紅花懸浮與收集試驗

郭 輝,邢少康,郭偉宏,于欣東

(新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052)

0 引言

紅花(Carthamus Tinctorius L.)別名紅花草、紅花茶、刺紅花、草紅花,屬于菊科植物[1],是一種雙子葉植物,如圖1所示。

圖1 紅花

在同一植株中,紅花生長于莖中部的葉片最大,上部葉片較小,成苞片狀,圍繞頭狀花絮;葉形有卵圓形、橢圓形等[2],葉片邊緣有刺;其中子房是管狀花,長1～2cm,表面為紅黃色或者紅色,柱頭為長圓柱形,頂端微分叉,花期一般在5-7月[3]。隨著紅花產業的不斷發展,紅花花絲已經成為高檔化妝品和紡織品的原材料,但是紅花花絲的采摘和收集仍然是紅花花絲采收機械化的難題。為此,在深入分析紅花花絲懸浮特性的基礎上,開展紅花花絲的收集試驗,以期設計一種適合于各種含水率的紅花花絲收集裝置。

紅花花絲的懸浮速度是紅花本身的固有屬性,是進行花絲收集的重要參考[4-5]。因此,進行紅花花絲懸浮特性研究,對紅花花絲的懸浮試驗具有重要意義。

1 懸浮速度的測定原理

物料的懸浮速度是物料主要的空氣動力學特性之一,是設計氣力輸送裝置的一個重要基礎參數[6]。

當物料置于靜止的流體中時,在浮重F(即重力與浮力之差)作用下物料懸浮狀態的受力圖[7]如圖2所示。

圖2 物料懸浮受力分析圖

物料自由下落[8],下落速度逐漸增大,同時物料受到流體的阻力R也增大。當下降速度增加到最大值Vmax時[9],保持阻力R與浮重F相等,物料就以這一最大速度做恒定的等速沉降,此最大的恒定速度Vmax即為物料的沉降速度(也稱作沉降終速或者沉降末速)[8,10]。

當質量為m的物料處于風速為v的氣流場中時[11],物料在空氣中的浮重為F,物料所受到的空氣阻力為R。假設物料為球體[12-13],F和R計算公式為

(1)

(2)

式中ρs—物料密度(kg/m3);

d—物料直徑(m);

g—重力加速度(m/s2);

ρ—空氣的密度(kg/m3);

Cd—阻尼系數;

vt—懸浮速度(m/s)。

根據R和F的不同,物料在氣流中運動的情況不同:當F>R時,物料下落;當F

(3)

此時,氣流的速度稱為物料的懸浮速度,則

(4)

測量該物料懸浮處的氣流速度,可以得到該物料的懸浮速度vt。如果物料為球形,可得到準確的懸浮速度。

紅花絲為不規則體,投影面積不斷變化,在氣流中運動時同時發生轉動,則紅花花絲向上或向下運動,不能得到準確的懸浮位置[15-18]。因此,紅花花絲懸浮速度只能保持在一個范圍內。

2 紅花花絲的懸浮速度測定

2.1 試驗材料

試驗以“裕民”紅花5號作為研究對象,對整朵紅花花簇進行試驗,測量紅花花絲含水率的大小。由參考文獻可知,1簇成熟紅花花絲(紅花花有黃變紅)的含水率在76%左右。

2.2 試驗設備

懸浮速度試驗裝置主要由錐形管、穩壓管、收斂筒及風機等組成[19],如圖3所示。

1.錐形管 2.收斂管 3.風門 4.風機 5.穩壓管 6.風速測量位置 7.物料投放口

錐形管是由機玻璃制成的,便于觀察物料被吹時的穩壓高度;穩壓筒和收斂筒的作用是產生均勻、穩定的氣流[19-20]。紅花花絲含水率使用YHT01型水分儀測量,如圖4所示。試驗過程中,使用YFT型壓力式風速計(見圖5)對風速測量位置的全壓P和靜壓PF進行測量。

圖4 水分儀

圖5 YFT型壓力式風速計

2.3 試驗臺參數

配套動力/kW:3.192

轉速/r·min-1:1 440

錐角/(°):4

2.4 氣流速度理論計算方法

試驗時,當紅花花絲在一定范圍內上下擺動時,讀取在風速測量位置YFT型壓力式風速計的全壓和靜壓的數值大小,通過公式(5)獲得錐形管小端氣流速度,并測量在錐管中的最值Lmin和Lmax;然后,通過公式(7)獲得任意斷面的氣流速度,得到其懸浮速度范圍。錐形觀察管風速測量位置的速度取3個測點的平均值,3個測點按照圓形風管斷面等面積法求解[21,9]。測定點懸浮速度V1的計算公式為

(5)

由此得出測定點風速V1為

(6)

式中P—全壓(MPa);

PF—靜壓(MPa);

PE—動壓(MPa);

