氣力輸送技術(shù)-懸浮式氣力輸送的基本原理

任務(wù)三懸浮式氣力輸送的基本原理一、物料顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)特性研究散裝固體物料的氣力輸送，即研究物料顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而沉降速度、懸浮速度是物料顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)的最基本特性，這個(gè)特性也稱為物料顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

懸浮速度反映了所輸送物料顆粒在氣流中的主要物理特性。懸浮速度的數(shù)值大小由物料的密度、粒徑、形狀、表面狀態(tài)、管道直徑、空氣密度等因素決定。物料顆粒的懸浮速度是懸浮式氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要原始數(shù)據(jù)之一，它是合理選擇物料管道安全輸送風(fēng)速的重要依據(jù)。一、物料顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)特性1、沉降速度

我們把物料顆粒在空氣中由靜止?fàn)顟B(tài)到自由下落所能達(dá)到的最大速度,稱為物料顆粒的沉降速度。

2、懸浮速度

我們把物料顆粒在垂直向上的氣流中能處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的氣流速度稱為物料顆粒的懸浮速度。

從以上描述中可以看出,物料的沉降速度是物料顆粒自身的運(yùn)動(dòng)速度,而物料顆粒的懸浮速度則是氣流的運(yùn)動(dòng)速度。兩者在定義上是不同的,但數(shù)值相等,方向相反。一、物料顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)特性二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)

管道中的物料在空氣動(dòng)力作用下的運(yùn)動(dòng)由于受到許多因素的影響因而是一個(gè)很復(fù)雜的現(xiàn)象，它涉及到固氣兩相流的理論。

固氣兩相流：氣力輸送輸料管中粉、粒狀物料與空氣的混合物。

濃度：料氣混合比，是指兩相流中固體物料量與空氣量的比值，它是反映輸送量和輸送狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，是兩相流的重要參數(shù)之一。一般分為質(zhì)量濃度、體積濃度和實(shí)際濃度三種。

質(zhì)量濃度：是指通過輸料管斷面的物料質(zhì)量流量與氣體質(zhì)量流量之比。

體積濃度：是指物料的密實(shí)體積流量與氣體流量之比。

實(shí)際濃度：是指輸料管中單位長(zhǎng)度的物料質(zhì)量與氣體質(zhì)量之比。氣力輸送中，實(shí)際濃度大于質(zhì)量濃度；在稀相輸送中，輸送粒狀物料或小麥、大豆等粒料時(shí)，當(dāng)兩相流進(jìn)入穩(wěn)定輸送段之后，則認(rèn)為物料速度和氣流速度相等，可以用質(zhì)量濃度來代替實(shí)際濃度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)

1.物料顆粒在垂直管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

在垂直輸料管道中,物料顆粒的重力方向與空氣動(dòng)力的方向處于同一垂直線上,但方向相反,只要?dú)饬鞯乃俣却笥谖锪项w粒的懸浮速度,物料顆粒就會(huì)隨氣流向上運(yùn)動(dòng)。但在紊流氣流中,因有與流向相垂直的分量存在,管道內(nèi)的氣流速度有時(shí)是不均勻的,物料顆粒的形狀通常也不規(guī)則,且物料相互間或與管壁間相互碰撞產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),致使物料顆粒的運(yùn)動(dòng)呈不規(guī)則的曲線上升狀態(tài)。在垂直輸料管中,物料顆粒在管道內(nèi)的分布基本是均勻的。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)

2.物料顆粒在水平管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

(1)懸浮流

(2)底密流

(3)疏密流

(4)停滯流

(5)部分流

(6)柱塞流二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)

2.物料顆粒在水平管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在水平輸料管中，物料顆粒群受管道內(nèi)氣流速度大小的影響，呈現(xiàn)以下六種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：①懸浮流：管道內(nèi)輸送氣流的速度較大時(shí)，物料基本上處于均勻分布狀態(tài)，物料顆粒在氣流中呈懸浮狀態(tài)輸送。②底密流：管道內(nèi)輸送氣流的速度減小時(shí)，越接近管底處，物料的分布越密集，但沒有出現(xiàn)停滯。物料顆粒一面作不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)、碰撞，一面被向前輸送。③疏密流：管道內(nèi)輸送氣流的速度進(jìn)一步減小時(shí)，物料在水平管道內(nèi)呈疏密不均勻的流動(dòng)狀態(tài)，部分物料顆粒在管底滑動(dòng)，但沒有停滯。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)

