遠(yuǎn)距離高壓輸送木片裝置壓力損失計(jì)算方法的研究

蔡漢忠，歐陽(yáng)富

(北華大學(xué)林學(xué)院，吉林，132013)

0 前言

氣力輸送是氣固兩相流的管道輸送，使用范圍不斷擴(kuò)大，發(fā)展異常迅速，木材工業(yè)絕大部分氣力輸送為低壓 (0.00～0.05MPa)和稀相流 (質(zhì)量混合比μ＜10)的管道輸送。而今要設(shè)計(jì)一臺(tái)遠(yuǎn)距離高壓輸送木片的氣力輸送系統(tǒng) (其壓力P在0.1～0.7MPa范圍內(nèi))，采用新的當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算方法時(shí)已含蓋水平直管段、垂直提升管段和所有彎頭管道的壓力損失，根據(jù)連續(xù)方程的質(zhì)量守恒和等溫狀態(tài)方程氣體壓力與密度成正比的原理，就可求出高壓管道的壓力損失。當(dāng)然高壓氣力輸送能耗大，管道磨損相應(yīng)增大。但高壓氣力輸送的特點(diǎn)是物料占的比重較大，在一些特殊情況下，遠(yuǎn)距離輸送還是可以采用的。另外傳統(tǒng)的當(dāng)量孔口法，查線圖的當(dāng)量孔口面積的誤差約 (8% ～12%)，計(jì)算準(zhǔn)確性是打折扣的。對(duì)于高壓差輸送木片，系統(tǒng)中壓力變化大，空氣密度變化明顯，引起氣體的膨脹，沿著氣體前進(jìn)方向速度越來(lái)越大，所以應(yīng)按可壓縮流體處理。但工程上應(yīng)用氣流速度還不是很大，可以充分進(jìn)行熱交換，可以用等溫過(guò)程附加阻力或附加壓損的原理來(lái)處理計(jì)算問(wèn)題。計(jì)算該問(wèn)題需要42個(gè)公式，而且計(jì)算特別復(fù)雜［2］。改用當(dāng)量長(zhǎng)度計(jì)算后可以減少公式28個(gè)。從而給計(jì)算帶來(lái)方便快捷的效果。

如圖1所示提供了高壓輸送木片的簡(jiǎn)圖，其中A為羅茨鼓風(fēng)機(jī)，B為旋轉(zhuǎn)供料器，B為管道物料運(yùn)輸?shù)钠瘘c(diǎn)，C為管道物料輸送的終點(diǎn)，AB管長(zhǎng)4m，水平距離Lx1=520 m，傾斜管長(zhǎng)L=22m，上水平管長(zhǎng)Lx2=6m，C離上水平管距離為1 m，L與水平線成60°角。

設(shè)計(jì)時(shí)要求這臺(tái)氣力輸送裝置每小時(shí)輸送木片10t，木片的規(guī)格尺寸35×30×6mm，所運(yùn)送木片的密度ρ=550kg/m3，管道內(nèi)的固氣質(zhì)量混合比μ=2。下面就設(shè)計(jì)計(jì)算程序進(jìn)行討論。

1 按低濃度、懸浮稀相流的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行計(jì)算

(1)確定質(zhì)量混合比μ(且μ=2)和實(shí)際混合比 μ0。

式中:Mp為木片質(zhì)量，Mp=10×1000=10000kg;MC為空氣質(zhì)量，MC=5000kg。

圖1 高壓輸送木片簡(jiǎn)圖Fig.1Diagramof woodchipstransportinginhighpressure

(2)確定實(shí)際混合比μ0。

(3)確定輸送空氣的體積流量QC，還必須考慮固氣速度比φ==0.65。

(4)確定公式(3)中的氣流輸送速度VC，且有φ==0.65。

水平直管段內(nèi)所要求的最小氣流速度［1］。

式中:μ 為質(zhì)量混合比，μ=2ρ木片=550kg/m3，b 為木片的形狀系數(shù)，r為儲(chǔ)備系數(shù)r=1.0～1.2，取r=1.0。

氣力輸送木片的沉降速度與木片的懸浮速度是大小相等和方向相反的速度，木材工業(yè)計(jì)算木材碎料懸浮速度的公式為:

式中:a為木片斷面的形狀系數(shù)，取a=0.9，h為木片的厚度=6mm，ρ木片=550kg/m3。

ρ氣(標(biāo)準(zhǔn))=1.2kg/m3。

圖1管道BC的卸料點(diǎn)C的最小氣流速度VC，其計(jì)算公式為:

