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青岛科技大学研究生学位论文 气力输送气量控制与可调式i 。觚，a i ，管研究 摘要 气力输送是利用压缩空气的能量来进行散料连续输送的输送技术。在电力、 化工、粮食、冶金、橡胶、建筑材料、港口卸船、医药、饲料等行业上的应用越 来越广泛。气力输送的研究涉及空气动力学、气固两相流学、粉体颗粒力学等多 个学科分支，对工业生产有重要的实际意义。本文以气力输送机理出发，研究了 供气量对输送过程的影响，对气力输送气量控制进行了分析，设计了可调式l a v a l 管，并进行了相关计算和模拟。 论文首先对课题的研究背景、研究意义以及研究方法和思路进行了论述；简 要总结了气力输送系统的特点；介绍了国内外对气力输送的最新研究方法及成 果。 对气力输送研究的基础理论进行了简要陈述。简单介绍了气力输送设计所需 的基本气体方程、气固两相流运动状态以及散料的基本物料特性。 以气力输送机理为基础对气力输送进行了分类，通过气力输送的输送相图研 究了气力输送的速度对输送状态的影响，证明了输送气量对气力输送的重要性； 对气力输送的相关设计参数进行了分析，介绍了国内外学者对气力输送压力损失 的计算。 论述了气力输送气量控制的意义，比较了国内外在气量控制方面的研究状 况。推导了非可控式旁通管补气方式的排空气量公式，并计算了在一定输送条件 下的排空气量大小，验证了可控式旁通管补气方式的节能优点。 对l a v a l 管和可调式l a v a l 管的扼流理论进行了论述，从理论上进行了流量 公式的推导；利用t a y l o r 级数变换等数学工具推导了可调式l a v a l 管调节杆位 移和其流量、当量直径、流通面积的关系，并作出关系曲线；对可调式l a v a l 管 进行了有限元三维建模并划分网格，利用有限元分析软件对可调式l a v a l 管内的 流场和静压力分布进行了模拟，并计算出其临界比。 针对通过理论分析和计算得到的可调式拉法管的节能、较高的临界比、流量 的准确性以及降低破碎率等优点进行了试验验证，实验设备为密相双管输送，旁 通管补气为可控形式。通过实验，证实了对可调式l a v a l 管理论分析和计算的正 确性。 最后，对本文的研究工作进行了总结陈述，对气力输送今后在气量控制尤其 气力输送气量控制与可调式i 越，a i ，管研究 是可调式l a v a l 管智能控制方面的研究提出了展望。 关键词：气力输送相图压力损失气量控制可调式l a v a l 管有限元模拟 青岛科技大学研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h ea i rf l o wc o n t r o la n d a d j u s t a b l ei 。a v a i ，n o z z l e a b s t r a c t p n e 啪a t i cc o n v e y i n gm e a i l st r a n s f o 肌i i l gt l l es o l i dp a n i c l e sw i t l l p r e s s u r eg 嬲 p o w e r ，w h i c hi sw i d e l yu s e di i le l e c t r i c ，c h e m i c a l ，f b o dg r a i n ，m e t a l l u 唱y ，r u b b e r ， b u i l d 地m a t e i a l ，u i l l o a ds h j p ，m e d i c i l l e ，f e e d s t u f fi i l d u s t r ) r e t c t h er e s e a f c ho f p i l e u m a t i cc o n v e y i n gi si i o l v e di na e f o d u n a m i c s ，g 觞一s o l i dt w op h a s en o wa n d 伊加u l em e c h a m c se t c 皿er e s e a r c hi sv e r ys i g l l i f i c a i l tf o rh l d u s t r i a lp r o d u 嘶o n i n t h j s p a p e r ，t h e i n 丑u e n c eo fa i rn o wt 0 血ep r o c e s so fp n e 啪a t i cc o n v e y i i l gi s r e s e a r c h e d ，a i rn o w c o n t r o lo fp n e u m a t i cc o i e y i i 培i sa n a l y da n da d j u s t a b l el a v a l n o z z l ei sd e s i 印e d 锄ds i n l l l l a 砌b 蠲e do nt l l em e c ：h a n j s m0 fp n e u m a t i cc o n v e 妒n g f i r s t ，t h eb a c k g r o u n da b