2.物料顆粒在水平管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

④停滯流：隨著管道內(nèi)輸送氣流的速度再次減小，大部分的物料顆粒失去被氣流的懸浮，停滯在管道底部。此時(shí)，管道的局部區(qū)段因物料積聚而使管內(nèi)斷面變小，氣流速度在該區(qū)段增大，使停滯的物料重新被吹走，形成停滯、積聚、吹走相互交替的不穩(wěn)定輸送狀態(tài)。⑤部分流：管道內(nèi)輸送氣流的速度過小時(shí)，氣流就失去對(duì)物料的懸浮能力，物料顆粒堆積在管底，氣流在上部流動(dòng)。堆積的物料表面，有部分顆粒在氣流的作用下作不規(guī)則的移動(dòng)，同時(shí)堆積層也隨著時(shí)間作沙丘移動(dòng)似的流動(dòng)。⑥柱塞流：當(dāng)部分流也不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，管道即被堵塞，物料呈柱狀間隔充滿管道。由于物料柱前后的壓縮空氣存在壓力差，物料就依靠靜壓差的推動(dòng)而被輸送。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)

3.物料顆粒在水平管道中所受到的力（1）在水平輸料管道中，物料顆粒的重力方向與空氣動(dòng)力的方向相垂直，空氣動(dòng)力對(duì)物料的懸浮不起直接作用，但物料顆粒仍然能被懸浮輸送，這是因?yàn)樵跉饬魉絼?dòng)力的作用下，產(chǎn)生了以下幾種懸浮力來對(duì)抗重力，如圖所示，從而使物料被懸浮。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)①垂直方向上的紊流的分速度產(chǎn)生的作用力。②處在管底的物料顆粒，其上下部因速度不同形成的靜壓差而產(chǎn)生的作用力。③馬格努斯效應(yīng)引起的升力：由于空氣的粘滯性，旋轉(zhuǎn)顆粒周圍的空氣被帶動(dòng)，形成與克里旋轉(zhuǎn)方向一致的環(huán)流。顆粒上部的環(huán)流與氣流的速度方向相同，疊加后速度增大；顆粒下部的環(huán)流與氣流的速度方面相反，疊加后速度減?。贿@樣，顆粒的上下部因速度不同而產(chǎn)生靜壓差，從而產(chǎn)生對(duì)顆粒的升力。④顆粒的形狀不規(guī)則，受到的推力在垂直方向的分力。⑤顆粒相互間或與管壁碰撞受到的反作用力在垂直方向的分力。在上述懸浮力的共同作用下，物料在水平管道中懸浮并隨氣流被輸送。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)4.輸料管斷面氣流速度分布

空氣在管道中流動(dòng)時(shí)，管流呈層流或紊流。速度分布在管道中心出現(xiàn)最大值，沿管道中心線速度對(duì)稱分布。而兩相流在管道中流動(dòng)時(shí)，由于物料重力的影響，越接近管底分布越密，氣流速度最大值的位置移至管道中心線以上。

在氣力輸送中，氣流速度過小，會(huì)由于管底速度小造成物料停滯，管道堵塞，影響連續(xù)性生產(chǎn)；氣流速度過大，會(huì)造成物料的破碎、管件的磨損以及動(dòng)力消耗的浪費(fèi)。

因此，恰當(dāng)?shù)剡x擇氣流速度是很重要的。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)4.輸料管斷面氣流速度分布純空氣在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí),管流呈現(xiàn)層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)。無論是層流還是紊流,氣流的速度分布總在管道的中心處出現(xiàn)最大值,且沿管道中心線對(duì)稱分布。當(dāng)氣、料兩相流在管道中流動(dòng)時(shí),對(duì)于垂直輸料管,氣流速度仍然在管道中心處出現(xiàn)最大值,且沿管道中心線對(duì)稱分布;但在水平輸料管道中,物料被輸送時(shí),由于受到重力的影響,越接近管道底部,物料分布越密集,空氣受到的阻力越大,氣流的速度越小。因此,在水平輸料管中,氣流速度的分布出現(xiàn)了顯著的變化,最大速度的位置移至管道的中心線以上。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)5.氣力輸送的壓損特性物料顆粒在管道中呈懸浮狀態(tài)輸送時(shí)，總存在著顆粒間或與管壁之間的碰撞或摩擦，這樣會(huì)使顆粒損失一部分從氣流那里得到的能量，即氣流具有的能量的一部分要消耗在顆粒與管壁的碰撞或摩擦上，這部分能量損失是以壓力損失（即壓損）的形式表現(xiàn)出來的。

