粉罐半掛車卸料過程流化床的研究

朱學(xué)平 胡亞貞

航空工業(yè)安徽開樂專用車輛股份有限公司 安徽阜陽(yáng) 236000

1 前言

粉粒物料運(yùn)輸半掛車（簡(jiǎn)稱粉罐半掛車）使用方便，運(yùn)輸效率高，成本低，是實(shí)現(xiàn)中短途散裝水泥、粉煤灰等物料運(yùn)輸?shù)妮^好工具。粉罐半掛車的流化床是使物料變成流體、具有流動(dòng)特性過程的必要部件，是完成氣卸式粉罐半掛車卸料的核心。某型臥式粉罐半掛車如圖1所示。

圖1 某型臥式粉罐半掛車

2 流化床理論

氣力輸送是利用氣流的能量在管道中輸送粉粒物料的一種輸送方式。在管道中的氣流遇到物料的阻礙時(shí)，其動(dòng)壓將轉(zhuǎn)化為靜壓，推動(dòng)物料在管道內(nèi)輸送。粉罐半掛車的卸料過程為壓送式氣力輸送，又稱正壓氣力輸送系統(tǒng)。

2.1 粉粒體性質(zhì)

在氣力輸送中，通常按粉粒體顆粒大小分為兩類：顆粒直徑小于1 mm的物料稱為粉料；顆粒直徑大于1 mm，而小于10 mm的物料稱為粒料[1]。

2.1.1 臨界流態(tài)化速度

臨界流態(tài)化速度vf即使粉粒物料產(chǎn)生流態(tài)化現(xiàn)象的最小速度。按下式計(jì)算[2]。

式中，ds為 粉粒料顆粒直徑，ρs為 粉粒料的真密度，ρg為氣體密度，η為氣體的動(dòng)力粘度。

2.1.2 懸浮速度（又稱帶出氣流速度）

如果氣流的上升速度等于物料顆粒本身固有的向下沉降速度時(shí)，物料就會(huì)懸浮在空氣氣流中，此時(shí)的氣流速度稱為物料的懸浮速度vt，按下式計(jì)算[3]。

式中，g為重力加速度。

2.2 流態(tài)化

流態(tài)化是指空氣自下而上通過粉粒體時(shí)，隨著流速的增加，顆?；ハ喾蛛x，繼而顯示出流動(dòng)的性質(zhì)。在更高的空氣流速下，粉粒體顆粒被攪動(dòng)得更加激烈且顆粒運(yùn)動(dòng)變得更活躍，但顆粒尚未被氣體夾帶飛濺。這種類似沸騰狀態(tài)的床層，具有一般流體的流動(dòng)特性，稱之流態(tài)化，或簡(jiǎn)稱流化、假液化。流化床狀態(tài)形式如圖2所示。

圖2 流化床狀態(tài)形式[3]

a. 固定床。當(dāng)氣流速度較小時(shí)，氣體只是從粉料顆粒之間的空隙穿過，粉料顆粒靜止不動(dòng)，稱為固定床。固定床的特點(diǎn)是粉粒體的空隙率不變，床層保持原有的高度。

b. 臨界流化床。氣流速度等于臨界流化速度的流化床。

c. 散式流化床和聚式流化床。當(dāng)氣流速度大于臨界流化速度vf而小于懸浮速度vt時(shí)的流化床稱為散式流化床或聚式流化床。

d. 稀相流化床。當(dāng)氣流速度大于懸浮速度，粉料顆粒開始進(jìn)入床層上方空間，顆粒濃度急劇降低，形成稀相流化床。

2.3 散式、聚式流態(tài)化的判據(jù)[4]

根據(jù)劉得金提出的流態(tài)化判別準(zhǔn)數(shù)：

當(dāng)0≤Dn≤104時(shí)為散式流態(tài)化，Dn≥106為聚式流態(tài)化。相代表顆粒和流體性質(zhì)的影響，可以由Wen-Yu方程式計(jì)算：