當(dāng)已知管內(nèi)氣流速度VC后，即可計(jì)算出每小時(shí)流過(guò)管道的空氣質(zhì)量為:

實(shí)際濃度μ0用質(zhì)量濃度式μ×代入。

(5)確定輸送管道的內(nèi)徑。

將μ0、D代入(2)式驗(yàn)證QC=60×VC×=60×33.8×0.785×0.2592

=106.8m3/min=6410m3/h，取QC=6420m3/h。

2 計(jì)算BC、AB管段的壓力損失

(1)計(jì)算BC高壓管段的壓力損失

在BC高壓管段終點(diǎn) (卸料點(diǎn))C處，是與大氣相通的出口，其大氣靜壓力PC靜設(shè)其等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，PC=101325Pa=101.325kPa(標(biāo)準(zhǔn)條件溫度t=0℃，壓力為760mmHg柱)，已知C點(diǎn)處的體積流量QC=6420m3/h，根據(jù)資料 (2)108頁(yè)公式得到，固氣二相流的壓損比ε=(1+K×μ)，對(duì)于垂直管段ε值按下式計(jì)算

兩個(gè)ε值取大值1.60。

BC管起點(diǎn)在供料器下面的B點(diǎn)，利用高壓氣力輸送的壓力損失計(jì)算公式［4］，在B點(diǎn)的靜壓力為

式中:PC為管道的終點(diǎn)壓力，PC=101.325kPa，λc為空氣與管壁的摩擦系數(shù)，其值與管徑大小速度快慢有關(guān)，且有 λc=0.0175×D－0.21×V－0.075=0.018。

VC=33.8m/s，ε=1.6，氣體常數(shù)R=3287J/kg·k，T為開爾文溫度293°。

當(dāng)量長(zhǎng)度

式中:L當(dāng)為輸送管的當(dāng)量長(zhǎng)度;LX水平管段長(zhǎng)度LX=520+6=526，m;kZ為垂直管的高度系數(shù);kZ=1+0.08μ=1+0.08×2=1.16，或kZ=1.3 ～1.5，本計(jì)算取kZ=1.3;h為垂直提升高度，h=22×cos30°－1=19.05 －1=18.05，m;δ為與混合比μ相關(guān)的彎頭系數(shù)，δ=70+2μ=70+2×2=74，并與kZ相關(guān)，如圖2所示;n為為角度Σθ的彎頭數(shù)，n=(θ1+ θ2+ … + θn)/90°，本例 n=(120°+120°+90°)/90°=330°/90°=2.67;D 為管徑 D=0.259m。

將以上數(shù)據(jù)代入公式(9)得:

L當(dāng)=526+1.3×18.05+75×0.259×3.67=526+23.5+71=620m。

圖2 用質(zhì)量混合比μ確定的kZ和δ值Fig.2 Value of kz andδdetermined by mass mixing ratioμ

將以上已知數(shù)據(jù)代入公式(8)得:

BC高壓管段的壓力差

在B點(diǎn)還需計(jì)算物料加速壓力損失△P加，且有

在C點(diǎn)還要計(jì)算排氣管的壓力損失△P排，已知D=0.259，VC=33.8m/s，ρB氣見(jiàn)后公式(14)。

阻力系數(shù)ζC=1.0。

在B點(diǎn)還有裝料阻力(壓力損失)ΔPB裝=ζ×

在BC段的壓力差ΔP*BC=ΔPBC+ΔPB加+ΔPC+ΔP裝+ΔPCD+ΔP傘帽=39737+1816+685+173+20+92=42523Pa。

在B點(diǎn)的絕對(duì)靜壓力PB=101325+42523=143850=143.85kPa。

根據(jù)連續(xù)方程的質(zhì)量守恒定律mB=mC=常數(shù)C，有，

故有

故得 VB=

在旋轉(zhuǎn)供料器下方B點(diǎn)的空氣密度ρB氣，可根據(jù)等溫過(guò)程的狀態(tài)方程得:

故有ρB氣==1.704kg/m3(非標(biāo)準(zhǔn))。

B點(diǎn)的氣流速度由(9)式得

由于B點(diǎn)的空氣密度ρB氣=1.704kg/m3(非標(biāo)準(zhǔn)空氣密度)，為此要求水平管內(nèi)驗(yàn)算木片的最小氣流速度。