o u tm e 廿l e s i s ，m e a 血培，m e t l l o d 锄dt h i i l l 【i i l g0 ft h e r e s e a r c ha r ee x p l a i l l e d ；t l l ec h a r a c t e r i s t i c0 fp n e 啪a t i cc 0 i e y i i l gi sb e 驯i 皿l a r 讫e d b r i e n y ；t h eu p d a t e dr e s e a r c ：hm e m o d sa n dr e s u l ta r ei 1 1 仃o d u c e d b a s i cm e o r i e s0 fp n e u m a t i cc 0 n v e 灿gr e s e a r c ha r er e p r e s e n t e d 跚c c i i l c y b a s i ca i re q u a t i o n ，e q u a t i o ng d v e n l i i 培m em o t i o no fa i 卜g r a n u l et w op h a s en o w 加d b 弱i cg r 锄u l ec h a r a c t c ra r en 川u o e d p n e u 锄t i cc o i l v e y i i l g sa r cc l a s s e db a s e d0 nt l l em e c h a n j s m0 fp n e u 锄位c c o n v e y h 培，t h en u e n c eo fa i rv e l o d t yo nc o n v e y i n gp h 弱ei sr e s e a r c h e db yc o n v e 灿g p h a d i a 伊a m t h es i g i l i f i c 锄c y0 fc o n v e y i n ga i rn o wo nc 0 i l v e y i i l gi sp r o v e d p a 舳e t e r s0 fp n e 啪a t i cc 0 n v e ) ，i n gd e s i g na r c锄a l y s e d ，t h e p r e s s u r e 1 0 s so f p n e u 锄t i cc 0 n v e ) 血g o fd o m e s t i ca n da _ b r o a ds c h o l a 硌i si n t r o d u c c d ，n l cw a y so fp n e u m a t i cc 0 i e y i i l ga i rn o wc 0 n t i d la f ed i s c u s s e d ，t h ec 町e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no fd o m e s t i c 锄da b r o a do na i rn o wc o n t r 0 “sc o m p a r e d o o i n p u t i n g f 0 肌u l ao fe m p t y i n ga j rn o w0 fn o nc o n t i 0 1 l a b l eb y p a s sb o o s t e ri sd e d u c e d 锄dt l l e v a l u eo fe m p t y i i l ga i rn o wi sc a l c i l l a t e d ，c o n 仃o l l a b l eb y - p 弱sb o o s t e rc a ns a v ee n e f g y m 气力输送气量控制与可调式i 。越，a i 管研究 i s p r o v e d c h o k e df l o wt h e o 巧o f 血e di a v a i ，n o z z l e 觚da d j u s 劬l el 觚札n o z z l ea r e d i s c u s s e d ，t l l e a i rn o wf o 彻u l ai sd e d u c e d ；m er e l a t i o n s l l i p sb e 觚e e na i rn o w ， e q u i v a l e n td i a m e t e r c i 舰l a t i o n 甜e ao fa 由u s t a _ b l el a v a ln o z z l ea n dd i s p a l c e m e n to f a d j u s t i i l gl e v e ro fa 由u s t a b l el a v a ln o z z l ea r ed e d u c e dw i t l lm a t ht o o l ss u c h 弱7 r a y l o r s e r i e sc o n v e r s i o ne t c ，f i ：n i t et b 岭e - d i i n e 璐i o n a le l e m e mm o d e li sc o n s