葉輪式供料及噴射式供料系統(tǒng)研究

李 奕

湖北工業(yè)大學，武漢，430068

0 引言

供料設備是粉體儲運系統(tǒng)中必不可少的組成部分，也是在短距離內輸送物料的機械設備，根據使用目的不同，稱為供料機或加料機、給料機等［1－2］。該設備一般放置在料倉的卸料口處，依靠物料的重力作用并依靠供料設備工作機構的強制作用，將料倉內的物料卸出并連續(xù)均勻地送入下一個設備中。供料設備可以控制料流量的大小，在其停止工作時，還可以對料倉實現閉鎖。因此，供料設備是連續(xù)生產工藝過程中不可缺少的設備之一［3］。

在很多工藝過程中，不僅要供料，還要求準確計量，尤其是在不同的成分、不同種類或不同性能的多種原料按比例進行混合時，需要進行準確計量［4］。本文介紹了供料機中最常用的葉輪式供料系統(tǒng)和噴射式供料系統(tǒng)的性能。

1 葉輪式供料系統(tǒng)性能

如圖1所示，葉輪式供料機類似于一個旋轉門，利用葉片在殼體內旋轉，粉體在重力作用下從低壓區(qū)域流到高壓區(qū)域，實現定量供給。在供料量和葉片轉速成比例的范圍內，豎直方向存在300kPa的壓力差。對于在更大比例范圍內使用的供料機，則需實施各種改善措施［5］。

在進行送風機的選擇時，利用空氣輸送理論，忽略空氣泄漏，根據粉體來選擇置換空氣的壓力差。在發(fā)生粉塵的情況下，送料器附屬的減震料斗關閉。粉體滯留在料倉的出口，停止向供料機供料，反向流動化的粉體的排出量將增加。為了分析粉體的體積，需要考慮空氣的混入，分析進入送料機的粉體的實際體積密度。

下面將通過數學解析方法對供料系統(tǒng)的相關因子進行整理。

首先，從性能的角度進行分析。粉體的體積流量Q和所需動力P由葉片轉速n、供料機的內徑d、壓力差Δp、粒子直徑D、體積密度ρb以及重力加速度g決定，其映射關系可寫為

利用數學解析，得

圖1 葉輪式供料機示意圖

將供料性能寫成式（1）和式（2）的形式時，對于相似的供料系統(tǒng)，在尺寸和轉速變化時，可以推算出Q和P。對于被供給的粉體，當不存在壓力差Δp時，式（1）可寫成，當轉速n很低時，因為粉體在容腔內完全填充，與g無關，所以可以推出Q＝a1nd3。

其次，從設計供料系統(tǒng)的角度來看，因為n和d都是未知數，上文的映射關系可變形為

利用數學解析，得

對于相似的供料系統(tǒng)，若用式（3）和式（4）來計算n和d，可以給設計提供很大的方便。

供給量Gs和n成比例時的最大轉速nmax和結構、粒子物性以及使用條件有關。在沒有壓力差的情況下，設Vo為容腔總體積，則

若n＞nmax，因為轉速較高，粉體則無法完全填充整個容腔。當粒子以初速度為0進入容腔，入口處葉片線速度為u，容腔圓周方向長度為H，從同一位置流入的粒子在H／u的間隔內，因為是進入同一個容腔，從周向長度b、軸向長度l的入口進入一個容腔的粉體質量可以利用粉體流動特性公式來分析。將yo＝0，t＝H／u代入式（5），并乘以ρbbl，則Gs表示式為

式中，t＊為粒子的阻尼時間；Z為葉片個數。

因為H／u＝1／（Zn），當t＊很大時，有

此時，最大速度nmax為

當t＊小的時候，nmax也變小。另外，當自由落下料留在入口的上方時，粒子的初速度可以不用考慮。圖2所示為葉輪式供料機供給量的測量結果。將測量結果和理論曲線（式（5）、式（6））比較，在存在壓力差Δp的情況下，由于空氣的泄露，上升氣流產生更大的空氣抵抗，造成Gs減小。

圖3表示存在Δp的情況下，不同轉速對應的Gs和Δp的關系。當Δp增大到一定程度后，Gs將會變小。從圖3可知，當Δp≈2kPa時，供給停止了。然后，稍稍越過這個壓力差，Gs達到各個轉速下供給量的峰值，并且該峰值要大于沒有壓力差時的供給量。因此，在粉體的流動化現象，必須要嚴格考慮泄漏的空氣。

圖2 葉輪式供料機的供給量

圖3 壓力差對粒徑150μm玻璃珠供給量的影響

上述結論是建立在進入容腔的粉體完全被排出的假設基礎上而得到的，而實際工作過程中，回轉運動和粉體的附著力等會對出口處粒子的排出產生不良影響，使粒子不能完全排除，故造成Gs減小。