對(duì)于小顆

2.4 粉罐半掛車流化床

臥式粉罐半掛車的流化床現(xiàn)多采用流化帶的結(jié)構(gòu)，流化帶單側(cè)透氣，罐體從前到后鋪設(shè)多根流化帶，流化床面積大。流化床面積的大小與流化床結(jié)構(gòu)形式、罐體形式和尺寸、所裝粉料性質(zhì)有關(guān)，其中起主要作用的是粉料的臨界流態(tài)化速度，故流化床面積A應(yīng)滿足下式：

式中， Q為氣源的體積流量。

同理，實(shí)際工況下的流化床的氣體流化速度：

3 物理模型及數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 物理模型及邊界條件

粉罐半掛車的物理模型為單倉(cāng)粉罐半掛車，罐體為“V”型結(jié)構(gòu)，國(guó)外又稱“banana”結(jié)構(gòu)（如圖3），罐體由封頭、直角斜錐筒體組成，無(wú)側(cè)滑板及前后滑板結(jié)構(gòu)，采用下出料方式卸料，整車的物理模型參數(shù)如表1所示。

由于粉罐半掛車罐體左右兩側(cè)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可簡(jiǎn)化二維縱向截面作為粉罐半掛車在卸料過程的計(jì)算區(qū)域（如圖4）。操作條件：罐內(nèi)壓力為2×105Pa（表壓），溫度100℃。數(shù)值模擬所涉及到的氣-固物性參數(shù)如表2所示。

對(duì)上述模型計(jì)算區(qū)域使用Ansys ICEM劃分不大于5 mm×5 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)為988 020個(gè)，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT，結(jié)合邊界條件，對(duì)控制方程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值求解，初始計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，隨著計(jì)算模型的穩(wěn)定逐漸加大計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算模擬卸料過程時(shí)間為200 s。

圖3 粉罐半掛車物理模型

圖4 模型計(jì)算區(qū)域及邊界條件

表 1 物理模型參數(shù)

表2 數(shù)值計(jì)算的基本依據(jù)[2][3]

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 水泥固體含量的變化

圖5為單倉(cāng)臥式粉罐半掛車在工作壓力為0.2 MPa工況下的卸料過程罐內(nèi)瞬時(shí)水泥顆粒體積分?jǐn)?shù)的動(dòng)態(tài)示意圖。從圖5可以看出，在初始狀態(tài)（t=0)時(shí)，罐內(nèi)下層為水泥固體顆粒，占罐體總體積分?jǐn)?shù)的90%，上層為空氣。在卸料過程初始階段，床層無(wú)明顯抬高現(xiàn)象，屬臨界流化床。隨著卸料時(shí)間的延續(xù)，水泥顆粒固體含量的床層不斷降低，在t=195 s時(shí)，罐內(nèi)物料完全卸完，實(shí)現(xiàn)物料的零殘余。

3.2.2 卸料過程中流化床內(nèi)的流動(dòng)

圖6、7給出了t=60 s時(shí)氣體及水泥顆粒在罐內(nèi)流動(dòng)的速度云圖，從圖中可以看出，在水泥顆粒速度變化的區(qū)域與空氣速度的變化區(qū)域基本一致，在卸料口附近，氣體及水泥顆粒的速度較大；在床層上沿的氣體及水泥顆粒速度較小。由于流化速度小，出口處的速度大引起了罐體流場(chǎng)速度的非均勻性。