t i t u t e d 锄d 两d d i l l g sd i v i d e d ，n o wf i e l da n ds t a t i cp r e s s u r ef i e l da r es i m u l a o e d 、加t i l 丘n i t ee l e m e n t s i m u l a n ts o 疗w a r ca n dc r i t i c a lf a t i oo fa d j u s 劬l el a v a ln o z z l ec 0 i i f i 瑚e d t e s tv e r i f i c a t i o nh a sb e e nd o n et 0a n e s tt os a v ee n e g y ，h i 曲c r i t i c a lr a t i oo f i 瓜虬n o z z l e ，e x a c ta i rn o w 加d1 0 wp a r t i d ed e 伊a d a t i o nl l s i i l ga d j u s 油l el a v a l n o z z l e ，t h ee x p e 曲e n t a ls y s t e mb e l o n g st 0d e n s ed o u b l ep i p ec o n v e y i n g ，a n db y p a s s p i p en o wi sc o n t r o l l a b i e t h et e s tr e s u l t sh a v ec o 衄咖e dt l l e o r e t i c a la i l a l y s ea n d c a l c i l l a d o n0 fa d j u s t a b l el a v a ln o z z l e a “a s t ，m es u i m n i n g u p0 ft h et h e s i si sp r e s e n 廿n e m ，t h ep r o s p e c to fp n e u m a t i c c o n v e y i n g a i rc o n t r o le s p e c i a l l ya d j u s t l b l el a v a ln o z z l ef o rt l l ef u t l l r ei sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p i l e 啪疵c o n v e y 堍 p h 撇d i a g 舳p r e 豁u r e1 0 s s a i rc o n 硼 a d j u s t a b l eia 、虬n o 劢e 丘i l i t ee l 锄e n ts i i i l u l a t 吨 青岛科技人学研究生学位论文 符号说明 符号符号代表意义单位 以 可调式l a v a l 管调节杆锥形部分长度 m ，竹 a输送管道横截面积m 2 a输送管道横截面内，物料所占据的面积 脚2 a压降比压损计算公式经验系数 无量纲 4 经验公式压损计算法经验系数无量纲 a l a v a l 管喉部流通面积删2 a可调式l a v a l 管最小流通处调节杆锥形截面积嬲2 a 可调式l a v a l 管喉径面积翮2 6可调式l a v a l 管喉部位置最大值 ，咒，咒 e 流量系数无量纲 d输送管道内径 ，以m 吒 清扫l a v a l 管喉径 ，打 z 吃被输送物料平均直径 聊，竹 吐 输送l a v a l 管喉部直径 聊m g重力加速度 m s 2 g g被输送物料质量流量幻s 1 q输送用气体质量流量 瞎s 。1 g f 气固混合物质量流率 姆s 4 七竖直输送管道当量长度系数 无量纲 气力输送气量控制与可调式i 。a 、，a i 管研究 k物料特性相关经验系数 无量纲 ，输送管道几何长度 ，力 氏输送管道长度方向上某一点距起始点的几何长度 ，” p 为单一柱塞长度 ， ，” k输送管道当量长度 ，”，挖 t输送管道水平段长度 脚疗2 t 输送管道竖直段长度 聊，竹 d 清扫状态下，通过输送l a v a l 管的气体质量流量 姆s 。1 ，咒c 口 通过清扫l a v a l 管的空气质量流量 船s 以 m 叮 口 输送系统在清扫状态下所需的标准状态下总气量 船s 1 ， i 口 流经l a v a l 管的气体质量流量 瞎j 。1 ，竹 m马赫数无量纲 甩 输送管道上的旁通进气喷嘴个数无量纲 p储气罐的最大充气压力 m p a a储气罐允许最低压力m p a 号物料柱塞后端的压力m p a 昱物料柱塞前端的压力m p a el a v a l 管为进口压力 见 匕l a v a l 管喉部压力p 。 