2 噴射式供料系統(tǒng)性能

噴射式供料系統(tǒng)利用氣流速度產生負壓，將粉體往管道中吸入，利用漫射器產生的回復靜壓進行壓送輸送，回復壓在15kPa左右［6］。采用該方法進行輸送，粒子破損較少，適合于輸送易破損的顆粒。輸送性能可以根據動量理論進行推導。噴射式供料機示意圖（圖4）中，un為噴嘴出口速度，λ為擴口角度，s為距離漫射器的距離，u2、v分別為擴口后的空氣速度和粒子速度，Qo為吸入送料盒的空氣流量。將噴嘴入口和擴口后的界面之間的區(qū)域取為研究對象，根據動量理論，可得式中，An、A2分別為噴嘴和管道的截面積；A1為從An面到A2面的擴口圓臺的側面積。

圖4 噴射式供料機示意圖

根據空氣的連續(xù)性方程可知：

若管道出口和供料器通外界大氣，則

式（8）右邊第一項Δpi＝po－p1為吸入系統(tǒng)的壓降，第二項Δp＝p2－po為漫射器中上升的壓力，Δp和管道沿程壓力損失Δpt相等，則式中，k為吸入系統(tǒng)的損失系數；Δp1為管道內總壓力損失；ζ和ζs為輸送管道系統(tǒng)的損失系數；m為氣流質量。

另外，Gs根據Q來決定，兩者關系近似為線性關系，若設a、b為系數，則

將un作為參數，Gs、Qo、Δp、Δpl和u2的函數關系可以用下式表示：

供料器的工作點由于漫射器的原因而造成壓力上升，即式（12）和管道的壓力損失表達式（13）相等，由此可解出管內風速u2。因為該方程為二次方程，有兩個根，從穩(wěn)定性的角度考慮，取其中較大值，得

管道內總壓力損失可以用下式表達：

在純氣流噴射的情況下，a＝0，b＝0，ζs＝0。圖5所示為以un為參數的情況下，Δp和Δp1與u2的關系。這種純氣流噴射特性是以un為參數的配管系統(tǒng)所不具備的。從圖5可知，動作點為A點的時候，因為un為常數，如果管路的壓力損失增大的話，動作點變?yōu)橄噜彽腃點，u2減小。另外，對于配管系統(tǒng)中un增大的情況，動作點變?yōu)锽點，u2將增大。

圖5 純氣流噴射特性

圖6 所示為以s為參數且噴頭直徑為14.3mm時，Gs和Q的對應關系的實驗值。從圖6可看出，Gs和Q為近似直線關系。圖7所示為以un為參數時u2與Δp和Δpl的關系，可以看出，該曲線和純氣流噴射的特性曲線有相同的形狀。另外，在氣力輸送的情況下，因為Gs≥0，所以u2≥ （An／A2）un－b／（aA2），Δpl＜0的區(qū)域在該范圍以外。

圖6 噴射式供料器的供給量

圖7 噴射式供料器動作點

3 結論

（1）在葉輪式供料系統(tǒng)中，若存在壓力差Δp，隨著葉輪轉速的上升，粉體供給量增大，隨著轉速進一步上升，由于空氣的泄露，上升氣流產生更大的抵抗力，造成Gs減小。

（2）在葉輪式供料系統(tǒng)中，當壓力差Δp增大到一定程度后，Gs將會變小。當Δp≈2kPa時，供給停止了。然后，當壓力差一旦超過2kPa時，Gs達到各個轉速下供給量的峰值，并且該峰值要大于沒有壓力差時的供給量。

（3）對于噴射式供料系統(tǒng)，在純氣流噴射的情況下，其噴射特性是配管系統(tǒng)所不具備的。如果管路的壓力損失增大，擴口處氣流速度會減小。而對于配管系統(tǒng)，擴口處氣流速度將增大。

（4）對于噴射式供料系統(tǒng)，粉體的供給量Gs與空氣流量Q為近似直線關系，隨著空氣流量的增大，粉體的供給量也增大。

［1］周仕學，張鳴林.粉體工程導論［M］.北京：科學出版社，2010.

［2］陶珍東，鄭少華.粉體工程與設備［M］.2版，北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［3］Harrison A，Roberts A W.Technical Requirements for Operation Conveyor Belts at High Speed［J］.Bulk Solids Handling，1984，4（1）：99－104.

［4］洪致育，林良明.連續(xù)運輸機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

［5］黃遠東，周乃如，朱鳳德.面粉正壓輸送中葉輪式供料器的兩相流壓損研究［D］.上海：上海理工大學，2000.

［6］秦軍偉，張曉輝，姜忠愛，等.集中式排種系統(tǒng)中噴射供料器的選擇和設計計算［J］.農業(yè)裝備技術，2002（10）：14－15.