粉罐半掛車卸料過程流化床的研究

朱學(xué)平 胡亞貞

航空工業(yè)安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽 236000

1 前言

粉粒物料運輸半掛車（簡稱粉罐半掛車）使用方便，運輸效率高，成本低，是實現(xiàn)中短途散裝水泥、粉煤灰等物料運輸?shù)妮^好工具。粉罐半掛車的流化床是使物料變成流體、具有流動特性過程的必要部件，是完成氣卸式粉罐半掛車卸料的核心。某型臥式粉罐半掛車如圖1所示。

圖1 某型臥式粉罐半掛車

2 流化床理論

氣力輸送是利用氣流的能量在管道中輸送粉粒物料的一種輸送方式。在管道中的氣流遇到物料的阻礙時，其動壓將轉(zhuǎn)化為靜壓，推動物料在管道內(nèi)輸送。粉罐半掛車的卸料過程為壓送式氣力輸送，又稱正壓氣力輸送系統(tǒng)。

2.1 粉粒體性質(zhì)

在氣力輸送中，通常按粉粒體顆粒大小分為兩類：顆粒直徑小于1 mm的物料稱為粉料；顆粒直徑大于1 mm，而小于10 mm的物料稱為粒料[1]。

2.1.1 臨界流態(tài)化速度

臨界流態(tài)化速度vf即使粉粒物料產(chǎn)生流態(tài)化現(xiàn)象的最小速度。按下式計算[2]。

式中，ds為 粉粒料顆粒直徑，ρs為 粉粒料的真密度，ρg為氣體密度，η為氣體的動力粘度。

2.1.2 懸浮速度（又稱帶出氣流速度）

如果氣流的上升速度等于物料顆粒本身固有的向下沉降速度時，物料就會懸浮在空氣氣流中，此時的氣流速度稱為物料的懸浮速度vt，按下式計算[3]。

式中，g為重力加速度。

2.2 流態(tài)化

流態(tài)化是指空氣自下而上通過粉粒體時，隨著流速的增加，顆粒互相分離，繼而顯示出流動的性質(zhì)。在更高的空氣流速下，粉粒體顆粒被攪動得更加激烈且顆粒運動變得更活躍，但顆粒尚未被氣體夾帶飛濺。這種類似沸騰狀態(tài)的床層，具有一般流體的流動特性，稱之流態(tài)化，或簡稱流化、假液化。流化床狀態(tài)形式如圖2所示。

圖2 流化床狀態(tài)形式[3]

a. 固定床。當(dāng)氣流速度較小時，氣體只是從粉料顆粒之間的空隙穿過，粉料顆粒靜止不動，稱為固定床。固定床的特點是粉粒體的空隙率不變，床層保持原有的高度。

b. 臨界流化床。氣流速度等于臨界流化速度的流化床。

c. 散式流化床和聚式流化床。當(dāng)氣流速度大于臨界流化速度vf而小于懸浮速度vt時的流化床稱為散式流化床或聚式流化床。

d. 稀相流化床。當(dāng)氣流速度大于懸浮速度，粉料顆粒開始進(jìn)入床層上方空間，顆粒濃度急劇降低，形成稀相流化床。

2.3 散式、聚式流態(tài)化的判據(jù)[4]

根據(jù)劉得金提出的流態(tài)化判別準(zhǔn)數(shù)：

當(dāng)0≤Dn≤104時為散式流態(tài)化，Dn≥106為聚式流態(tài)化。相代表顆粒和流體性質(zhì)的影響，可以由Wen-Yu方程式計算：

對于小顆

2.4 粉罐半掛車流化床

臥式粉罐半掛車的流化床現(xiàn)多采用流化帶的結(jié)構(gòu)，流化帶單側(cè)透氣，罐體從前到后鋪設(shè)多根流化帶，流化床面積大。流化床面積的大小與流化床結(jié)構(gòu)形式、罐體形式和尺寸、所裝粉料性質(zhì)有關(guān)，其中起主要作用的是粉料的臨界流態(tài)化速度，故流化床面積A應(yīng)滿足下式：

式中， Q為氣源的體積流量。

同理，實際工況下的流化床的氣體流化速度：

3 物理模型及數(shù)值計算結(jié)果

3.1 物理模型及邊界條件

粉罐半掛車的物理模型為單倉粉罐半掛車，罐體為“V”型結(jié)構(gòu)，國外又稱“banana”結(jié)構(gòu)（如圖3），罐體由封頭、直角斜錐筒體組成，無側(cè)滑板及前后滑板結(jié)構(gòu)，采用下出料方式卸料，整車的物理模型參數(shù)如表1所示。

由于粉罐半掛車罐體左右兩側(cè)為對稱結(jié)構(gòu)，可簡化二維縱向截面作為粉罐半掛車在卸料過程的計算區(qū)域（如圖4）。操作條件：罐內(nèi)壓力為2×105Pa（表壓），溫度100℃。數(shù)值模擬所涉及到的氣-固物性參數(shù)如表2所示。

對上述模型計算區(qū)域使用Ansys ICEM劃分不大于5 mm×5 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點數(shù)為988 020個，應(yīng)用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT，結(jié)合邊界條件，對控制方程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解，初始計算時間步長為0.001 s，隨著計算模型的穩(wěn)定逐漸加大計算時間步長，計算模擬卸料過程時間為200 s。