q气力输送标准状况下( a n r ) 所用气量 m 3 s 一1 q 哦气力输送清扫时的耗气量 m 3 s 一1 郇 排空过程排出的标准状态( a n r ) 下的气量朋3 青岛科技大学研究生学位论文 吼每个喷嘴在副管压力下的排空气量( a n r ) m 3 s 一1 ，i可调式l a v a l 管调节杆半径 ，”，纷 ，2 可调式l a v a l 管固定部分喉部半径 m ，咒 吩可调式l a v a l 管固定部分进口轮廓愕圆弧段半径 ，托肌 r气体常数厨胁z k 一1 ， 气力输送清扫时间 s t绝对温度 k 1 1 1 l a v a l 管进口处的气流速度肌s 一1 “g 气力输送真实气速肌s 一1 h p 柱塞移动速度小3 s 一1 “，被输送物料速度肌s 一1 清扫时输送管道末端气速朋s l 比 l a v a l 管喉部气流速度肌s 一1 边界层速度 小s 一1 h f气力输送表观气速 m s 一1 h 芦为完全悬浮流中固体颗粒速度 小s 一1 1 ， 气力输送管道末端气流速度 所s l 屹物料在输送管道内的平均速度 朋s 一1 名 输送管道内平均输送气速朋s 一1 y 储气罐的计算体积历3 口 压降比无量纲 气力输送气量控制与可调式i 越，a i ，管研究 b重力系数无量纲 p输送料气比无量纲 悬浮输送最大混合比无量纲 nl a v a l 管进口气体密度船m 旬 见输送管道末端状态下的气体密度船m 刁 p g 常温常压下的输送气体密度 幻m 。3 p 。被输送物料的堆积密度船小4 p 呼 l a v a l 管喉管处的密度 瞎脚习 p b气固混合物密度 船小3 艿输送弯管当量长度系数 无量纲 西 悬浮流所占面积与管道截面积之比无量纲 8 吐线条流层空隙度 无量纲 目 输送弯管角度 d e g 包管道倾斜角度 d e g 包管道壁摩擦角度d e g 厂气体常数 无量纲 皈 加速段输送气体的造成的压损 m p a 蛾加速段固体颗粒群造成的压损m p a 啦稳定段固体颗粒群造成的压损 m p a p t气固两相流总压损 m p a pq 相同管道、相同气速下的气体单相流压力损失 m p ao r e雷诺数 无量纲 f r弗鲁德数 无量纲 青岛科技火学研究生学位论文 1 1 气力输送简介 1 绪论 气力输送是利用气体的动能或静压能在按一定路径布置的管道内连续输送 粉末状或颗粒状等散料的一种物料搬用技术，这种输送技术和带式输送、链式输 送、水力输送等输送方式在工业生产中都占据着重要的地位，并且由于其所固有 的优点，在散料输送方面气力输送占据着越来越大的比重，在某些行业大有取代 其它散料输送方式的趋势。 气力输送的应用范围广泛非常广泛，这就导致了气力输送装置的种类繁多， 但一般情况下气力输送装置都是由气源装置、供料装置、输送管路、物料收集装 置以及料气分离装置五大部分组成。图卜1 为正压气力输送装置简图。 图1 1 正压气力输送装置简图 卜解包装置2 发送装置3 一消音器4 一罗茨风机5 一旋转阀6 一喷嘴7 一输送管 8 一压 力开关9 一二位分配器1 0 一除尘器1 1 一料位计1 2 一储罐1 3 一风机 f 螗1 1s k 鼬c ho fp o s i t i v ep r c s 鲫r cp n e 啪a t i cc o n v e y i n gd e v i c e 1 u n l o a d i i 峪s t a t i o n2 b l o wt a l 【l l 【3 一m 词e4 一r o o t sb l o w c r5 - p 0 切r yv a l v e6 一n o z z l e7 瑚n v e y i i l g p i 叫i n e8 1 r e 龉ms w i 妯9 - d i v e m rv 小鼯1 伽u s tc o u e c t o r l l 一l e v ds e i 塔o r1 2 一s i l o1 3 - b l o w e r 从气力输送的发展状况、应用范围和装置图可以得出气力输送较其它粉体、 颗粒状物料处理方式的优点主要有以下方面： ( 1 ) 与其它散状固体物料的输送设备相比，气力输送系统是小颗粒固体物 料连续输送最合适的输送设备，同样也适于间断地将大量的颗粒物料从罐车、铁 气力输送气量控制与可调式ia 、，a i ，管研究 路车辆和货船输送至贮仓； ( 2 ) 可充分利用空间。带式输送机、螺旋输送机、埋刮板输送机等输送机 械实质上是朝一个方向输送，而气力输送管道可以向上、向下或围绕建筑物、大 的设备及其它障碍物布置，其输送路线可高出或避开其它装置或设备所占用的空 间； ( 3 ) 所采用的各种固体物料输送泵、流量分配器以及接受器的操作非常类 似于流体设备的操作，因此大多数气力输送系统很容易实现自动控制，由一个中 心控制台实施远程操作； ( 4 ) 与其它散状固体物料的输送设备相比，对于输送易燃、易爆的物料时， 可以采用惰性气体进行输送，其着火和爆炸的危险性小； ( 5 ) 设计合格的气力输送系统应该是干净的，能够消除了对环境的污染。 在负压输送时，任何一处的空气泄漏都是向内的，因此物料的污染就可限制到最 小； ( 6 ) 输送物料可以散装，操作效率高，包装和装卸费用低； ( 7 ) 设备简单，投资和维修费用较其它散料输送方式少； ( 8 ) 可以实现由数点集中送往一处或由一处分散送往数点的输送； ( 9 ) 对于化学性质不稳定的物料，可以采用惰性气体输送，以确保被输送 物料不会在输送过程中变质； ( 1 0 ) 利于安全生产，改善车间卫生条件，防止灰尘、粉尘的外扬，有利于 工作人员的身体健康。 任何一种科学技术在具备其各种优点的同时，总是会相应的存在一些缺点， 气力输送也不例外，除了具有以上优点以外，还有以下缺点： ( 1 ) 与其它散状固体物料输送设备相比，气力输送系统动力消耗较大，特 别是稀相气力输送系统。