數(shù)字化飼料廠氣力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李芳環(huán) 劉洋

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)飼料輸送系統(tǒng)存在飼料輸送能力差，系統(tǒng)能耗高的弊端，設(shè)計(jì)數(shù)字化連續(xù)式密相飼料氣力系統(tǒng)。設(shè)計(jì)數(shù)字化連續(xù)供料裝置，采用數(shù)字操控改變?nèi)~片轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料供給量的調(diào)整；通過控制輸送管道中主管和輔管的氣體量實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料輸送管道的疏通；設(shè)計(jì)料氣分離裝置通過氣固分離將空氣與飼料分離，使飼料有效保存并降低空氣污染。系統(tǒng)軟件通過降低供料器上壓和下壓處壓力差，降低供料器的空氣漏氣量空對(duì)系統(tǒng)的飼料供應(yīng)能力影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的飼料供給能力強(qiáng)，系統(tǒng)的能耗低，具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化； 飼料廠； 氣力系統(tǒng)； 供料器； 輸送管； 料氣分離

中圖分類號(hào)： TN711.5?34； TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）20?0182?05

Abstract： As the traditional feed transporting system has the disadvantages of poor feed transporting capability and high system energy consumption， a digital continuous dense?phase feed pneumatic system is designed. The digital continuous feeding device is designed. The adjustment of feed supply amount is realized by adopting digital control to change the revolving speed of blades. The dredging of the feed transporting pipeline is realized by controlling the gas amount in the main pipe and auxiliary pipes of the transporting pipeline. The material?gas separation device is designed to separate the air from the feed by means of gas?solid separation， so as to store the feed effectively and reduce air pollution. For system software， the influence of the feeder′s air leakage amount on the system′s feed supply capability is reduced by reducing the pressure difference between the upper pressure and lower pressure of the feeder. The experimental results show that the designed system has strong feed supply capability and low energy consumption， which has a good practical application effect.

Keywords： digitization； feed plant； pneumatic system； feeder； transporting pipeline； material?gas separation

氣力輸送將空氣動(dòng)力作為輸送動(dòng)力，使各種物料在管道中流通。氣力流動(dòng)通過管道兩端的壓力差來提供管道內(nèi)物料流通所需的能量。氣力輸送的實(shí)現(xiàn)需要一定的必要條件，如氣體源或空氣、物料輸送管道和輸送物料的分離設(shè)備。氣力輸送裝置分為吸送式和壓送式兩種，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如橡膠業(yè)、冶金、化工以及農(nóng)業(yè)等[1]。數(shù)字化技術(shù)不斷進(jìn)步帶動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中飼料廠的氣體輸送能力不斷進(jìn)步，數(shù)字化的機(jī)械設(shè)備可顯著提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。本文在國內(nèi)外關(guān)于氣力輸送研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)數(shù)字化連續(xù)式密相飼料氣力系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的飼料輸送能力，降低系統(tǒng)能耗減少對(duì)環(huán)境的污染。

1 數(shù)字化連續(xù)式密相飼料氣力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

氣力系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化連續(xù)式密相飼料氣力系統(tǒng)由壓縮空氣處理裝置、數(shù)字化連續(xù)供料裝置、氣力輸送管道、料氣分離裝置以及控制裝置共同構(gòu)成[2]。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示。系統(tǒng)先采用壓縮空氣設(shè)備對(duì)空氣進(jìn)行處理，處理后的氣體由兩種方式進(jìn)入氣力系統(tǒng)：一種是采用旋轉(zhuǎn)式供料器進(jìn)入系統(tǒng)的主輸送管道；另外一種是經(jīng)減壓凈化后進(jìn)入旁側(cè)管道用作補(bǔ)氣。氣體的最終輸送前需經(jīng)二位三通分配閥確定目標(biāo)倉，之后將風(fēng)機(jī)、除塵器和旋轉(zhuǎn)式供料器等設(shè)備開啟，使混合后的飼料和氣體進(jìn)入分離裝置中實(shí)施飼料與空氣的分離，并將有效飼料保存[3]，排放出的空氣在經(jīng)過除塵器處理后可被釋放入大氣中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

1.2 數(shù)字化連續(xù)供料裝置設(shè)計(jì)

數(shù)字旋轉(zhuǎn)供料器屬于氣密性的供料裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中顯示其主要零件有機(jī)殼和葉片[4]。該裝置通過將飼料倉中飼料放置在葉片間的空間，使飼料伴隨葉片移動(dòng)而流向下部，輸出均勻的飼料確保系統(tǒng)管道內(nèi)氣料比的穩(wěn)定，也有效的將上下部間的氣壓分隔。設(shè)計(jì)該裝置結(jié)構(gòu)簡便可采用數(shù)字化操控改變?nèi)~片轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)飼料供給量的調(diào)整。

