一種洗掃車氣力輸送系統理論計算方法

趙玲芳 李劍

摘要：氣力輸送系統是洗掃車最關鍵、最核心的組成部件，其系統匹配得是否合理直接影響著洗掃車的工作性能。氣力輸送系統的核心參數包括輸送風量和風壓。為此，提出一種洗掃車氣力輸送系統理論計算方法，并通過理論計算，該系統可以匹配風機參數和要求，同時為整車作業系統的匹配提供理論依據和設計參考。

關鍵詞：洗掃車；氣力輸送系統；計算方法

中圖分類號：U462? 收稿日期：2023-06-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.017

1 前言

新能源洗掃車是道路清掃常見的保潔工具，具有作業效率高、工作噪音小、碳排放污染少等優點，被越來越多地應用于城市的清掃保潔工作中。氣力輸送系統是洗掃車的主要功能部件，其機構設計技術水平的高低直接影響洗掃車的工作性能，進而影響洗掃車的發展和創新。洗掃車的氣力輸送系統主要包括離心風機、風道、垃圾箱、輸送管、吸嘴等，其結構如圖1所示[1]。

洗掃車工作時，高壓離心風機的高速運轉使垃圾箱和吸嘴內形成一定的負壓和高速氣流，在吸嘴與外界的氣壓差和高速氣流的作用下，垃圾和塵粒被氣流攜帶并通過氣力輸送系統的輸送管進入垃圾箱中，利用重力除塵的方法，在垃圾箱中完成垃圾和塵粒與氣體的分離，氣體經過過濾和消音以后直接排放到大氣中[2]。氣力輸送系統的核心參數包括輸送風量和風壓，各部件的結構形式對系統參數影響較大，進而影響風機的匹配設計。

2 氣力輸送系統設計

2.1 輸送風量

氣力輸送系統的計算風量是指輸送物料所需要的有效風量，其條件為常壓狀態下，溫度保持穩定在20 ℃，相對濕度為50%，根據下式計算得出：

式中，[Q0]為常壓狀態下溫度保持穩定在20 ℃時輸送風量，m3/h；[Ga]為輸送量，kg/h；μ為混合比；[ρ0]為常壓狀態下溫度保持穩定在20 ℃時的氣體密度，[ρ0=1.2 kg/m3]。

輸送量[Ga]的計算與確定是氣力輸送系統設計與計算的主要依據之一。通常情況下，可以使用如下公式來計算氣力輸送系統在單位時間內的最大輸送量：

式中，[α0]為裕量系數，[α0]通常在1.05～1.20之間，采用1.20；[G']為小時輸送量。

混合比μ是指在氣力輸送中，氣體中所含輸送物料的質量濃度。它的計算方式是將單位時間內所輸送物料質量與氣體質量進行比較，公式如下：

式中，[G0]為氣體質量流量，kg/h。

2.2 輸送管道直徑

計算輸送管道內徑時，通常應根據所需空氣量來計算，而無需考慮漏損系數，公式如下：

式中，D為輸送管內徑，m；Q為在特點的壓力和溫度條件下計算氣體的體積流量，m3/h；v為氣體流速，m/s。

2.3 系統壓力損失計算

氣力輸送過程中所消耗的能量主要來自于兩個方面：a.空氣的能量；b.輸送物在輸送管中運動所引起的壓力損失。這些能量耗費大，但卻是順暢輸送的必備條件。目前，在氣力輸送設計中，計算壓力損失的方式主要依賴于經驗公式，而非精確計算。輸送管中的兩相流會造成壓力損失，該損失分為以下方面：

a.物料進入損失系統時，為了讓其啟動并達到穩定速度，需要消耗一定的氣流流量，導致一定程度的壓力損失。在吸入和進料系統中，初始壓力損失如下：

式中，[?P起]為物料初始壓力損失，Pa；[ρ氣]為進料口氣體密度，[kg/m3]；[v氣]為進料口氣體流速，m/s，在垂直管近似取[v物=v氣-v懸]，在水平管近似取[v物=0.7～0.85v氣]；μ為混合比；[β0]為初始阻力系數，[β0=v物v氣2]。

b.當空氣和物料進入彎管時，其運動方向因與慣性和離心力的影響會突然發生改變。此時，彎管處就會受到強烈的撞擊和摩擦，導致物料重新在管道截面上分布和起動，而這也難免會引起很多的壓力損失。氣流速度與彎管結構、物理性質以及空間位置等因素的關系很密切，而這些因素又會直接影響壓力損失。具體來說，彎管結構的內徑、彎曲角和半徑，以及物料的物理性質都會對壓力損失產生影響。如果要計算壓力損失的大小，可以使用下面公式：

式中，[?P彎]為彎管中的壓力損失，Pa；[ξ彎]為彎管阻力系數；[K彎]為彎管阻力系數（兩相流用）。

c.在水平運輸過程中，空氣和物料的壓力損失問題主要源于以下兩個方面：a.由于運輸過程中空氣和物料沿著管壁摩擦；b.因為物料顆粒間的相互摩擦、碰撞以及保持物料顆粒處于懸浮狀態所需付出的壓損。這些摩擦和碰撞不僅使物料受到損耗，還會影響到輸送效率，通常使用以下經驗公式計算：

式中，[?P平]為氣體和物料在水平直管中的壓力損失，Pa；[?P沿]為純氣體沿著直管輸送時的壓力損失，Pa。

[K]為由試驗確定的阻力系數，與氣流速度、物料顆粒形狀大小、物理性質及管徑等有關聯，這種關系非常復雜，需要通過多次試驗和精確的數據分析才能得出可靠的結果。對缺乏試驗曲線的物料，可按下式估算：