随着气力输送技术的日趋完善，能耗这一问题将会得到 很大的缓解； ( 2 ) 其使用受到被输送物料特性的限制。一般的气力输送系统只能用于输 送干燥、磨琢性小、有时还需要能自由流动的物料。如果成品不允许破碎，则脆 性的、易于碎裂的物料不宜采用稀相气力输送。除非是特殊设计，否则易吸潮、 结块的物料也不宜采用气力输送系统。易氧化的物料不宜用空气输送，但可以采用 带有气体循环返回的惰性气体来代替空气； ( 3 ) 输送距离受到限制。至目前为止，气力输送系统只能用于比较短的输 送距离，据文献【1 】介绍，用来试验的一套粉煤灰输送系统其长度不过3 5 伽l i l l 左右， 这已是最长的粉煤灰输送线路之一了，对较粘的物料则更短，例如炭黑，目前其 输送距离在4 0 0 m 以内； 2 青岛科技大学研究生学位论文 ( 4 ) 物料特性对气力输送系统的影响太大，如堆积密度、粒度、粒子强度、 休止角、磨琢性等的微小变化，都能造成操作上的困难。 气力输送技术已有百余年历史。曾在相当长的一段时间里研究和解决耗能 大、物料的破碎、管道等部件的磨损以及管道的堵塞等系统在实际使用中出现的 问题。在2 0 世纪后期2 0 余年中低速密相气力输送技术的研究开发成功使气力输 送技术从基理、应用上均有一个新的质的突破，在一定程度上解决了以往物料破 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。由于计 算机技术的飞速发展，气力输送工程中的动力空气在不同供气装置中的流动状态 以及气固混合物在输送管道中的运行状态都能够在一定的精确度上被模拟出来。 同时，由于控制技术和传感技术的长足进步及引用使低速密相气力输送技术在众 多的产业领域成功地应用。 但是，由于理论基础上尚未完善，气力输送在解决耗能、物料破碎、管道等 部件的磨损以及管道的堵塞方面还有进一步的发展潜力，随着气力输送理论基础 的不断完善以及实际应用的不断发展，气力输送技术会更好的、更广泛的为人类 生产和生活服务。 1 2 课题研究背景 随着现代工农业的迅速发展，生产中各种物料的运送日趋频繁，由此而产生 了各种物料运送方式，气力输送正是为适应这样的情况而迅速发展的，特别是近 几年来，由于制造工艺水平的提高，气力输送技术发展较快。不仅运用在工厂车 间和铁路、船舶等运输作业中，对各种粉状、颗粒状、纤维状、小块状大宗散料 物料，如水泥、炭黑、面粉、化工颗粒原料、化肥、粮食、茶叶、棉花等的输送 也越来越广泛的使用气力输送，而且在国外的一些邮电局、商店、旅馆、图书馆 等搬运频繁的场合，对信件、图书、票证等也采用气力输送的方式，此外，食品 工业、包装工业、金属零件成件货物中，气力输送也成为可供选择的输送方式之 一。从中可以看出，气力输送技术已经成为工业发展的重要组成部分，而选择不 同的运送方式，对环境造成污染不同，其消耗的动力也相差很大，对一些粉状或 者颗粒状原料来讲，在较近距离的运送中，气力输送是比较好的运送方式，其大 大降低了这些物料由于输送而产生的粉尘外泄造成的环境污染，特别是一些有毒 原料，同时也降低了工作人员的劳动强度。与其它设备相比，气力输送运送安全、 生产效率高、管道布置灵活、可以在现有的厂房下布置安装管道、设备构造简单、 管理方便、易于实现集中控制及程序自动化、可以实现输送与工艺相结合、简化 工艺过程等优点，因此气力输送具有广阔的应用前景。 3 气力输送气量控制与可调式i 。越後i ，管研究 但从实际情况来看，气力输送还未能普遍的应用于粉粒体的输送中，究其原 因，一方面是由于气力输送对物料的要求相当苛刻，即使对于同种物料，由于物 性不同( 如不同粒径分布、不同粘性) ，使用同种输送装置，都可能导致输送系 统堵塞，使输送不能正常进行，这就大大限制了气力输送的输送柔性；另一方面， 对气力输送的理论研究也未能满足工业的要求，由于气力输送是一个复杂的气固 两相流动过程，固粒在输送管内的运动，涉及到气流速度的分布、气流固粒之间 作用力、固粒之间的相互碰撞以及固粒与管壁摩擦等各种因素的影响，使这种流 动与单相流相比，更加复杂。输送管道内固粒的运动状态既有滚动又有悬浮，同 时还发生固粒与固粒、固粒与壁面的碰撞，固粒的旋转还产生举力，完全考虑这 些问题是非常复杂的。 自上世纪4 0 年代以来，人们在该领域做了大量的研究，到现在为止，对稀 相输送的研究居多，但对密相的研究，许多问题还有待解决。同时，系统的输送 效率也是人们主要关注的焦点，由于密相输送较稀相输送消耗的气量较小，因此， 如何在不降低输送量的情况下，降低能量消耗，同时保证输送的稳定性是研究的 重点。对于橡胶厂炭黑气力输送，由于橡胶厂使用的炭黑来源不同( 颗粒物性不 同) ，因此，为了避免输送堵塞，设计的输送系统较保守，因此，从工程意义来 讲，降低输送能耗具有相当相当大的空间和重要的意义。 综上所述，以气固两相流理论为基础的气力输送课题的研究有着广泛的工程 实际需要和重要的理论、实践及经济意义；并且随着全球范围内的能源紧张，以 及我国对能源消耗的新的要求，针对节能方面的气力输送研究具有重要的社会意 义。 1 3 论文综述及评论 1 3 1 国内的发展 我国的气力输送系统发展较晚，目前，主要应用于钢厂的高炉喷煤，橡胶厂 炭黑的输送，火电厂的粉煤输送，水泥工业中水泥的输送，铸造部门的新旧砂、 粘土、粉煤和型砂等的输送。 