密相氣力輸送彎管壓降分析

周甲偉，巴涵，郭小樂(lè)，李帥，吳林峰，蘇利威

(華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045)

0 前言

氣力輸送作為一項(xiàng)綠色物料輸運(yùn)技術(shù)，以其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在散體物料輸送工作中扮演著重要的角色。

根據(jù)物料特性、氣固比和輸送風(fēng)速的不同，氣力輸送可以分為稀相氣力輸送和密相氣力輸送。密相氣力輸送相較于稀相氣力輸送具有低流量、高固氣比的屬性，更低的能耗和更高的效率使得它更具優(yōu)勢(shì)。

布局靈活是氣力輸送技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，氣力輸送系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中常常大量使用彎管來(lái)改變管線前進(jìn)方向，氣固二相流在彎管部位的流動(dòng)特性十分關(guān)鍵。因此，二相流的彎管特性研究十分重要。對(duì)于壓降的預(yù)測(cè)研究有助于深入理解氣力輸送的機(jī)制，有利于氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

目前，對(duì)于壓降的研究還沒(méi)有形成較為標(biāo)準(zhǔn)的理論模型，但前人已經(jīng)獲得了許多有意義的研究成果。方薪暉等發(fā)現(xiàn)輸送煤粉的最大壓降出現(xiàn)在垂直段管線，其次為水平段管線，而彎頭部分壓降占總壓降比例最小。周云等人發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑越大、表觀氣速越低，壓降越大。SHENG等研究了3D打印中物料顆粒在彎管中的成繩和分散情況；杜俊等人發(fā)現(xiàn)稀相輸送中顆粒質(zhì)量流量增加、彎徑比增大可以增強(qiáng)彎管顆粒繩的緊湊度。代婧鑫等發(fā)現(xiàn)隨著煤粉粒徑的增大，彎管的單位壓力損失也隨之增大。周靖發(fā)現(xiàn)彎管磨損總是發(fā)生在彎管外壁。楊石等人提出文丘里管壓差信號(hào)計(jì)算得到的煤粉流量穩(wěn)定性指標(biāo)可以更好地評(píng)價(jià)煤粉流量穩(wěn)定性。CONG等發(fā)現(xiàn)可以使用雷諾數(shù)和阿基米德數(shù)之間的關(guān)系預(yù)測(cè)流型轉(zhuǎn)變。ZHOU等發(fā)現(xiàn)隨著旋流的增加，彎管的平均侵蝕率顯著下降。楊倫、謝一華對(duì)彎管壓降進(jìn)行研究，提出了彎管壓降的經(jīng)驗(yàn)公式，但其研究的假設(shè)前提是將顆粒與氣體視為均勻混合的流體。對(duì)于密相氣力輸送來(lái)講，該假設(shè)顯然不成立。

為拓寬氣力輸送技術(shù)輸送粒徑范圍，增強(qiáng)輸送大顆粒物料的能力，開(kāi)發(fā)了一種新型的多功能氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，借鑒楊倫、謝一華提出的彎管壓降經(jīng)驗(yàn)公式，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果針對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的密相氣力輸送系統(tǒng)內(nèi)彎管壓降模型添加修正系數(shù)，并對(duì)修正前后的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)與物料性質(zhì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

使用多功能氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用螺桿式空氣壓縮機(jī)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供壓縮空氣，空壓機(jī)型號(hào)為DHF-30PH，由廣東葆德科技有限公司生產(chǎn)，電機(jī)功率22 kW，排氣量1.0～3.8 m/min。儲(chǔ)氣罐直接與空壓機(jī)連接，用于儲(chǔ)存壓縮空氣，空壓機(jī)設(shè)定壓力為0.6～0.8 MPa，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓高于0.8 MPa時(shí)空壓機(jī)停止工作，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓低于0.6 MPa時(shí)空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)為儲(chǔ)氣罐供壓。儲(chǔ)氣罐由湖北靈坦機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)，容量為1 m，設(shè)計(jì)壓力0.84 MPa。氣流流出儲(chǔ)氣罐，經(jīng)過(guò)冷凍式壓縮空氣干燥機(jī)除水后輸出，干燥機(jī)由中山市凌宇機(jī)械有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為L(zhǎng)Y-D30AH，公稱進(jìn)口容積流量為3.8 m/min，額定工作壓力為1.0 MPa，功率為1.1 kW。壓空氣從干燥機(jī)流出后，由渦街流量計(jì)(精度1%)測(cè)量流量，渦街流量計(jì)生產(chǎn)廠商為江蘇儀華控儀設(shè)備有限公司，口徑規(guī)格為DN32，工作電壓為24 V。壓縮空氣經(jīng)過(guò)渦街流量計(jì)后分3路進(jìn)入倉(cāng)泵中，3路進(jìn)氣管的作用分別為流化、加壓、調(diào)節(jié)，3路進(jìn)氣有助于顆粒與氣流混合充分流化的同時(shí)平穩(wěn)加壓。倉(cāng)泵從上方進(jìn)料口進(jìn)料，進(jìn)料倉(cāng)與倉(cāng)泵之間連接處安裝有氣動(dòng)閥和手動(dòng)閥，保證實(shí)驗(yàn)裝置氣密性和實(shí)驗(yàn)的安全性。倉(cāng)泵下側(cè)的出料口由氣動(dòng)閥門(mén)出料閥控制，倉(cāng)泵內(nèi)氣壓大約達(dá)到200 kPa時(shí)，打開(kāi)出料閥。倉(cāng)泵由青島信泰壓力容積有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品編號(hào)為20R-01215，設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa，耐壓試驗(yàn)壓力為1.05 MPa，設(shè)計(jì)溫度400 ℃，容積0.35 m。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程

