基于軟翅的水平管氣力輸送系統實驗研究

晏　飛　唐文獻　張　建　蘇世杰　朱　瑞　劉高齡

1.江蘇科技大學,鎮江,212003　　2.上海通用五菱汽車股份有限公司,柳州,545007

基于軟翅的水平管氣力輸送系統實驗研究

晏飛1唐文獻1張建1蘇世杰1朱瑞1劉高齡2

1.江蘇科技大學,鎮江,2120032.上海通用五菱汽車股份有限公司,柳州,545007

在水平管氣力輸送系統物料入口上游處安裝不同長度自由擺動的軟翅，通過軟翅的振動增大粒子的懸浮力，使氣力輸送系統的能量充分地用于粒子加速，使得系統能在低速狀態下安全穩定地運行，從而達到節能的目的。采用PIV技術分析粒子垂直方向的速度分量和粒子的可視化圖像，以掌握軟翅對粒子的懸浮作用規律；通過實驗測量系統的壓力損失、最小輸送速度并計算能量損失系數，以驗證軟翅的節能效果。

懸浮力；壓力損失；最小輸送速度；能量消耗；氣力輸送系統

0　引言

氣力輸送作為各種散裝物料的一種連續輸送方式，越來越多地應用于工業生產中,另外,在郵局、銀行、商店、旅館、圖書館等搬運頻繁的場合，對信件、票據、賬冊、圖書、藥劑等也采用了氣力輸送技術。氣力輸送系統運行的能耗比較大，因此，優化氣力輸送系統的設計及提高其運行性能以達到節能降耗的目的，具有十分深遠的現實意義。

在過去的20多年里,人們設計了多種節能裝置，通過減小輸送氣流速度來實現既節能降耗又防止粒子堵管的目的。Watanabe[1]在濃相氣力輸送中使用螺旋管作為輸送管道，輸送氣流進入螺旋管道后變成旋轉流，使得輸送速度低于傳統氣力輸送速度的情況下，管道也不會堵塞,系統依然能夠安全運行。Li等[2]也設計了一種旋轉流裝置應用在氣力輸送系統中，降低了能量損耗,固料在入口處因旋轉流而得到加速，以至于系統即使在低速輸送過程中也能安全穩定地運行。Ueda等[3]開發了一種固料噴射裝置,該裝置可使輸送管道下游產生螺旋流,目前已經成功地應用到稀相氣力輸送系統中。Wood等[4]將旋轉流應用到彎管氣力輸送系統中，并成功地改善了管壁磨損的問題。Tomita等[5]通過實驗發現采用連續柱塞流可以得到比懸浮流更小的能量損失。Rinoshika等[6]設計了沙丘模型并安裝在氣力輸送系統固體粒子入口附近輸送管道底部,成功地降低了系統的壓力損失和最小輸送速度(氣力輸送系統能安全運行且管道不被堵塞的臨界氣體速度)，明顯減小了氣力輸送系統的能量損失。

研究表明[6-9],氣力輸送過程中氣體的大部分動能被分配在加速區對粒子進行加速，而很少一部分動能被用于補充粒子運動過程中由于粒子之間的碰撞或摩擦所損失的能量，所以，盡管粒子有足夠的能量得到水平加速，但是作用于粒子的懸浮力非常小，以至于粒子在重力的作用下容易沉積，導致比較大的壓力損失和壓力脈動[10],尤其是在低速輸送過程中很容易發生粒子堵管現象。為了更有效地輸送粒子，本文認為，開發一種在加速區可以讓粒子更容易得到懸浮力的方法是非常重要的,這也是水平管氣力輸送技術達到節能降耗目的最有效的途徑。

筆者在氣力輸送系統物料入口上游250mm處水平安裝可以垂直自由擺動的軟翅，試圖通過軟翅的振動造成氣流振蕩來增加粒子所受的懸浮力，使粒子難以沉降促使系統的能量更充分地用于對粒子進行加速，從而使氣力輸送的壓力損失和最小輸送速度得到降低，達到節能降耗的目的。