对气力输送理论研究的起始阶段，都是将气固两相流看成两相流态化的过程 来进行研究和试验的，郭慕孙等乜1 曾对颗粒和颗粒群的运动做过详细的分析。秦 霁光等口1 对物料在管道中的流动也做过深入的研究。1 9 7 8 年，中国科学院化工冶 金研究的李洪钟，就垂直气力输送压强降计算方法进行了深入地研究h 1 。1 9 8 0 年， 华东化工学院的杨伦对脉冲气刀式栓流密相气力输送进行了研究嫡1 。1 9 9 0 年上海 海运学院的余达银等对气力输送进行的优化设计，1 9 9 2 年，余洲生又对长距离水 4 青岛科技大学研究生学位论文 平输送进行了探讨1 6 】。 1 9 9 6 年，清华大学的魏飞等就气固并行系统中弥散颗粒混合行为进行了系统 的研究盯1 。1 9 9 8 年，陈利东等阳1 对浓相气力输送的流型及稳定性判定进行了实验 研究，提出了一种检测流型稳定性的方法。固体的气力输送代表了十九世纪工业 的巨大革新之一经过一个多世纪的发展，目前，各种装置形式越来越多，己有 制造成套气力输送装置的工厂，仅在美国，据不完全统计，这类工厂就有3 0 多 家。此外，在西德、瑞士、英国、日本和荷兰等国家，气力输送也非常发达阳1 。 1 3 2 国外的发展 气力输送技术已有一百多年的发展历史。早在1 8 1 0 年m e d h u r s t 就提出了 邮件气力输送方案，1 8 2 4 年v a l l a n s e 最先建立了气力输送实验装置。1 8 5 3 年 c l a r k 制成了直径为1 5 英尺，长6 7 5 英尺的气力输送的试验装置，这也是欧洲 出现第一个气力输送装置n0 l ，此后，这种输送技术在较长的一段时间内发展较缓 慢，直到1 9 世纪，这些装置都只局限于某些大码头上的装卸。本世纪初，随着 大容量风机和真空设备的出现，气力输送开始用于车间内部物料输送。用气固两 相流的统一观点系统地分析和研究，则是1 9 4 0 年后才开始。两相流( t w o p h a s e f l o w ) 的名词在1 9 4 9 年才见诸文献。第二次世界大战间，由于对航空汽油的需 求，使得固体流态化技术得到很大的发展，这也大大推动了人们对气力输送的研 究，到六十年代后，越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。k 1 i n z i n g m l 在粉体的物性以及气力输送进行了较深入地研究，t s u j i ，y 在气力输送气固两相 流动的数值计算方面作了大量的工作n 别。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关联式n 羽，前苏联学者克列因、李 克洛夫斯基等n 钔对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础，进行了 散粒体结构力学的基本问题研究，包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研 究。 1 9 7 0 年，日本学者久保辉一郎、水渡英二，对粉体的力学特性和运动理论进 行了研究。上潼具贞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n6 1 。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动，以及考察含有颗粒 的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息，如探讨作用在颗粒上的合力和通 过对流场平均得到的流变性质等。 1 4 课题研究内容、目的、意义以及研究方法 1 4 1 课题研究内容 5 气力输送气量控制与可调式i 。怂，a i ，管研究 1 对不同形式的气力输送进行了归纳，对气力输送的输送气速和压力损失的 关系相图进行了研究，对气力输送的压力损失计算进行了分析； 2 论述国内外不同的气力输送气量控制方式，以密相气力输送机理为基础， 计算了部分气量控制方式的耗能情况并将结果作了对比； 3 对气力输送节能气量控制元件可调式l a v a l 管进行了设计，确定了其 调节尺寸和喉部流通能力的关系； 4 在不同工况下对可调式l a v a l 管的工作状态进行了有限元分析，模拟了其 工作状态下的速度、静压力以及湍流强度的分布场； 5 在炭黑输送中对可调式l a v a l 管进行了实验，验证了可调式l a v a l 管的节 能效果、理论流量计算的正确性、对减轻破碎率的作用以及对现有实验系统的压 力损失下，可调式拉法管完全出于临界工作状态下。 此外，本课题同时还从气动元件选择、供气管路布置、旁通管补气方式等方 面着手对气力输送气量控制进行了研究，计算出了在不同的气量控制结构、供气 管路布置以及旁通管补气情况下的输送耗气量以及输送费用。指出了节能型的气 力输送装置。 1 4 2 课题研究目的及意义 随着工业的不断发展和能源的不断紧张，一方面人们对日常用品的质量要求 不断提高；另一方面人们的节能意识在不断的加强，国家对企业的能耗也会有新 的要求，因此，在提高产品质量的同时，减小产品的单位能耗是目前众多行业的 努力目标，也是各企业在市场竞争中获胜的有效法宝。 