一般來講，氣流速度越大，顆粒的碰撞和摩擦機(jī)會(huì)越多，壓力損失就越顯著，但是，氣流速度減小時(shí)，顆粒又會(huì)產(chǎn)生停滯現(xiàn)象，加劇顆粒與管壁的摩擦，壓力損失反而增大。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)5.氣力輸送的壓損特性氣力輸送兩相流的壓損特性曲線如圖所示：

可以分為三個(gè)階段：

（1）物料與氣流的啟動(dòng)加速段：a-b段，由于物料的初始速度一般較低，而物料輸送一般速度較高，需要?dú)怏w提供較大的能量，所以這一階段，壓力損失急劇升高。

（2）物料的間斷懸浮階段：b-c段，這一階段，物料由加速運(yùn)動(dòng)向懸浮運(yùn)動(dòng)過度。顆粒逐漸處于懸浮狀態(tài)，與管壁的碰撞、摩擦減少，導(dǎo)致壓力損失有所降低。

（3）物料完全懸浮階段：c-d段，物料完全懸浮，顆粒均勻的懸浮在整個(gè)管道斷面上，相當(dāng)于單相流動(dòng)，壓力損失隨著速度的增加而增加。二、物料在管道中的運(yùn)動(dòng)5.氣力輸送的壓損特性固氣兩相流不僅與輸送風(fēng)速有關(guān)，還和物料的性質(zhì)有關(guān)。

容重大、具有尖角的不規(guī)則顆粒，壓損大；

對(duì)于容重和表面粗糙度大致相同的物料，其粒度分布越廣，壓損也越大，這是因?yàn)轭w粒大小不一致時(shí)，各顆粒之間的速度、碰撞次數(shù)、加速度等運(yùn)動(dòng)情況不一樣，導(dǎo)致碰撞幾率增加。三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)指計(jì)算物料量、輸送濃度和輸送氣流速度等。這些參數(shù)的合理選擇和確定，對(duì)氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算、是否經(jīng)濟(jì)可靠具有重要意義。

1.計(jì)算物料量

在進(jìn)行氣力輸送的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須考慮氣力輸送裝置運(yùn)行時(shí)產(chǎn)量的波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)的影響，即所設(shè)計(jì)的氣力輸送裝置能夠滿足最大輸送量。計(jì)算物料量（G算）就是在按工藝要求的平均輸送量的基礎(chǔ)上再增加一定的余量而得到的。G算=KαG（t/h）

式中：G—輸料管的實(shí)際平均產(chǎn)量，t/h；K——遠(yuǎn)景發(fā)展系數(shù)，K=1.0~1.2

α——安全系數(shù)，α=1.0~1.2。三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)安全系數(shù)α是考慮工藝、操作以及物料等因素變化可能引起輸送量變化而在實(shí)際輸送量的基礎(chǔ)上又增加了0~20%余量的一個(gè)系數(shù)。

面粉廠氣力輸送的安全系數(shù)一般在1.05~1.20之間。

面粉廠氣力輸送儲(chǔ)備系數(shù)物料名稱小麥輸送1B2B3B、4B心磨、渣磨面粉α1.1~1.21.00~1.051.10~1.151.21.15~1.201.1三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

（2）輸送濃度對(duì)氣力輸送各參數(shù)的影響

質(zhì)量濃度的大小，影響風(fēng)網(wǎng)的風(fēng)量和壓力的大小質(zhì)量濃度大，則風(fēng)量小，壓力增大，軸功率減小，設(shè)備尺寸減?。毁|(zhì)量濃度小，則風(fēng)量大，壓力減小，軸功率增大，設(shè)備尺寸增大；質(zhì)量濃度大的弊端：風(fēng)量小，產(chǎn)熱增加，物料自身的熱量也無法散失，不能選用合適的風(fēng)機(jī)曲線，風(fēng)機(jī)效率低，軸功率增加。質(zhì)量濃度小的弊端：輸送效率降低，風(fēng)機(jī)曲線不能平衡，風(fēng)機(jī)效率低。三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)（3）質(zhì)量濃度的選用：