1　實驗裝置

本文以正壓水平管氣力輸送系統作為研究對象,如圖1所示，輸送管長度L=5 m,內徑D=80 mm,系統主要包括鼓風機2臺，壓力傳感器2個，空氣流量計1個。輸送的固相物料選用平均粒徑dp為2.3 mm、3.3 mm的兩種聚乙烯顆粒，具體參數如表1所示。平均輸送速度va為10～17 m/s,物料的質量流量Gs控制在0.20～0.45 kg/s范圍內。

圖1　實驗裝置示意圖

形狀平均直徑dp(mm)密度(kg/m3)終端速度vp(m/s)圓柱狀2.39787.5扁平狀3.39528.6

氣力輸送系統節能降耗實驗的節能裝置是3組軟翅,材料為聚乙烯,每組軟翅由4枚軟翅(圖2a)組成,每枚軟翅寬度為20 mm,厚度為1.5 mm；3組軟翅的長度分別為200 mm、250 mm和300 mm,分別被命名為SF200、SF250和SF300,其中SF250和SF300軟翅在振動過程中可以接觸粒子。軟翅頭部通過細鐵棒被水平固定于輸送管粒子入口上游250 mm處(圖1)，軟翅安裝模型示意圖見圖2b。

(a) 軟翅實物圖

(b)安裝模型圖2　軟翅實物及其安裝模型

2　軟翅節能機理

為了說明軟翅對粒子的懸浮作用,本文對輸送管道物料入口附近(距離物料入口300 mm處,如圖1所示)的粒子運動利用高速攝像機攝像并采用粒子速度測試(particle image velocimetry,PIV)技術進行可視化分析。

2.1軟翅對粒子的懸浮作用機理

(a)無軟翅

(b)有軟翅SF300圖3　無軟翅和有軟翅SF300時垂直方向的粒子速度(vp/va)等高線分布圖(dp=2.3 mm,Gs=0.45 kg/s)

圖3是采用PIV技術測得的粒子入口附近(距離粒子入口300 mm處),無軟翅(va=13.5 m/s)和有軟翅SF300(va=11.8 m/s)情況下粒子的豎直方向速度(vp/va)等高線分布圖(本文定義豎直向上的速度為正值),圖3中,x表示高速攝像機所拍攝區域長度,y表示相對于輸送管道底部(y=0)粒子的位置。由圖3可知,盡管有軟翅SF300時的輸送速度(va=11.8 m/s)比無軟翅時的輸送速度(va=13.5 m/s)小,但是在輸送管管底附近(y/D<0.2)粒子豎直方向的速度(圖3b)依然比無軟翅時粒子豎直方向的速度(圖3a)小。這說明安裝自由振動的軟翅可使粒子易于懸浮而難以沉降,減小或避免了因粒子間的摩擦和碰撞而導致的能量損失,系統的能量可更充分地用于粒子加速,所以軟翅對粒子的懸浮作用可保證系統在盡可能小的輸送速度下安全運行。

2.2粒子分布可視化分析

以各種情況下的最小輸送速度來輸送粒子,采用高速攝像機采集此時無軟翅以及分別有軟翅SF200、SF250和SF300時的粒子運動圖像并進行可視化分析。無軟翅時(圖4a)，雖然有最大的輸送速度(va=13.5 m/s),但是在輸送管底部存在粒子鏈滑行現象，隨著輸送速度的降低容易造成粒子沉積甚至可能導致輸送管道被堵塞。

與無軟翅相比,盡管有軟翅SF200時的輸送速度(va=12.6 m/s)較小,可是從粒子可視化圖像來看，粒子沉積現象消失并且粒子都處于懸浮狀態(圖4b),這是因為被軟翅激起的氣流使輸送速度產生垂直方向的分量,使得粒子容易懸浮,避免在管道底部沉積。

與有軟翅SF200相比,盡管有軟翅SF250和SF300時有更小的輸送速度(va分別為12.1 m/s和11.8 m/s),但隨著軟翅長度的增大,管底部的粒子濃度減小,并且有軟翅SF300時的粒子流態處于類似完全懸浮的狀態,如圖4c、圖4d所示。經分析,有以下兩個原因導致這樣的結果:一是長軟翅能激起更加劇烈的氣流振蕩；二是長軟翅振動的時候，軟翅尾部和粒子發生碰撞，使粒子更容易分散，不會因為粒子的聚集而沉積。

(a)無軟翅(va=13.5 m/s)