1.3 輸送管道設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中輸送管道主要用于對(duì)飼料進(jìn)行運(yùn)輸，系統(tǒng)大部分的功率消耗為管道飼料的運(yùn)輸。因?yàn)閳A形截面具有阻力小和制作便捷的優(yōu)勢，輸送直管截面通常為圓形，本文采用如圖3所示的直管結(jié)構(gòu)對(duì)飼料廠飼料進(jìn)行輸送。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸送管道中主輸送管道與輔管間通過過濾噴嘴、單向閥和PU管等實(shí)現(xiàn)[5]。從圖3可看出主管道與兩個(gè)輔管相連，輔管2與輔管1和主管均相連，且輔管2可以自身獨(dú)立工作不受干擾，輸送管道中的輔管1向輔管2提供空氣支持，輔管2向主管道輸送壓縮后空氣。管道間距離的確定由輸送飼料的特性和壓力決定。通常設(shè)計(jì)輔管2間距離在10～15 m，若主管道的輸送壓力超過設(shè)定值時(shí)，打開輔管1的電磁閥使壓縮空氣進(jìn)入輔管2，后輔管2向主管道提供壓縮后空氣，有效地對(duì)輸送管道疏通。由此可知，所設(shè)計(jì)輸送管道的輔管2可以獨(dú)立工作，降低系統(tǒng)能量消耗。

1.4 料氣分離裝置設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的料氣分離裝置主要包括除塵器和飼料存儲(chǔ)罐[6]。設(shè)計(jì)的料氣分離裝置需保證被傳輸?shù)娘暳峡扇勘环至鞒鰜恚瑫r(shí)當(dāng)系統(tǒng)輸送條件發(fā)生變動(dòng)時(shí)也可以穩(wěn)定的進(jìn)行料氣分離。在本文系統(tǒng)的料氣分離裝置中，飼料在管道內(nèi)運(yùn)輸輸送的終端為存儲(chǔ)罐。由于飼料的輸送與空氣的輸送同時(shí)進(jìn)行，在將飼料保存在存儲(chǔ)罐前需將飼料進(jìn)行氣固分離。本文設(shè)計(jì)的料氣分離裝置如圖4所示。

由于飼料的直徑較小且極易產(chǎn)生靜電，本文對(duì)飼料輸送時(shí)的除塵器采用三防氈制品，降低靜電的干擾[7]，如圖4所示。除塵器設(shè)置在飼料存儲(chǔ)罐上方，氣力輸送的飼料，從除塵器下方進(jìn)入，一些直徑較大的飼料由于自身重力會(huì)掉落到存儲(chǔ)管中，直徑小的飼料會(huì)附著在濾袋外部被排放到大氣中。除塵脈沖儀通過釋放脈沖信號(hào)使氣包和電磁閥開始噴吹[8]，使附著在濾袋上的飼料掉落會(huì)存儲(chǔ)罐中，降低空氣污染。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一定范圍內(nèi)供料會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，當(dāng)超過該范圍后供料能力隨轉(zhuǎn)速的增大而降低[9]。供料器葉片的轉(zhuǎn)速與供料量關(guān)系如圖5所示，產(chǎn)生該曲線的原因主要在于：葉片轉(zhuǎn)速過高時(shí)，飼料在向下運(yùn)輸時(shí)未掉落又被帶回，造成飼料的供料減少；葉片速度過高，供料器的漏氣量現(xiàn)象變得嚴(yán)重。因此為保證氣力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)將轉(zhuǎn)速控制在合理范圍內(nèi)。

2.1 飼料供料能力計(jì)算

2.2 漏氣量計(jì)算

依照當(dāng)前的設(shè)備設(shè)計(jì)精度無法完全達(dá)到供料器的密封，所以對(duì)飼料供料器的漏氣量計(jì)算也是提升系統(tǒng)工作能力關(guān)鍵[10]，漏氣量包括葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片間空隙的漏氣量[Q1]，和供料時(shí)殼體與葉片間空隙中的空氣量[Q2]。

式中：[γ]表示空氣的重度；[F]表示供料器葉片與外殼間的空氣通道大??；[z]為空隙個(gè)數(shù)，本文將該值統(tǒng)一為2；[T0]表示高壓方向處的溫度；[p0]和[p1]表示設(shè)計(jì)供料器上壓和下壓處壓力，當(dāng)[p0]和[p1]間差值越來越大時(shí)，說明空隙間面積增大，則空氣泄漏量也在增多，影響系統(tǒng)的飼料供應(yīng)能力。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行飼料輸送實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證本文系統(tǒng)能否有效地進(jìn)行飼料的氣力輸送。