吸運(yùn)式：質(zhì)量濃度=0.5—10（稀相）

壓送式：質(zhì)量濃度=1—10（稀相）質(zhì)量濃度是我們?cè)O(shè)計(jì)氣力輸送風(fēng)網(wǎng)時(shí)，首先要認(rèn)為確定的參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)得知：

面粉廠：麥間：2-6

粉間：0.5-4

米廠：谷、谷糙等：3-5

米糠：0.5-2

油料：0.5-4三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

3.輸送風(fēng)速

輸送風(fēng)速是氣力輸送裝置設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。選擇的風(fēng)速是否合適關(guān)系到氣力輸送系統(tǒng)物料輸送的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性能的高低。風(fēng)速過高，動(dòng)力消耗過大，動(dòng)力消耗與風(fēng)速的三次方成正比；風(fēng)速過低，對(duì)物料輸送的適應(yīng)性小，工作不穩(wěn)定，容易發(fā)生堵塞和掉料。因此，合理選擇風(fēng)速，必須根據(jù)理論研究、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及氣力輸送裝置運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合選取。應(yīng)該在保證輸送工作的前提下，盡可能地采用低風(fēng)速。通常對(duì)于粒度均勻的物料，其輸送速度可以取其懸浮速度的1.5-2倍；對(duì)粒度不均勻的物料，取其比按粒度分布比例占最多的顆粒所測(cè)定的懸浮速度大一倍；對(duì)于粉料，為了避免殘留附著于管壁和發(fā)生粘結(jié)成團(tuán)的現(xiàn)象，往往須采用比懸浮速度大5-10倍的輸送風(fēng)速。三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

3.輸送風(fēng)速表6-2輸送物料粒度系數(shù)α物料品種顆粒大小/mmα值粉狀0~110~16均質(zhì)粒狀1~1016~20細(xì)塊狀10~2020~22中塊狀40~8022~25三、氣力輸送系統(tǒng)的主要參數(shù)

3.輸送風(fēng)速根據(jù)對(duì)物料顆粒運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)定、研究、分析,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:（1）一般情況下,管道內(nèi)氣流的速度越大,則v粒/v氣的比值越大;隨著氣流速度的降低,v粒/v氣的值也隨之減小。因?yàn)闅饬魉俣葴p小,濃度比增大,v粒/v氣大致與濃度比成反比;當(dāng)氣流速度足夠大時(shí),v粒/v氣基本不受濃度比的影響,而是一個(gè)定值。（2）比較易輸送的顆粒狀物料以低濃度輸送時(shí),無論氣流速度如何變化,v粒/v氣大致為定值。（3）對(duì)于粉狀物料,其輸送狀態(tài)隨輸送氣流的變化更為顯著。氣流速度足夠大時(shí),粒子呈懸浮狀態(tài)輸送,v粒/v氣≈1;氣流速度減小時(shí),v粒/v氣不規(guī)則的變小,其輸送狀態(tài)呈疏密流或停滯流。四、氣力輸送系統(tǒng)輸料管壓損的理論計(jì)算氣力輸送管網(wǎng)的布置方向一般是三種形式：水平管、垂直管和彎管。在不同形式的輸料管中，固、氣兩相流的運(yùn)動(dòng)特征不一樣，水平管、垂直管和彎管中的運(yùn)動(dòng)特征也不一樣，根據(jù)理論分析得出相應(yīng)的壓損的計(jì)算公式，是我們?cè)O(shè)計(jì)氣力輸送風(fēng)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

1.物料在管道中的運(yùn)動(dòng)過程物料在輸料管中的運(yùn)動(dòng)過程歸納為：空氣和物料混合，由接料器進(jìn)入輸料管，兩者的初速度很小，（物料的初速度按零處理），經(jīng)過加速段后，氣流和物料分別達(dá)到最大速度。（風(fēng)機(jī)的壓力能轉(zhuǎn)化為物料的動(dòng)能）。其后物料不再加速而以某一速度在水平管作穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，稱為等速段，物料通過由水平轉(zhuǎn)鉛垂向上的彎管而減速，在垂直管中物料又得到氣流進(jìn)一步加速后趨于穩(wěn)定，又由垂直轉(zhuǎn)向水平的彎管時(shí)，物料又重新減速，水平段再加速趨于穩(wěn)定。經(jīng)卸料器卸料，氣力輸送完成。四、氣力輸送系統(tǒng)輸料管壓損的理論計(jì)算物料在輸料管中的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程有三種不