ρ—空氣密度(kg/m3)。

本文采用混合物模型作為描述氣液兩相沖壓發動機內部流場的基本模型, 混合物模型是一種簡化的多相流模型, 將每一相流體視為是連續的, 可以模擬具有不同速度的多相流動, 但是假定了在短尺度空間上的局部平衡, 通過求解混合物的質量守恒方程、 動量守恒方程和能量守恒方程及離散相的體積分數方程及代數形式的相對速度方程， 對多相流動進行建模. 穩態條件下其主要控制方程如下:

當物料被吹到與觀測點距離L處時,氣流速度Vi計算公式[22]為

Vi=[D1/(D1+2Lsinφ)]2V1

(7)

式中Vi—錐形管任意斷面的氣流速度(m/s);

D1—錐形管小端直徑(m);

L—物料在錐管中上下浮動的位置(m);

V1—錐形管小端氣流速度(m/s);

φ—錐形管的錐角(°)。

2.5 試驗方法

將紅花花絲從錐形管放入物料放置處,接通電源啟動變頻器,通過改變變頻器頻率控制懸浮試驗的氣流速度。根據紅花花絲的運動情況和氣流大小vt,當紅花花絲懸浮于某一固定范圍時,變頻器停止;再次啟動變頻器,等到風速穩定后,讀取管道風速儀的讀數[9]。通過式(5)～式(7)得到不同含水率紅花花絲的懸浮速度。

2.6 試驗結果與分析

錐形管中橫截面上各點風速不一致,加之物料的投影面積不斷變化,物料在垂直管道中上下翻滾,難以精確測量[22-23]。本試驗采取全程攝像的方式(見圖6),得到較為準確的試驗數據(見表1和圖7所示),為紅花花絲的收集提供借鑒。試驗過程中,隨著變頻器頻率的改變,懸浮試驗機的風速逐漸增大。

圖6 試驗照片

表1 含水率與懸浮速度的關系

圖7 含水率與懸浮速度的關系圖

由表1和圖7可知:紅花花絲的懸浮速度隨著紅花花絲含水率的增加而增加,紅花花絲的懸浮速度范圍為2～3.23m/s。試驗時發現:當氣流速度增加到4m/s時,錐形管內已經沒有紅花花絲。

3 紅花花絲收集裝置

3.1 紅花收集裝置的設計

為了研究紅花花絲的收集參數,根據懸浮速度參數研究結果,設計了一種紅花花絲收集裝置。該裝置由吸吹風機(型號RLD.7028C,生產廠家為永康市西城惠爾瑞電器),篩網,儲藏室,橡膠吸風管,卸花板等組成,如圖8所示。橡膠吸風管直徑為50mm,吸吹風機功率為1 000W。

3.2 收集裝置的工作原理

紅花花絲收集裝置的工作原理如下:當紅花花絲收集裝置對準被剪切下來的紅花花絲時,開關打開,在吸吹風機的作用下形成一定氣流速度大小的負壓流場,紅花花絲從橡膠吸風管口進入到儲藏室;一小部分紅花花絲運動到紗網處,由于篩網直徑小于1根紅花花絲的直徑,紅花花絲會被擋在紗網處;吸風機停止工作,紅花花絲在重力作用下自然沉降[9,24]。

1.橡膠吸風管 2.卸花板 3.儲藏室 4.紗網 5.吸風機

4 紅花花絲收集試驗

4.1 試驗儀器

試驗儀器包括往復剪切式紅花花絲采摘裝置(自制)和JM-B1003型電子天平(精度0.001g)。

4.2 試驗材料與方法

以新疆農業大學校內試驗田中采摘新鮮的成熟“裕民”紅花5號花絲作為研究對象,使用JM-B1003型電子天平測出每朵紅花花絲的質量Pa。試驗方法:將成熟新鮮紅花花絲放在1張白紙上,啟動紅花花絲收集裝置的吸吹風機,手持橡膠吸風管垂直對準紅花花絲(見圖9),利用吸吹風機的吸力把紅花花絲收集到儲藏室中,整理測量未收集的紅花花絲質量Pb。未收凈率R計算公式為

(8)

圖9 收集裝置進行紅花收集

完成所有收集試驗之后,在下方放置1個收集袋,打開卸花板,使得紅花花絲在重力的作用下從儲花室中掉落到收集袋中。

4.3 試驗結果與分析

紅花花絲收集裝置的未收凈率如表2所示。由表2可知,紅花花絲收集裝置未收凈率為0。出現這樣的結果主要的原因是本次設計的收集裝置吸風口處的風速達到了7m/s,遠遠大于紅花花絲2～3.23m/s的懸浮速度。因此,只要有紅花花絲在出風口下方,就可直接被吸入儲藏室。

表2 紅花花絲收集裝置的未收凈率

5 結論

1)通過對物料模型的分析可知:紅花花絲在錐形管中的懸浮速度只能保持在一個范圍內。

2)通過試驗發現紅花花絲在懸浮試驗機的錐形管中上下浮動,通過計算可以確定紅花花絲的懸浮速度為2～3.23m/s。

3)設計了紅花花絲采摘裝置,進行紅花花絲收集試驗,結果為收凈率100%。出現這種結果主要是由于收集裝置出風口的風速遠遠大于紅花花絲的懸浮速度所致的。