气力输送属于生产过程机械，与产品的生产成本息息相关，并且目前国内对 气力输送系统的设计尚处于粗放型阶段，大多数设计者更为关心的是气力输送的 输送能力，很少考虑或计算在运行过程中的能量消耗。 本课题通过对气力输送气量控制的研究，设计了一种在输送压力波动的情况 下，可以为气力输送提供稳定流量的节能气量调节元件可调式l a v a l 管，进 一步降低了密相输送系统的耗能，并且同时起到了减小输送过程中的物料破碎率 从而提高产品质量的作用。这就是本课题研究的目的，同时也是本课题研究的意 义。 1 4 3 课题研究的方法与思路 研究气力输送的机理是研究气力输送的基础，同样只有对密相气力输送 的机理有了深刻的研究，才能有目的的按照相应的方法对密相气力输送系统的各 个部分、各个参数进行有效的研究。因此本文首先对密相气力输送的机理进行了 6 青岛科技大学研究生学位论文 研究。 气力输送过程中，用来输送物料的气体的速度是一个非常重要的参数，从根 源上讲，在正常输送并且管道直径一定的情况下，输送气量决定了输送气速，二 者成正比关系；当正常输送且输送气量一定的情况下，输送管道的管径对气速有 很大影响，气速与管径的平方成反比。因此本课题基于密相输送的气量消耗和气 速的控制，基于对l a v a l 管的研究，设计出一种新型的可以通过调节l a v a l 管喉 径来改变输送气量的可调式l a v a l 管。通过理论分析，试验研究，指出可调式l a v a l 管能进一步降低密相气力输送需要的能耗、使输送更加平稳、增加输送系统的柔 度等优点，从而取代之前使用的控制气量的喉径面积不变的l a v a l 管。 再者，由于气力输送是一门试验性较强的学科，只从理论上分析，并不能完 全解决具体问题，因此，本课题在理论分析的基础之上，对研究课题进行了实验， 试验装置采用了青岛软控股份有限公司提供的智能双管炭黑气力输送系统，目 前，课题研究内容已经成功的应用到了该系统输送系统中，并且取得了很好的效 果。 综上所述，本课题的研究方法为：理论基础一理论研究一实验验证一理论总 结；具体研究思路为：对气力输送理论基础进行研究一以理论为基础研究了密相 气力输送机理一通过对密相输送机理的研究确立了气量控制在输送过程中的重 要性一研究了一种能够很好地解决气量的气量控制元件可调式l a v a l 管一对 可调式l a v a l 管进行了机械设计、流量计算以及有限元流场分析一在具体的输送 系统上对可调式l a v a l 管进行实验，验证可调式l a v a l 管的理论研究结论的正确 性一对研究课题进行理论总结。 7 气力输送气量控制与可调式i 瓜，a l 管研究 2 气力输送机理研究 研究气力输送的机理是研究气力输送气量控制的基础，也是控制气量大小的 依据。气力输送机理主要包括：气力输送的分类、气力输送料气比、输送气速、 输送参数以及输送压力损失等。 2 1 气力输送分类 气力输送的分类标准比较多，一般主要有以下两种：根据输送装置分类，其 依据来自输送管道中空气压力状态以及输送用气是否循环使用；另一种是物料在 管道中的流动状态分类，其依据相图、输送管道中气固流动状态、单位时间的输 送量及料气比。图2 1 大体上表示出了常用的气力输送类型【1 6 1 。 禳e mj f 二二二号 蚵p e ic 。m ；n e dn e 0 。v e p 。：v ep 。s ：。v e c o r n b i n e df 、l e g a t i v e p o s i t i v er o s l u v e 篙三怎叶匕一c 。岳一鼢 黜? 一 驴“j 厂1 图2 1 常用气力输送类型 f 碴2 - 1c 咖叮n 哆p 鼯0 fc v e n t i o n a lp n e 岫a t i cc o n v e y i i l gs y s t e m 按输送装置分类，可以分为吸送式、压送式、混合式、开放式以及密闭式等， 其中后两种输送方式可根据实际输送要求与前三种方式构成组合使用。 2 1 1 1 吸送式气力输送 吸送式气力输送又称为负压输送，是利用安装在输送系统终点的罗茨风机或 真空泵抽吸系统内的空气，在输送管中形成低于大气压的负压气流。物料同大气 一起从起吸点吸嘴或料罐经过混合进入管道，并随气流输送到终点储罐，而输送 气体通过分离器过滤后通过风机排放到大气中。吸送式气力输送装置的输送压差 小，故仅适用于短距离稀相输送。但由于整个输送装置处于负压状态工作，因此 具有输送气体以及粉尘不会向外泄漏的优点，保证了车间卫生条件。并且吸送式 气力输送还可以满足多点向一点输送。吸送式气力输送的进料方式比压送系统中 8 青岛科技大学研究生学位论文 的供料器简单，对卸料器、除尘器的严密性要求高，要求在气密条件下排料，致 使上述两设备构造较复杂。由于除尘设备的泄露而带出的物料也会损坏通风机或 鼓风机。这可以在主要除尘器与风机之间通过增加第二级除尘器或将除尘器串联 将带出的物料限制到最小。图2 2 为负压吸送式气力输送装置最基本的配置图。 负压输送系统输送物料的范围有一定的限度，这主要是由于输送距离越大， 真空度就越高，空气的密度就变得越低。系统压力降一般的实际限度是 4 4 k p a ( 3 3 0 m i i l h g ) ，这就意味着负压系统可输送的距离或能力的限制。 