圖3 粉罐半掛車物理模型

圖4 模型計算區(qū)域及邊界條件

表 1 物理模型參數(shù)

表2 數(shù)值計算的基本依據(jù)[2][3]

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 水泥固體含量的變化

圖5為單倉臥式粉罐半掛車在工作壓力為0.2 MPa工況下的卸料過程罐內(nèi)瞬時水泥顆粒體積分?jǐn)?shù)的動態(tài)示意圖。從圖5可以看出，在初始狀態(tài)（t=0)時，罐內(nèi)下層為水泥固體顆粒，占罐體總體積分?jǐn)?shù)的90%，上層為空氣。在卸料過程初始階段，床層無明顯抬高現(xiàn)象，屬臨界流化床。隨著卸料時間的延續(xù)，水泥顆粒固體含量的床層不斷降低，在t=195 s時，罐內(nèi)物料完全卸完，實現(xiàn)物料的零殘余。

3.2.2 卸料過程中流化床內(nèi)的流動

圖6、7給出了t=60 s時氣體及水泥顆粒在罐內(nèi)流動的速度云圖，從圖中可以看出，在水泥顆粒速度變化的區(qū)域與空氣速度的變化區(qū)域基本一致，在卸料口附近，氣體及水泥顆粒的速度較大；在床層上沿的氣體及水泥顆粒速度較小。由于流化速度小，出口處的速度大引起了罐體流場速度的非均勻性。

圖5 卸料過程罐內(nèi)瞬時水泥顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化

圖6 t=60時罐內(nèi)氣體流場速度

圖7 t=60時罐內(nèi)水泥顆粒流場速度

3.2.3 卸料速度

圖8為卸料過程出料口水泥顆粒、氣體最大速度變速的曲線圖。其中紅色圓點曲線為單倉臥式粉罐半掛車卸料過程出料口水泥顆粒速度的變化曲線，卸料過程出口處水泥顆粒的最大速度呈波動流態(tài)，水泥顆粒的最大卸料速度平均值為3.92 m/s；綠色菱形曲線為單倉臥式粉罐半掛車卸料過程出料口氣體速度的變化曲線，卸料過程出口處水泥顆粒的最大速度呈波動流態(tài)，變化幅度基本與水泥顆粒的速度變化幅度一致，氣體最大速度的平均值為42.34 m/s。可以看出，出口處氣體的速度遠(yuǎn)大于水泥顆粒的速度。

圖8 卸料過程出口的氣體、水泥顆粒的最大速度

4 卸料性能的試驗

4.1 卸料試驗步驟

a. 將裝滿水泥的的粉罐半掛車按如下操作方法向物料塔內(nèi)卸水泥，并用秒表記錄卸料時間。

（1）打開前后封頭處附近的2個進(jìn)氣閥，其他閥門關(guān)閉，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速緩升至900 rad/min。

（2）當(dāng)壓力升至0.2 MPa時，打開二次助吹閥,再打開蝶閥，進(jìn)行卸料。

（3）當(dāng)壓力降至0.08 MPa時，關(guān)閉柴油機(jī)，打開卸壓閥，卸料結(jié)束。

（4）特殊情況下，還有余料時，按上述步驟再充氣至0.16 MPa，進(jìn)行前、后部分單獨卸料。

b. 卸下水平輸送管。

c. 打開進(jìn)料口，收集剩余在罐體內(nèi)的水泥。

d. 在磅秤上測量剩余在罐內(nèi)的水泥。

4.2 卸料性能

額定功率條件下的卸料性能參數(shù)如表3所示。經(jīng)過試驗，卸料速度的平均速度為1.55 t/min，剩余率為0.02%；卸料性能高于QC/T 560-2010《散裝水泥車技術(shù)條件及性能試驗方法》[9]的要求（在垂直高度15 m，水平距離5 m，工作壓力為0.2 MPa的條件下，平均卸料速度應(yīng)不低于1.2 t/min，剩余率應(yīng)不大于0.3%）。

表3 額定功率條件下的卸料性能參數(shù)表

5 結(jié)語

基于流化床理論，采用歐拉雙流體模型分析了以水泥為運輸介質(zhì)的臥式粉罐半掛車的卸料性能，并進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明：

a.由公式(1)、(2)可計算出水泥的臨界流化速度為0.009 m/s，懸浮速度為0.583 m/s，同時根據(jù)公式(6)計算出臥式粉罐半掛車的流化床流化速度接近臨界流化速度；通過數(shù)值模擬水泥固體含量的變化可以看出流化過程床層升高不明顯，同時根據(jù)工程實踐可知，臥式粉罐半掛車的理想流化床為臨界流化床。

b.由公式(3)可計算出水泥的流態(tài)化判別準(zhǔn)數(shù)Dn=1 918 350，結(jié)合數(shù)值模擬的氣、固速度流場云圖可知，臥式粉罐半掛車的流化床屬聚式流態(tài)化。氣固速度流場的非穩(wěn)定性導(dǎo)致了出料口氣體、顆粒速度的非勻速化。

c.粉罐半掛車采用下出料結(jié)構(gòu)，理論上可實現(xiàn)物料的零殘余，但流化床的帆布縫隙間會夾雜部分粉粒顆粒以及罐體內(nèi)壁粘附有粉粒顆粒，使得罐內(nèi)稍有殘余。

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