倉(cāng)泵出料有兩條線路——線路A、線路B。線路A為一段管道，線路B則經(jīng)過(guò)稀相氣力輸送系統(tǒng)，兩條線路在末端匯合。選擇線路A時(shí)，該系統(tǒng)為密相氣力輸送系統(tǒng)，物料由倉(cāng)泵發(fā)出。選擇線路B時(shí)，則有兩種輸送方式:方式一,倉(cāng)泵不進(jìn)料，物料僅通過(guò)稀相系統(tǒng)進(jìn)料，實(shí)現(xiàn)稀相氣力輸送；方式二,倉(cāng)泵與稀相系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)料，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密相與稀相混合輸送。此次研究使用線路A。

此次試驗(yàn)的主要研究對(duì)象為水平轉(zhuǎn)垂直的90°彎管，如圖 2所示。此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試用到的彎管參數(shù)為：=100 mm,=105 mm,=4 mm,=65 mm,=2 000 mm。彎管進(jìn)、出口均安裝有壓力變送器(精度0.5 %，工作電壓24 V)，壓力變送器發(fā)出的變化的電壓信號(hào)由USB3100采集卡采集，USB3100采集卡由北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，采用8路12位AD采集，采樣頻率位20 kS/s。物料顆粒經(jīng)過(guò)管道輸送后進(jìn)入出料倉(cāng)，出料倉(cāng)上安裝有旋風(fēng)收集器，其作用主要是對(duì)經(jīng)過(guò)管道輸送而來(lái)的物料進(jìn)行除塵。實(shí)驗(yàn)中所有控制閥均通過(guò)控制臺(tái)調(diào)控。

圖2 彎管測(cè)點(diǎn)示意

此次研究需要用到該氣力輸送系統(tǒng)中的4個(gè)壓力傳感器(AI0、AI1、AI3、AI4)，其中：AI0、AI1分別安裝于倉(cāng)泵和倉(cāng)泵出料口，用于偵測(cè)倉(cāng)泵出料口壓力損失；AI3、AI4安裝于彎管進(jìn)出口位置，用于測(cè)量彎管位置壓力損失。

實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況與參數(shù)

1.2 物料性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)采用炭黑母粒(聚乙烯與炭黑混合物)作為被輸送物料(見(jiàn)圖3)，具有不起揚(yáng)塵、不易破碎的優(yōu)點(diǎn)，便于此次實(shí)驗(yàn)研究彎管的壓降特性。經(jīng)測(cè)量，炭黑母粒為直徑約2.5 mm、高約3.3 mm的圓柱狀顆粒，堆積密度為1.141 g/cm，真實(shí)密度為1.687 g/cm。

圖3 實(shí)驗(yàn)物料

2 壓降模型

根據(jù)楊倫、謝一華對(duì)于彎管部分的局部壓損研究，得到彎管部分壓降的經(jīng)驗(yàn)公式

(1)

其中：Δ為彎管壓降，kPa；為固氣混合比；為彎管局部阻力的附加壓降系數(shù)，此次試驗(yàn)對(duì)象為水平轉(zhuǎn)鉛垂彎管，如圖2所示，楊倫、謝一華提出的附加壓降系數(shù)=2.2；為氣流流經(jīng)彎管的局部阻力系數(shù)，可由魏斯巴赫研究的彎管經(jīng)驗(yàn)公式確定

(2)

(3)

其中:為氣流密度，g/m；為工況實(shí)際壓力，kPa；為標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓，值為101.325 kPa；為實(shí)際絕對(duì)溫度(K)，=273.15+。為穩(wěn)定輸送階段氣流速度。

(4)

其中：為穩(wěn)定階段氣流速度，m/s；為穩(wěn)定輸送階段持續(xù)時(shí)間，s；為DN65的管道半徑，m；為工況下穩(wěn)定輸送階段的耗氣量，m。

(5)