d u 窖t p i p e n e 图2 2 典型的负压输送系统 f 毽2 21 卯i c a ln e g a l i v ep r e s s u r ec o n v e y 吨s y s t e m 2 1 1 2 正压压送式气力输送系统 正压系统是工业上最常用的，它是利用安装在其起点的风机或空气压缩机， 将高于大气压的空气通入供料器中，与物料混合后进入管道并输送到在终点储料 罐内，空气经过滤后排放到大气中，见图2 3 。正压输送的供料方式主要有：文 丘里式、螺旋泵、仓式泵等，正压式气力输送系统的输送压差大，适合于长距离、 大容量输送。例如炭黑输送时，输送距离最长可达5 0 0 多米；输送粉煤灰时可达 到1 0 0 0 米甚至更长。在管路系统中安装换向阀就能实现多点卸料。与负压式气 力输送系统相比，其对除尘的要求相对较低，但要满足排放要求。 正压式气力输送系统又分为低压式和高压式两种。低压式气力输送系统的气 源压力常低于o 0 5 m p a ，料气比大多小于5 ( 颗粒料最大可以达1 5 ) ，输送速度为 1 0 2 5 m s 。由于输送速度较高，输送管道的磨损比较大，物料的破碎率高、耗 气量大，除尘器的负载大。由于其输送管道通常用单管，无须在输送系统中用旁 通管进行补气，故又称单管式气力输送，见图2 3 。单管式气力输送系统的输送 能力大，属于高速、连续输送。有罗茨风机提供的压缩空气经净化后与物料混合， 9 气力输送气量控制与可调式i 。越，a i 管研究 从喷嘴喷入输送管。由压送装置下的旋转阀控制进料速度从而控制料气比，以做 到稳定输送。它适合输送粒状、块状、纤维状、片状等物料，对于粉状与粉、粒 混合状物料的输送，则比较困难。对输送粘性物料常出现堵塞现象，例如输送半 补强炭黑。 d e n e rv a l v e d u s t c o e c t o r 图2 3 典型的正压输送系统 f i g2 - 3 聊跏p o s i t i v ep 瞄跚r cc o n v e y i i 峪s y s t c m 与低压相对应的为高压式气力输送，其输送效率高、管道磨损小、物料破碎 率低、耗气量小，适合于长距离、大量输送。由于其输送料气比大、输送阻力大， 一般需在输送管中用旁通管补充空气，故称双管式气力输送系统，见图2 4 。按 照旁通管的位置不同，可分为下列两种： 图2 _ 4 各种补气的样式 f 噜2 4 m o d 伪0 f v 枷。惦a i r b o o s t c rs y s t e 脚 a 、内旁通管式( g a t t y s ) 如图2 4 中( 1 ) 所示，1 9 6 2 年由原联邦德国创造 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 1 7 1 。输送管内有一根开了许多小孔的小口径弹性内管，气压略高的压缩空气从小 孔喷入输送管内，能将物料分割成数米长的料栓。输送能力达2 5 t h ，输送距离 达7 2 0 m ，适用于颗粒d s g 。 在甜连线左侧，随着输送气速的降低，压力损失会降低，如果加料流率不变， 处在气流中的物料的质量分数会增加，因此料气比增加，因此当气速降到一定程 度时，随着物料质量分数的增加，压力损失将会继续增加，因此存在压力损失最 小值的拐点，如，、y 点，此时的压力损失最低，相对应的输送气速被称为经济 输送气速，用u 表示。当输送气速小于经济输送气速时，实验证明物料在气流中 已不是均匀分布，因此n 又被称为均匀分布输送的临界速度，也可以被看作密相 输送与稀相输送的分界速度。在不同的加料流率下的压力损失与输送气速的关系 曲线的所有临界输送气速点相连接，便得到了经济输送气速曲线。 从经济输送气速点继续降低输送气速，当加料流率不变时，物料的质量含量 会增加，物料在管道中的输送状态由均匀的悬浮流输送转变为不稳定的悬浮输 送，并且空隙率减小，料气比增大。 当输送气速进一步降低，管道中的料气比增加到一定程度，此时在竖直管道 的横截面内充满了物料，此时的输送气速被称为噎塞气速，对应曲线包扛、如红中 的j i l i 、j l 便处于这种输送状态，被称作噎塞点。 从物料噎塞管道开始，输送状态很可能会转变为不易控制的拴状流动，竖直 管内的拴状流动状况极为复杂，不稳定，至今尚未作充分的研究，在相图中，肋 区域属于此种情况。 从d 点开始，随着风速的降低，物料已经不能形成一段一段的短料栓，而是 由短的料栓合并为料柱即场料栓，这种料栓较短料栓容易控制，输送也比较稳定 且由空气的静压推动。相图中肋以上部分即为长料栓区。 由曲线mz 1 及z ，可以看出，当物料速度稍微增加时，压力就会很快的上升， 而料气比减小，这对能量消耗非常不利，因此为了降低能耗和压损，就必须保持 较低的输送气速，可以通过改变气量的方法，使料栓成为能控制的料栓，管道中 物料颗粒间的摩擦力大于物料与管壁的摩擦力，物料颗粒群以长料栓形势处于悬 浮状态被向上输送。 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 2 2 水平管气力输送状态 由于水平输送时，物料的重力方向与物料的运动方向垂直，因此水平管道内 的气力输送往往要比垂直管道内的气力输送要复杂，也是实际输送过程中容易发 生堵塞的管段。 图2 8 为水平管道内气力输送相图。输送区域在仙线和船g 线之间。船线 为水平输送时的经济输送气速线，随着输送气速的降低，管道中输送压力损失的 变化情况和垂直管