3.1 料氣比與輸送管道總壓損的關(guān)系

通過調(diào)節(jié)供料器葉片轉(zhuǎn)速控制飼料的質(zhì)量流量，得到不同料氣比下本文輸送管道的壓力損失情況見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出：輸送管道的總壓力損失隨著料氣比的增大而增多；當(dāng)料氣比較小時(shí)，系統(tǒng)的飼料輸送能力較差，且輸送過程所需的壓縮空氣體積也較大，會(huì)消耗系統(tǒng)大量的能源；但當(dāng)氣料比值增加到一定數(shù)值后，空氣提供的壓力無法使飼料移動(dòng)，造成管道的堵塞。因此選擇合適的氣料比值十分重要，當(dāng)氣料比值在21～27之間時(shí)，本文系統(tǒng)的能耗不高且發(fā)生堵塞現(xiàn)象也不嚴(yán)重，具有較高的應(yīng)用性。

3.2 輸送壓力與飼料破碎率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)采取改變調(diào)壓閥的開度改變輸送管道的壓力，之后進(jìn)行數(shù)字化的飼料氣力輸送，將輸送結(jié)束后的飼料進(jìn)行取樣，測量飼料的破碎率，表2為本文系統(tǒng)輸送后飼料的破碎增加率結(jié)果。

分析表2數(shù)據(jù)可知，不斷提升輸送壓力，輸送的飼料的破碎率有所降低，出現(xiàn)該結(jié)果是因?yàn)檩斔蛪毫?dǎo)致飼料的輸送狀態(tài)由過去的稀疏性輸送轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗洼斔?，減低輸送過程飼料間的相互碰撞和飼料與管道壁間的摩擦，因此飼料的破碎率顯著降低，飼料的供給能力增強(qiáng)。從表中可知，本文系統(tǒng)在輸送壓力為0.35 MPa時(shí)的飼料破碎率最低。

3.3 輸送壓力對(duì)輸送管道壓損的影響

實(shí)驗(yàn)通過在本文氣力系統(tǒng)的輸送管道中安裝多個(gè)壓力傳感器，采取改變飼料輸送管道壓力的方式，計(jì)算管道初始階段、初始拐彎階段以及后期垂直階段管道的壓力差，得到結(jié)果如表3所示，將表3結(jié)果用圖6表示。

分析表3和圖6可知，隨著輸送壓力的不斷增大，本文系統(tǒng)輸送管道的壓力損失結(jié)果均表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢。從圖中曲線結(jié)果可以清晰的看出，當(dāng)輸送壓力在0.20～0.22 MPa間時(shí)，本文系統(tǒng)輸送管道的壓力損失結(jié)果值均較小，說明處于該輸送壓力下飼料的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變動(dòng)，致使管道輸送壓力損失處于較低水平。當(dāng)飼料的輸送壓力大于該值后，圖中曲線明顯上升，說明該時(shí)刻下飼料顆粒間相互作用導(dǎo)致在本文系統(tǒng)管道內(nèi)的積累加劇，產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力損失。

3.4 輸送速度與輸送管道壓損關(guān)系

實(shí)驗(yàn)通過控制壓縮空氣的體積量，并記錄壓力傳感器數(shù)值，計(jì)算不同空氣流量下氣體流速對(duì)本文系統(tǒng)初始階段輸送管道的壓損結(jié)果，如表4所示。分析表4中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)輸送飼料的速度在5.4 m/s和5.9 m/s時(shí)，本文系統(tǒng)初始階段管道的壓力損失最低僅有0.007 MPa。在飼料輸送速度小于該區(qū)間值時(shí)，隨著輸送速度的提升，飼料在管道底部的積累量逐漸減少，同時(shí)飼料與管壁的摩擦也逐漸減少，因此對(duì)管道的壓力慢慢減??；當(dāng)輸送速度大于該區(qū)間的速度時(shí)，隨著輸送速率的提升，飼料顆粒間的作用力逐漸加強(qiáng)，使顆粒的起伏速度變化增強(qiáng)，因此出現(xiàn)壓力損失增加的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)飼料廠氣力系統(tǒng)的耗氣量與本文系統(tǒng)的耗氣量進(jìn)行對(duì)比，分析本文系統(tǒng)是否可以在應(yīng)用中節(jié)省能量，表5和表6分別為傳統(tǒng)飼料廠氣力系統(tǒng)和本文系統(tǒng)的輸送管耗氣量結(jié)果。

對(duì)比分析表5和表6數(shù)據(jù)可知，本文系統(tǒng)在進(jìn)行飼料的氣體輸送時(shí)，消耗的空氣量較少，說明本文系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)用價(jià)值高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化連續(xù)式密相飼料氣力系統(tǒng)，將料氣比控制在21～27之間時(shí)系統(tǒng)輸送管道總壓損最小，控制輸送飼料的速度在5.4 m/s和5.9 m/s也可降低輸送管道壓損。將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)飼料廠的空氣消耗量進(jìn)行對(duì)比可知，本文系統(tǒng)的實(shí)際能量消耗低，應(yīng)用價(jià)值高。

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