基于LabVIEW系統(tǒng)對預熱器提升管內(nèi)阻力損失的研究

劉文歡，徐品晶，陳延信，李　輝

(西安建筑科技大學材料與礦資學院，陜西西安　710055)

0　引言

輸送提升管是旋風預熱器系統(tǒng)中的重要裝備，不但承擔著上下兩級旋風筒連接和氣固的輸送任務，同時承擔著氣、固兩相間的換熱，物料分散、均布、鎖風等任務。從旋風筒收集下來的物料進入輸送提升管，充分分散的同時在極短的時間(小于0．1 s)、極短的距離[1-3](小于0．2 m)內(nèi)完成與高溫氣流的換熱過程。為進一步優(yōu)化懸浮預熱器系統(tǒng)，達到節(jié)能降耗的目的，針對預熱器輸送提升管內(nèi)阻力損失的構成及影響進行了試驗研究，為優(yōu)化各部分的壓力損失提供實驗指導，從而達到整體上優(yōu)化輸送提升管阻力損失的目的。

1　基于LabVIEW虛擬儀器的采集系統(tǒng)

選用LabVIEWwt[4-6]作為試驗中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通常情況下，一個基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析軟件主要由系統(tǒng)界面、應用層、測試程序?qū)雍蛢x器設備層組成。如圖1所示：自下而上，儀器設備層由各種儀器的驅(qū)動程序組成，它主要負責對設備以及接口進行設置和控制，將用戶對儀器設備的各種設置信息傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)字信號輸送到測試程序?qū)舆M行轉(zhuǎn)換。由于數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)字信號是電壓信號，而不是所需要的物理量的測量值(如溫度、壓力等)，因此測試程序?qū)拥娜蝿帐菍⒉杉碾妷盒盘栟D(zhuǎn)換為所需的物理量，并將其送到用戶應用層進行處理。在試驗研究中，需要對信號進行各種處理(如頻譜分析、數(shù)字濾波等)，并對信號進行各種計算(如求平均值、最大值、最小值等)，處理和計算好的結(jié)果再發(fā)送到虛擬儀器系統(tǒng)界面顯示。虛擬儀器系統(tǒng)界面是用戶用來操作儀器設備系統(tǒng)，與儀器設備進行通信、輸入?yún)?shù)設置、輸出結(jié)果顯示的用戶接口[7]。圖2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。

圖1　虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構圖

圖2　LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2　試驗方案和裝置

2．1試驗內(nèi)容

在理論研究的基礎上，按氣固運動狀態(tài)和輸送管道的結(jié)構特征，將輸送管分為：氣固加速運動段-氣固勻速運動段-彎管段。采用壓力測控儀器對輸送提升管內(nèi)不同區(qū)域的阻力損失的構成進行了研究，得到了輸送提升管內(nèi)的阻降分布規(guī)律，探討了不同操作風速、不同的物料負荷率時輸送提升管阻力損失的分布。

2．2試驗裝置

圖3為試驗裝置系統(tǒng)示意圖。由集風管處靜壓環(huán)測得靜壓而求出管道風速，再根據(jù)截面積比計算得到換熱管的截面氣流速度。本試驗選做的換熱管截面風速為12 m/s、15 m/s、18 m/s、21 m/s．試驗用粉料為水泥生料粉，平均粒徑為19.64 μm，密度為2.687 g/cm3。

1—調(diào)速電機；2—螺旋給料機；3—喂料斗；4—PV4光纖濃度測量儀；5—輸送提升管；6—旋風筒；7—集料斗；8—電子秤；9—袋收塵；10—引風機；11—集風管

輸送提升管設有4個壓力測點(A、B、C、D)。試驗裝置的輸送提升管道直徑為150 mm。根據(jù)物料在預熱器輸送提升管內(nèi)的運動特征，將其分為物料運動加速段(CD段)和勻速段(BC段)，將垂直向水平過渡的部分稱為彎管段(AB段)。其中加速段0.63 m，勻速段0.58 m，彎管段0.64 m，如圖4所示。

圖4　提升管道區(qū)域劃分示意圖

2．3LabVIEW數(shù)據(jù)采集主程序

LabVIEW數(shù)據(jù)采集與分析程序應完成以下功能：

(1)多通道采集，通道個數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)采集時間Δt根據(jù)試驗需要可設定。通過傳感器的標定所得到的電壓與對應物理量之間的線性關系，可將所測的每個通道的電壓信號與其所對應的真實物理量的值實時、直觀地在前面板中顯示出來；

(2)可將檢測的數(shù)據(jù)存儲到指定文件，設置警示燈，當電壓值超出正常測定范圍時，將自動報警；

(3)根據(jù)分析需要，完成特定的數(shù)據(jù)分析功能。

2．4采集信號的連接方式和采集方式

一個電壓信號可以分為接地和浮動2種類型。測量系統(tǒng)可以分為差分(Differential)、參考地單端(RSE)、無參考地單端(NRSE)3種類型。根據(jù)待測物理量的需要，本試驗采用差分系統(tǒng)，信號為接地信號。