VB=23.8＞22.24m/s，說(shuō)明輸送氣流速度是合理的。

(2)計(jì)算AB管段的壓力損失

AB管段為空氣的單相流，管道內(nèi)徑 D內(nèi)=0.295m，AB管長(zhǎng)=4m。

在AB管段的B處旋轉(zhuǎn)供料器還有7%左右的漏氣量，所以流過(guò)AB管段的空氣質(zhì)量:

通過(guò)AB管段空氣的體積流量QAB==4860m3/h。

AB管道距離不長(zhǎng)，故可按普通方法計(jì)算，而不涉及空氣的膨脹因素。

在AB管段羅茨鼓風(fēng)機(jī)上方的空氣過(guò)濾器的壓力損失，根據(jù)資料公式(5)得 Δρ濾清器=500Pa。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)需配3個(gè)消聲器，吸氣消聲器2，排氣消聲器 4，消聲器 5［5］。

(3)消聲器的壓力損失計(jì)算

消聲器的壓力損失計(jì)算公式如公式(15)所示。

3個(gè)消聲器壓力損失總和ΣΔP消聲器=3×240=720Pa。

消聲器的阻力ζ≤1.0，取ζ=1.0，V為消聲器內(nèi)平均氣流速度為V=20m/s，消聲器總壓力損失包括兩端彎管的壓力損失。

(4)AB管道壓力損失

AB、BC兩管段總的壓力損失:

H總=Δ+Δ=1330+42523=43853Pa。

風(fēng)機(jī)壓力 H風(fēng)=k1H總=1.1×43853=48240Pa。

風(fēng)機(jī)流量 Q風(fēng)=k2Q總=1.15×6420=7380m3/h。

3 計(jì)算高壓遠(yuǎn)距離木片氣力輸送布置所需的功率

這里需注意羅茨鼓風(fēng)機(jī)的全壓效率(也稱內(nèi)效率)η內(nèi)=ηP=0.7 ～ 0.8，取平均值 η內(nèi)=0.75，鼓風(fēng)機(jī)的外效率η外是齒輪傳動(dòng)，軸承磨擦損失造成的，故其外效率ηem=0.84～0.97，取平均值ηem=0.89。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)總效率η=ηP，ηem=0.75×0.89=0.67，計(jì)算時(shí)取η全=η=0.65，η傳為準(zhǔn)確傳動(dòng)效率 η傳=0.95。

4 根據(jù)功率、鼓風(fēng)機(jī)升壓和風(fēng)量選擇鼓風(fēng)機(jī)和電機(jī)型號(hào)

選用 L81WD型羅茨鼓風(fēng)機(jī)［5］，轉(zhuǎn)速 n=980r/min。

升壓P=49035＞48240Pa。

羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量119.4m3/min×60=119.4×60=7164m3/h＜7380 m3/h。

適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)風(fēng)量安全系數(shù)k2=1.05時(shí)，進(jìn)口風(fēng)量相等，與鼓風(fēng)機(jī)配套電動(dòng)機(jī)的技術(shù)系數(shù)。

電機(jī)型號(hào)Y355M1－6功率N為160kW，電壓為380V。

選用3個(gè)消聲器的型號(hào)為ZLX－6，而用鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=120×60=7200m3/h。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)距離高壓輸送木片裝置壓力損失計(jì)算方法的研究發(fā)現(xiàn):采用國(guó)際上流行的當(dāng)量長(zhǎng)度L當(dāng)計(jì)算管道壓力損失，他比傳統(tǒng)的當(dāng)量空口法計(jì)算管道的壓力損失來(lái)的簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、快捷。

(2)通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)距離高壓輸送木片裝置壓力損失計(jì)算方法的研究發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)距離輸送木片的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定卸料點(diǎn)和供料點(diǎn)的大氣壓力，利用這兩點(diǎn)的高壓壓力差作為輸送木片的能量是合理的。

(3)通過(guò)查閱傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離輸送木片的設(shè)計(jì)方案，多數(shù)未涉及3個(gè)消聲器壓力損失的計(jì)算，有的設(shè)計(jì)只計(jì)算一個(gè)消聲器和一個(gè)濾清器的壓力損失作為AB管段的壓力損失，誤差達(dá)50%。在AB管段只有對(duì)本裝置和附屬設(shè)備作詳細(xì)的壓力損失計(jì)算，才能準(zhǔn)確地選擇鼓風(fēng)機(jī)的壓力和風(fēng)量，并計(jì)算出功率。

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