其中:為標(biāo)況下穩(wěn)定輸送階段耗氣量(由流量計(jì)獲得)，m；為彎管進(jìn)出氣壓的平均值，kPa。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 穩(wěn)定輸送階段

圖 4為倉(cāng)泵內(nèi)壓力測(cè)試點(diǎn)AI0和倉(cāng)泵出料口壓力測(cè)試點(diǎn)AI1的壓力波動(dòng)圖像。AI0圖像在=4.5 s左右小幅回落后又繼續(xù)上升，這是因?yàn)樾读祥y打開(kāi)瞬間，倉(cāng)泵中的氣壓略微下降，但儲(chǔ)氣罐供氣并未停止，因此倉(cāng)泵內(nèi)氣壓僅在開(kāi)閥瞬間發(fā)生小幅波動(dòng)后，繼續(xù)保持上升趨勢(shì)。AI0、AI1的壓力信號(hào)波動(dòng)基本一致，平穩(wěn)階段對(duì)應(yīng)的時(shí)間段相同。

圖4 AI0、AI1壓力波動(dòng)

氣流的標(biāo)況瞬時(shí)流量如圖5所示。圖像兩次波動(dòng)之間有一段平穩(wěn)的階段，對(duì)比同時(shí)間軸的AI0、AI1圖像，發(fā)現(xiàn)AI0、AI1圖像在此時(shí)剛好處于壓力穩(wěn)定的階段。

圖5 渦街流量計(jì)測(cè)得標(biāo)況瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)

對(duì)比上述圖像發(fā)現(xiàn):倉(cāng)泵的出料閥打開(kāi)時(shí)，其壓力和流量變化劇烈，該階段測(cè)試的數(shù)據(jù)不能作為測(cè)試結(jié)果用于最后的模型計(jì)算。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，壓力、流量在同一時(shí)間段達(dá)到穩(wěn)定階段，這一時(shí)間階段為物料輸送的穩(wěn)定輸送階段。

3.2 固氣混合比

圖5中標(biāo)況瞬時(shí)流量圖像在=48 s后大幅度飆升，此時(shí)管道物料的顆粒已經(jīng)輸送完全，此次試驗(yàn)倉(cāng)泵出料壓力為200 kPa，固氣混合比在280～320之間。對(duì)比龔欣等人的試驗(yàn)臺(tái)固氣比數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了高固氣比密相氣力輸送的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 試驗(yàn)臺(tái)輸送能力

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輸送能力為

(6)

其中:為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)每小時(shí)輸送的物料質(zhì)量，t/h；為每次實(shí)驗(yàn)的平均輸送物料量(t)，值約為0.248 t；為送料前消耗的時(shí)間(h)，多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段約為16 s；為送料時(shí)間(h)，多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段約為44.83 s。經(jīng)計(jì)算，該試驗(yàn)系統(tǒng)的輸送能力約為14.71 t/h。

3.4 模型誤差與壓降修正系數(shù)

由楊倫、謝一華提出的彎管壓降經(jīng)驗(yàn)公式直接計(jì)算得到的預(yù)測(cè)壓降與此次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際壓降存在顯著差異，如圖 6所示。這是因?yàn)樵摻?jīng)驗(yàn)公式的前提是將氣固二相流視為一種均勻混合的流體，對(duì)于稀相氣力輸送系統(tǒng)較適用，而密相氣力輸送中的氣固二相流流態(tài)變化大且不同流態(tài)之間流速存在較大差異，物料輸送過(guò)程中顆粒與氣流在管道中無(wú)法做到均勻混合，因此不能直接使用原有計(jì)算模型預(yù)測(cè)彎管壓降。

圖6 模型修正與真實(shí)壓降的比較

通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，對(duì)楊倫、謝一華提出的彎管壓降模型進(jìn)行系數(shù)修正，可以獲得更為準(zhǔn)確的壓降預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖 7所示，修正后的壓降預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值誤差在15.75%以內(nèi)。修正后的預(yù)測(cè)模型為

(7)

其中：彎管壓降模型修正系數(shù)=15.868。

圖7 彎管壓降的實(shí)驗(yàn)值與修正后的模型計(jì)算值

4 總結(jié)

在自建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)密相氣力輸送彎管壓降預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究，有如下成果：

(1)自建多功能氣力輸送系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)密相、稀相氣力輸送，還可以實(shí)現(xiàn)密相、稀相同時(shí)進(jìn)行的混合輸送實(shí)驗(yàn)；

(2)倉(cāng)泵出料后，物料需經(jīng)壓力穩(wěn)定、流量穩(wěn)定后才進(jìn)入穩(wěn)定輸送階段；

(3)對(duì)彎管壓損模型進(jìn)行修正，修正后的彎管壓降預(yù)測(cè)模型與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，誤差在±15.7%以內(nèi)。