气力输送理论与设计计算 ，郑州:河南科技出版社，1 9 8 1 . 分 离 器 和 除 尘 器的 压 力 损 失帆 、 ， 一 。 。 uz_ 92 ( 2 . 1 6 ) 式中:氛 分离器 和除尘器的阻 力系数 v q 一 分 离 器 和 除 尘 器的 进口 风 速 (m / s ) 总压力损失是气源机械用来克服输送系统全部阻力所应提供的压力，即上 述各项压力损失之和。以上各项压损公式中基本上都包含有固气速度比，这是 两相流具有的内在规律。有关资料对烟草物料输送的研究，固 气速度比 在 0 .4 5 - 0 . 7 5 之间，对于输送比较小的一般可以选取上限值。 第3章梗丝气力输送系统的分析 第3 章 梗丝气力输送系统的分析 3 .1梗丝气力 输送系 统的结构 任何一个气力输送装置，不管其装置的形式和用途如何，一般由以下的部 件所组成:供料装置、管道和管件、分离器、卸料器、除尘器、消声器、气源 机 械 等 2 71 梗丝气力输送系统的 主要部件有: 输送管， 分离器，卸料器、 除尘器以 及 风机等。 其结构简图 如图3 . 1 所示。 其工作原 理为 : 输送系统进行 输送作业时， 风机运转使整个系统形 成负压， 由于管 道内外 存在的压力差，空 气被吸入输送 管， 物料也由 于受高 速气流吸引的作用 而被吸 入管道并输送到 分离器， 在分离 器中物料与空气分离，被分离出的物料经卸料器卸到指定的管道中，这段管道 与风机的出风口相连，用风机把物料压送到指定地点。 高m = 7 9 0 0 图3 . 1梗丝 气力输送系统结构 简图 第 3 章梗丝气力输送系统的分析 ( 1 ) 供 料装置 选用供料装置时，应考虑下述问题:物料特性 ( 如密度、粒径及形状、流 态化性能、 透气性、 存气能力及含 水量、 硬度、 脆性、 温度等) ; 根据生产需要 和成本， 选用连续的 还是间歇的运行方 式; 精确的供 料控制; 整个系统要求的 输送气体 压力;费 用等3 5 梗丝气力输送系统属于吸气式装置系统，物料只要进入管道便受到管内负 压的影响， 因而不需 要安装 特殊的 供料装置， 也不 需要考虑空气和 物料的 泄漏。 可以采用供料装置对管道供料，也可以不用供料装置，让输送管道直接与上一 道工序联结，以便简化工艺和设备。 ( 2 ) 管道 和管件 梗丝气力输送系统中所使用的管件有以下几种:吸料 口、弯管。其中最简 单但最重要的是料口，它是物料进入管道的媒介。 吸 料口 接受供料装置加入的物料，使 物料和空气进行完 全的混 合， 然后将 物料供应给输送管道。按照其装置位置的不同，可以分为水平装置的料口和垂 直装置的料口两类。其中，水平装置的料口由于在物料进入管道时，重力方向 与气流方向 垂直， 物料加速困难，容易 在管内 停留， 故常需提高气流 速度。 输送管道是梗丝气力输送系统的重要部分，其本身结构简单，但是输送