圖5 卸料過程罐內(nèi)瞬時(shí)水泥顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化

圖6 t=60時(shí)罐內(nèi)氣體流場(chǎng)速度

圖7 t=60時(shí)罐內(nèi)水泥顆粒流場(chǎng)速度

3.2.3 卸料速度

圖8為卸料過程出料口水泥顆粒、氣體最大速度變速的曲線圖。其中紅色圓點(diǎn)曲線為單倉(cāng)臥式粉罐半掛車卸料過程出料口水泥顆粒速度的變化曲線，卸料過程出口處水泥顆粒的最大速度呈波動(dòng)流態(tài)，水泥顆粒的最大卸料速度平均值為3.92 m/s；綠色菱形曲線為單倉(cāng)臥式粉罐半掛車卸料過程出料口氣體速度的變化曲線，卸料過程出口處水泥顆粒的最大速度呈波動(dòng)流態(tài)，變化幅度基本與水泥顆粒的速度變化幅度一致，氣體最大速度的平均值為42.34 m/s?？梢钥闯?，出口處氣體的速度遠(yuǎn)大于水泥顆粒的速度。

圖8 卸料過程出口的氣體、水泥顆粒的最大速度

4 卸料性能的試驗(yàn)

4.1 卸料試驗(yàn)步驟

a. 將裝滿水泥的的粉罐半掛車按如下操作方法向物料塔內(nèi)卸水泥，并用秒表記錄卸料時(shí)間。

（1）打開前后封頭處附近的2個(gè)進(jìn)氣閥，其他閥門關(guān)閉，空壓機(jī)轉(zhuǎn)速緩升至900 rad/min。

（2）當(dāng)壓力升至0.2 MPa時(shí)，打開二次助吹閥,再打開蝶閥，進(jìn)行卸料。

（3）當(dāng)壓力降至0.08 MPa時(shí)，關(guān)閉柴油機(jī)，打開卸壓閥，卸料結(jié)束。

（4）特殊情況下，還有余料時(shí)，按上述步驟再充氣至0.16 MPa，進(jìn)行前、后部分單獨(dú)卸料。

b. 卸下水平輸送管。

c. 打開進(jìn)料口，收集剩余在罐體內(nèi)的水泥。

d. 在磅秤上測(cè)量剩余在罐內(nèi)的水泥。

4.2 卸料性能

額定功率條件下的卸料性能參數(shù)如表3所示。經(jīng)過試驗(yàn)，卸料速度的平均速度為1.55 t/min，剩余率為0.02%；卸料性能高于QC/T 560-2010《散裝水泥車技術(shù)條件及性能試驗(yàn)方法》[9]的要求（在垂直高度15 m，水平距離5 m，工作壓力為0.2 MPa的條件下，平均卸料速度應(yīng)不低于1.2 t/min，剩余率應(yīng)不大于0.3%）。

表3 額定功率條件下的卸料性能參數(shù)表

5 結(jié)語(yǔ)

基于流化床理論，采用歐拉雙流體模型分析了以水泥為運(yùn)輸介質(zhì)的臥式粉罐半掛車的卸料性能，并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：

a.由公式(1)、(2)可計(jì)算出水泥的臨界流化速度為0.009 m/s，懸浮速度為0.583 m/s，同時(shí)根據(jù)公式(6)計(jì)算出臥式粉罐半掛車的流化床流化速度接近臨界流化速度；通過數(shù)值模擬水泥固體含量的變化可以看出流化過程床層升高不明顯，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)踐可知，臥式粉罐半掛車的理想流化床為臨界流化床。

b.由公式(3)可計(jì)算出水泥的流態(tài)化判別準(zhǔn)數(shù)Dn=1 918 350，結(jié)合數(shù)值模擬的氣、固速度流場(chǎng)云圖可知，臥式粉罐半掛車的流化床屬聚式流態(tài)化。氣固速度流場(chǎng)的非穩(wěn)定性導(dǎo)致了出料口氣體、顆粒速度的非勻速化。

c.粉罐半掛車采用下出料結(jié)構(gòu)，理論上可實(shí)現(xiàn)物料的零殘余，但流化床的帆布縫隙間會(huì)夾雜部分粉粒顆粒以及罐體內(nèi)壁粘附有粉粒顆粒，使得罐內(nèi)稍有殘余。

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