氣力輸運(yùn)系統(tǒng)直管物料垃圾輸運(yùn)規(guī)律研究*

楊 偉，魏建民，梁靜波，袁珊珊，張學(xué)民，錢(qián)華山，余芬芬

（1.天津生態(tài)城環(huán)保有限公司，天津 300467；2.機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044；3.北京超算科技有限公司，北京 100083）

1 研究現(xiàn)狀

垃圾氣力輸送系統(tǒng)是指通過(guò)預(yù)先鋪好的管道系統(tǒng)，利用負(fù)壓技術(shù)，將生活垃圾輸送到中央垃圾收集站集中處理。國(guó)外一些國(guó)家使用氣力輸運(yùn)系統(tǒng)輸送生活垃圾的普及率已經(jīng)超過(guò)20%［1］，國(guó)內(nèi)對(duì)垃圾氣力輸送系統(tǒng)的研究還不成熟，國(guó)外氣力輸送系統(tǒng)設(shè)備制造商提供的信息只在有限范圍。氣力輸送管道對(duì)垃圾輸送起著重要作用［2］。垃圾氣力輸送系統(tǒng)的主要組成部分是由直管、彎管、三通等組成的管路系統(tǒng)，流動(dòng)形式主要是有垃圾負(fù)載的圓管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)。測(cè)量試驗(yàn)方法可以快速、準(zhǔn)確地測(cè)量垃圾在氣力輸運(yùn)管道內(nèi)的輸送速度，但測(cè)量試驗(yàn)僅局限于測(cè)量點(diǎn)，無(wú)法全面描述整個(gè)輸送管道系統(tǒng)內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)和管道內(nèi)垃圾的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于固體垃圾在管道內(nèi)輸運(yùn)的理論研究尚不完善，因此仿真模型需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行校驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于垃圾在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的理論研究尚少［1，3］，故筆者嘗試采用理論計(jì)算來(lái)進(jìn)行直管內(nèi)垃圾速度的研究，發(fā)現(xiàn)本研究的理論計(jì)算方法具有計(jì)算速度快、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，綜上所述，采用理論計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合可以更加全面地研究氣力輸送系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。

2 試驗(yàn)和理論計(jì)算方法

2.1 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)試的傳感器主要包括壓力傳感器和速度傳感器2類(lèi)，通過(guò)電纜將傳感器信號(hào)輸入電腦進(jìn)行采集。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要硬件包括：反射型柱形光電開(kāi)關(guān)、壓力變送器、差壓變送器、PLC控制器、模擬量輸入模塊、無(wú)線傳輸模塊、鋰電池、便攜式控制箱、筆記本電腦、信號(hào)電纜。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用2套軟件分別為Step7及博圖Wincc（256點(diǎn)）。Step7主要完成下位機(jī)程序編制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通訊、定時(shí)通訊等功能，如圖1；Wincc主要完成上位機(jī)試驗(yàn)工藝組態(tài)，具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打印等功能，如圖2。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下位機(jī)軟件界面示意

圖2 風(fēng)機(jī)前后壓力測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面示意

2.2 直管內(nèi)物料包速度理論計(jì)算方法

物料包在管道中所受的力主要為：氣動(dòng)推力、重力、浮力［3］等，物料包對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為：

式中：ρ為空氣密度；μ為空氣粘度；dp為物料包的直徑，v為風(fēng)速，vp為物料包的速度。

其中氣動(dòng)推力FD的表達(dá)式為：

式中：A為物料包的迎風(fēng)面積，當(dāng)Rep＞250000時(shí)，系數(shù)CD=0.1。

物料包在管道中不斷經(jīng)歷著加速和減速過(guò)程，物料包的加速主要依靠氣動(dòng)推力（FD）來(lái)推動(dòng)，物料包在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)和管道碰撞和摩擦從而損失能量，降低速度。當(dāng)不考慮阻力的影響時(shí)，F(xiàn)D計(jì)算公式如下：