(b)有軟翅SF200(va=12.6 m/s)

(c)有軟翅SF250(va=12.1 m/s)

(d)有軟翅SF300(va=11.8 m/s)圖4　粒子出口附近粒子流態

3　軟翅節能效果實驗研究

3.1壓力損失及最小輸送速度測量

為了測量系統的壓力損失,在輸送管道入口和出口處分別安裝壓力傳感器1、2(其壓力值分別記為p1和p2),測量并比較氣力輸送系統在安裝軟翅和未安裝軟翅情況下的壓力損失。氣力輸送系統的總壓力損失為Δp=p1-p2。與此同時,通過使用輸送管上游的孔板流量計來測量平均輸送速度va。

圖5　小粒子(dp=2.3 mm)在不同粒子流量情況下的壓力損失

圖5所示為有不同長度軟翅和無軟翅、Gs分別為0.25 kg/s和0.45 kg/s條件下測量得到的壓力損失隨輸送速度的變化趨勢,圖中,空心點對應Gs=0.25 kg/s工況,實心點對應Gs=0.45 kg/s工況。在高速輸送區(va>13.5 m/s),與傳統(無軟翅)的氣力輸送系統相比,有軟翅的系統的壓力損失較大,并且不同長度的軟翅對應的壓力損失的趨勢幾乎相同,這說明系統在進行高速輸送時軟翅的長度已不是影響水平管流場分布的主要因素。然而,在低速輸送區(va<13.5 m/s),與傳統(無軟翅)的氣力輸送系統相比,有軟翅的系統的壓力損失減小,系統的最小輸送速度明顯減小,而且隨著軟翅長度的增大和粒子流量的減小，壓力損失Δp和最小輸送速度的減小量明顯變大。這是因為輸送管道入口的氣流由于軟翅的振動而振蕩,與無軟翅系統相比減小了粒子垂直向下的速度(圖3),使得粒子不易沉降而容易懸浮。在3種長度的軟翅中，長度最長的SF300軟翅呈現出最小的壓力損失和最小的最小輸送速度,對于小流量情況(Gs=0.25 kg/s),有軟翅SF300的系統壓力損失和最小輸送速度的減小量分別為13.6%和14.8%,而大流量情況(Gs=0.45 kg/s)下，有軟翅SF300的系統壓力損失和最小輸送速度的減小量分別為4.23%和10%。

圖6　大粒子(dp=3.3 mm)在不同粒子流量情況下的壓力損失

為了驗證軟翅對輸送不同直徑物料粒子的節能效果,本文選用直徑相對較大的粒子(dp=3.3 mm)作為實驗輸送物料,在粒子流量Gs分別為0.20 kg/s和0.40 kg/s的情況下分別測量了壓力損失,如圖6所示,圖中,空心點對應Gs=0.20 kg/s工況,實心點對應Gs=0.40 kg/s工況。實驗發現壓力損失Δp沒有減小,僅僅最小輸送速度得到減小,且長度最長的軟翅SF300的最小輸送速度最小,對于流量Gs為0.20 kg/s和0.40 kg/s,其最小速度的減小量分別為12.8%和6.2%。這是因為大粒子的終端速度vp(表1)較大,與小粒子相比需要較大的懸浮力才能懸浮起來。

3.2能量消耗

為了說明軟翅的節能效果，本文針對不同粒徑(dp分別為2.3 mm和3.3 mm)的兩種粒子在各種情況(不同長度軟翅和無軟翅)下,計算了不同粒子流量時的能量損耗系數E以評價氣力輸送系統的能量消耗,計算公式[2]如下:

式中,Δp為壓力損失,kPa;Qa為空氣流量,kg/s;g為重力加速度,9.8 m/s2;L為水平管長度,m。

圖7　小粒子(dp=2.3 mm)在不同粒子流量情況下的能量消耗

如圖7所示(圖中，空心點對應Gs=0.25 kg/s工況,實心點對應Gs=0.45 kg/s工況),對于小粒子(dp=2.3 mm),在高速輸送區(va>13.5 m/s),有軟翅的系統的能量損耗系數E比無軟翅系統的能量損耗系數E大，且不同長度的軟翅對應的能量損耗系數幾乎一樣大。然而在低速輸送區(va<13.5 m/s),有軟翅的系統的能量損耗系數比無軟翅的系統的能量損耗系數小，并且隨著軟翅長度的增大能量損耗系數逐漸減小,有軟翅SF300的系統的能量損耗系數最小，這是因為軟翅對粒子有懸浮作用，致使粒子容易懸浮，使系統的能量能更充分地用于粒子加速，這也是軟翅能使系統節能的首要原因。與傳統氣力輸送系統相比，當粒子流量Gs分別為0.25和0.45 kg/s時,有軟翅SF300的系統的能量損耗系數分別減小25.5%和13%。