系統(tǒng)采用的是多通道采集，多數(shù)通用采集卡都有多個模入通道，但是并非每個通道配置一個A/D，而是共用一套A/D，在A/D之前的有一個多路開關(MUX)，以及放大器(AMP)、采樣保持器(S/H)等。通過這個開關的掃描切換，實現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有3種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。在一次掃描(scan)中，數(shù)據(jù)采集卡將對所有用到的通道進行一次采樣，掃描速率(scan rate)是數(shù)據(jù)采集卡每秒進行掃描的次數(shù)。本試驗系統(tǒng)采用的為間隔采樣，如圖5所示。

圖5　間隔采樣

3　試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如圖6～圖10所示。

圖6　空載態(tài)下不同風速時輸送提升管各部分阻力

圖7　風速12 m/s時不同固氣比提升管各部分阻力損失對比

圖8　風速15 m/s時提升管各部分阻力損失對比

圖9　風速18 m/s時提升管各部分阻力損失對比

圖10　風速21 m/s時提升管各部分阻力損失對比

(1)由圖6得出，空載狀態(tài)下，提升管各部分阻力損失均隨著斷面風速的增大而增大，此時提升管的總阻力損失主要來自于彎管段。這主要與彎管段的結(jié)構形式有關，彎管段為流體進入旋風器時，提升管由垂直向水平入口段的過渡段，氣流在此處改變流向，因固壁邊界形狀不合流線而導致的大區(qū)域渦旋運動造成能量損失，有著相對較大的局部阻力損失。

(2)由圖7～圖10得出，當風速一定時，隨著固氣比的增大，輸送提升管加速段、勻速段、彎管段的阻降在測量范圍內(nèi)隨固氣比的增大而增大，加速段的阻降的增長幅度最大，其次為彎管段，勻速段幅度增長最緩。

(3)由圖7～圖10得出，無論在低風速還是高風速下固氣比一定時，勻速段的阻力損失都是最小的。彎管段阻力損失次之，加速段的阻力損失最大。加速段阻力損失遠大于勻速段和彎管段，這種差別在高固氣比條件下尤其明顯，加速段壓降占整個輸送提升管道阻力損失的最大比重，超過了60%。由試驗結(jié)果得出，提升管的阻力損失主要取決于加速段的阻力損失。分析原因[8-10]，主要是由于在物料運動加速段，當粉料未被氣流打散時，粉團直徑較大，流體拽力小于重力時，粉料加速下沉；打散后，粉團直徑減小，流體拽力超過重力，粉料由低速下沉轉(zhuǎn)為向上隨氣流運動，而向上運動初始時氣固相對速度較大，粉料處于向上加速運動階段。因此，由于氣流要瞬間改變物料的運動狀態(tài)，使物料同流向上運動，且氣固間存在著較大的相對運動速度，會導致氣流湍流強度增大，氣體做功較大，產(chǎn)生較大的局部阻力損失。

4　結(jié)論

(1)設計了一套基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集和分析軟件的用于測量預熱器換熱管阻力損失的檢測系統(tǒng)。實踐證明，在預熱器輸送提升管阻力損的研究中，該系統(tǒng)能實時、高效地進行數(shù)據(jù)采集和分析，保證了研究工作的順利開展。

(2)空載狀態(tài)下，提升管加速段、勻速段和彎管段的阻力損失均隨著斷面風速的增大而增大，此時彎管段阻力損失所占比重最大。

(3)無論在低風速還是高風速下，固氣比z一定時，勻速段的阻力損失都是最小的。彎管段阻力損失次之，加速段的阻力損失最大，這種差別在高固氣比條件下尤其明顯，加速段壓降占整個輸送提升管道阻力損失的最大比重，超過了60%，因此，輸送提升管的阻力損失主要取決于加速段的阻力損失。

(4)通過分析預熱器提升管內(nèi)的阻力損失構成及影響比重，可以有針對性地提出優(yōu)化預熱器提升管阻降的措施：首先，加速區(qū)域的阻力損失在整個提升管的阻力損失中所占的比重最大。主要是由于氣流要瞬間改變物料的運動狀態(tài)，同時氣固兩相間存在較大的相對運動速度使能量損失較大而產(chǎn)生的?？赏ㄟ^安裝合適的撒料裝置，使物料粉團在進入換熱提升管內(nèi)以前便提前分散，達到優(yōu)化提升管加速區(qū)域的阻力損失的目的。同時，彎管段的阻力損失主要由其結(jié)構形式所決定。因此在條件允許的情況下，應盡可能地將彎管段做成平滑的圓弧過渡。

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