式中：m為質(zhì)量；a為物料包的加速度。

當(dāng)物料包在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，vt計(jì)算公式如下：

式中：vt為管道出口物料包速度；v0為管道進(jìn)口物料包速度；l為管道長(zhǎng)度。

如表1，通過(guò)大量的仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)luent在物料包貼近管道壁面時(shí)不能把碰撞和摩擦分別做處理，造成仿真中在重力作用下垃圾包離管壁很近時(shí)頻繁碰撞能量損失過(guò)大，當(dāng)管道較長(zhǎng)時(shí)，物料包能量幾乎全部損失，垃圾包速度減為0，這與實(shí)際物理現(xiàn)象不符，因此直管部分采用理論計(jì)算。

表1 2種不同工況下直管出口Fluent計(jì)算值和試驗(yàn)值

3 試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比討論

按照上述的理論計(jì)算方法編成計(jì)算程序，輸入2條管線a、b的不同管道風(fēng)速、物料包直管進(jìn)口速度和物料包參數(shù)（管線a的物料包體積有2.5、5、7、12 L，管線b的物料包體積有2.5、5，2管線的物料包密度有 400、600、800、1 000、1 200、1 600 kg/m3），物料包直管進(jìn)口速度采用試驗(yàn)值，通過(guò)Matlab軟件計(jì)算了2條管線a、b的177組不同工況下物料包出口速度理論值，限于篇幅，在表2～3中列舉了2條管線直管計(jì)算的部分結(jié)果。

表2 管線a 12 L物料包直管（160.1 m）試驗(yàn)速度值與理論值比較（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

表3 管線b 2.5L物料包直管（19.2 m）試驗(yàn)速度值與理論值比較（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

續(xù)表3

如表4所示，綜合所有結(jié)果，直管出口物料包速度理論計(jì)算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差中只有14組工況相對(duì)誤差超過(guò)±25%，92.09%的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比精度在75%以上，長(zhǎng)度為160.1 m的直管出口的物料包速度理論計(jì)算和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差平均值為-0.27%，長(zhǎng)度為19.2 m的直管出口的物料包速度理論計(jì)算和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差平均值為-11.29%，對(duì)應(yīng)的修正系數(shù)為1.13，說(shuō)明理論計(jì)算結(jié)果可靠，所以通過(guò)理論計(jì)算獲得物料包在直管中的速度變化是可行的。

表4 177組不同工況物料包速度理論計(jì)算和試驗(yàn)值比較統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由于物料包形狀不規(guī)則，當(dāng)量半徑存在偏差，試驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)也存在誤差，物料包實(shí)際運(yùn)動(dòng)的路程和時(shí)間更長(zhǎng)，導(dǎo)致理論計(jì)算值和試驗(yàn)值相比出現(xiàn)偏差。綜合結(jié)果實(shí)際中對(duì)直管出口速度可采用修正系數(shù)1.13。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)垃圾氣力輸運(yùn)系統(tǒng)直管中的物料包速度進(jìn)行了分析研究，對(duì)直管采用Matlab軟件進(jìn)行理論計(jì)算，與試驗(yàn)中177組不同工況的對(duì)比中只有14組工況相對(duì)誤差超過(guò)25%，92.09%的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比精度在75%以上，長(zhǎng)度為160.1 m的直管出口的物料包速度理論計(jì)算和試驗(yàn)值的平均誤差為-0.27%，長(zhǎng)度為19.2 m的直管出口的物料包速度理論計(jì)算和試驗(yàn)值的平均誤差為-11.29%，說(shuō)明理論計(jì)算結(jié)果可靠，所以決定通過(guò)理論計(jì)算獲得物料包在直管中的速度變化。綜合2種直管的相對(duì)誤差平均值，實(shí)際中對(duì)理論計(jì)算獲得的直管出口速度可采用修正系數(shù)1.13。

［1］ 尤學(xué)一，張杰，趙珅.垃圾氣力管道輸運(yùn)模擬［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（6）：110-113.

［2］ 施至理.上海世博園垃圾氣力輸送管道壓力損失及阻力分析［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2011，19（2）：1-3.

［3］ 謝灼利，黎明，張政.水平管氣力輸送的數(shù)值模擬研究［J］.高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2006，20（3）：331-337.