如圖8所示(圖中，空心點對應Gs=0.20 kg/s工況,實心點對應Gs=0.40 kg/s工況),對于大粒子(dp=3.3 mm),當氣力輸送系統以小流量(Gs=0.20 kg/s)輸送粒子時,與傳統氣力輸送系統(無軟翅)相比,除了長度比較短的軟翅SF200外，有軟翅SF250和SF300的系統能量損耗系數E較小，其中有軟翅SF300的系統能量損耗系數減小15.8%。輸送大粒子時，由于粒子終端速度的影響，軟翅的節能效果明顯低于輸送小粒子的情況。實驗發現,只有長度較長的軟翅才有節能效果，這是因為較長的軟翅不但可以通過振動使粒子得到懸浮力，同時可直接碰撞粒子使粒子更加分散，以至于粒子難以聚集，避免了部分粒子之間的摩擦導致的能量損失。由于大粒子擁有較大的終端速度(表1),所以大流量(Gs=0.40 kg/s)時的能量損失沒有降低。

圖8　大粒子(dp=3.3 mm)在不同粒子流量情況下的能量消耗

4　結論

(1)通過分析粒子垂直方向的速度發現，有軟翅的氣力輸送系統輸送管道底部的粒子垂直向下的速度比傳統(無軟翅)氣力輸送系統的粒子垂直向下的速度小，定量地證明了軟翅對粒子的懸浮作用。

(2)通過粒子流態可視化圖像分析發現，在加速區，有軟翅的氣力輸送系統輸送管道底部的粒子濃度比傳統氣力輸送系統輸送管道底部的粒子濃度小，進一步證明了軟翅對粒子的懸浮作用。

(3)實驗證明，使用軟翅降低了氣力輸送系統的壓力損失和最小輸送速度，減小了系統的能量消耗，與傳統氣力輸送系統相比，最小輸送速度和能量消耗的減小量分別為14.8%和25.5%。

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(編輯蘇衛國)

Experimental Study on Horizontal Pneumatic Conveying System with Soft Fins

Yan Fei1Tang Wenxian1Zhang Jian1Su Shijie1Zhu Rui1Liu Gaoling2

1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu,212003 2.SAIC GM Wuling Automobile Co., Ltd.,Liuzhou,Guangxi,545007

To save energy and improve the operation performance,a new pneumatic conveying system was proposed herein,where soft fins of free oscillation were mounted in a horizontal plane through the pipe axis in the front of inlet.The particles had larger suspension force because of fin’s oscillation,then the energy was used to accelerate the particles as far as possible,so that the pneumatic conveying system can safely work in lower air velocity.In order to analyze suspension action of the soft fin,PIV(particle image velocimetry) technology was used to measure the vertical component of particle velocity and particle visualization images.And then energy-saving effects of fin were verified from the pressure drops,minimum and critical velocities and power consumption.

suspension force;pressure drop;minimum and critical velocity;power consumption;pneumatic conveying system

2014-05-26

江蘇省青年自然科學基金資助項目(BK20140512)

TH48< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.007

晏飛,男,1980年生。江蘇科技大學機械工程學院講師、博士。研究方向為氣固二相流及流體可視化技術。唐文獻，男，1962年生。江蘇科技大學機械工程學院院長、教授。張建，男，1984年生。江蘇科技大學機械工程學院講師、博士。蘇世杰，男，1981年生。江蘇科技大學機械工程學院副教授、博士。朱瑞(通信作者),女,1982年生。江蘇科技大學環境與化學工程學院講師、博士。劉高齡,男,1982年生。上海通用五菱汽車股份有限公司技術中心工程師。