式中，φ為經驗系數，[φ=v氣/v懸]。

d.純空氣沿等截面直管運動時的壓力損失通常稱為沿程壓力損失。壓縮空氣壓力低于100 kPa，通常稱為中低壓。中低壓輸送系統的管道內壓力減損微乎其微，而且其他密度在工作過程中亦無太大變化，實際上已趨于恒定。按以下公式計算沿程壓力損失：

式中，[P氣1]為管道始端的氣體壓力，Pa；[P氣2]為管道終端的氣體壓力，Pa；λ為氣體在直管中摩擦阻力系數，[λ=0.3164/Re0.25]，其中Re為雷諾數，對于紊流光滑管，Re=3×103，L為管道長度，m。

e.垂直輸送管中氣體和物料的壓力損失，由空氣和物料沿途的損失以及物料懸浮提升所造成的壓力損失組成，其計算方式如下：

式中，[?P垂]為物料在垂直管中的壓力損失，Pa；[?P升]為物料懸浮提升產生的壓力損失，Pa；h為垂直管中提升高度，m；g為重力加速度，m/s2；K為阻力系數；[v物]為垂直管中物料顆粒處在穩定運動時的速度，近似取[v物]=[v氣-v懸]，m/s。

3 氣力輸送系統參數及其計算

3.1 設計輸入參數

根據QC/T 957《洗掃車》[3]行業標準規定和現有產品，可知工作參數如下：

a.洗掃寬度≥車輛寬度1.3倍，取3.5 m。

b.試驗用的垃圾試樣及分布應符合下面規定：①65%的質量為沙子，粒徑≤2 mm；②35%的質量為石子，粒徑為2～8 mm；③混合平均密度為1.5～2 g/cm3；④垃圾試樣的分布平均量為200 g/m2。

c.洗掃車最大洗掃車速≥8 km/h，取8 km/h。

d.取樣寬度為實際清掃寬度的98%，取100%。

e.洗掃凈率≥95%，取100%。

f.吸嘴入口周長5 412 mm，離地高度10 mm。

g.空氣密度1.2 kg/m3。

h.單個噴嘴流量為5.28 kg/min，吸嘴數量19個，污水回收率按行業平均水平設定為65%。

查相關手冊[4-5]得輸送氣流速度v氣=40 m/s，輸送物料懸浮速度v懸=12 m/s。

3.2 參數計算

a.輸送風量計算。

根據3.1設計輸入參數可知：

實驗物質量流量[G物=6 720 kg/h]；

水質量流量[G水=3 912.35 kg/h]；

總垃圾質量流量[Ga=G物+G水=10 632.35 kg/h]；

氣體質量流量[G0=2.6 kg/h]；

混合比[μ=GaG0=1.14]；

計算風量[Q0=Gaμρ0=9 360 m3/h]。

b.輸送管直徑計算。

根據3.1可知，v氣=40 m/s，計算輸送管管徑[D=0.203 m]；

按小于計算值取標準內徑為170 mm，管道中流速為57 m/s。

c.系統壓力損失計算。

本系統壓力損失包括：起動壓損、吸嘴壓損、垂直壓損、垃圾箱壓損、彎管壓損、水平壓損，所以根據氣力輸送系統管路系統方案，可知系統總壓力損失按下式計算：

①起動壓力損失。根據公式（5）得[?P起=1 496 Pa]。

②吸嘴壓力損失。根據公式[?P吸=ξ吸ρ氣v2嘴21+μK，得?P吸=3 221 Pa]。

③垂直管壓力損失。根據式（10）、式（11）得[?P垂][=774 Pa]。

④垃圾箱壓力損失。根據公式[?P箱=ξρ氣v2氣21+μK離，?P箱=711 Pa]。

⑤彎管壓力損失。根據式（6）得[?P彎=100 Pa]。

⑥水平壓力損失。根據式（7）得[?P平=18? Pa]。

⑦總壓力損失。根據式（12）得[?P總=6 420 Pa]。

d.風機匹配計算。

風機工作壓力[P風≥1.2×?P總=7 704 Pa]，取9 900 Pa，則風機的總風量：

[ρ風=ρ0P0-P風P0=1.109 kg/m3]

[Q風=Q0ρ0ρ風=10 128 kg/m3]

根據《風機手冊》[5]選定9-26型高壓離心風機。標準風機參數與設計計算結果不匹配，需對7.1#或8#風機進行特殊設計，提供風壓。

4 結語

通過本文的理論參數計算，可以初步計算氣力輸送系統的核心參數，為后續風機選型和設計提供理論數據支撐；同時各部分壓力損失的計算結果，可為后續系統結果設計提供優化方向，同時為整車作業系統的匹配提供理論依據和設計參考。

參考文獻：

[1]單寶來.高效氣力輸送系統氣動性能與氣動噪音的優化[D].天津：天津大學，2020.

[2]王永熙.整車環境下洗掃車氣力輸送系統流場特性研究[J].專用汽車，2020（4）：82-88.

[3]QC/T 957 洗掃車[S].

[4]陳志希.粉料體氣力輸送設計手冊[M].北京：機械工業出版社出版，2001.

[5]續魁昌.風機手冊[M].北京：機械工業出版社出版，2011.

作者簡介：

趙玲芳，女，1986年生，工程師，研究方向為重型機械結構優化設計研究。