懸浮式氣力輸送的基本原理

Writer： admin Time：2024-09-27 09:06:29 Browse：℃

                                                                          一、物料顆粒的空氣動力學特性

        研究散狀固體物料的氣力輸送，即研究物料顆粒在氣流中的運動規律，而沉降速摩懸浮速度是物料顆粒在氣流中運動的最基本特性，這個特性也稱為物料顆粒的空氣動學特性。

        懸浮速度反映了所輸送物料顆粒在氣流中的主要物理特性。懸浮速度的數值大小由物料的密度、粒徑、形狀、表面狀態、管道直徑、空氣密度等因素決定。物料顆粒的懸浮度是懸浮式氣力輸送系統設計的主要原始數據之一，它是合理選擇輸料管安全輸送風速的重要依據。

                                                                           二、物料在管道中的運動

       管道中的物料在空氣動力作用下的運動由于受到許多因素的影響因而是一個很復雜的現象，它涉及氣固兩相流的理論。

       1.輸送氣流速度與物料運動狀態

理論上講，在垂直管道中，當氣流的速度大于顆粒的懸浮速度時，單顆粒物料就能被氣流帶走，形成氣力輸送。而在實際裝置中，由于物料是顆粒群體而且顆粒之間、顆粒與管道之間存在著摩擦和碰撞、管道邊壁附近區域的低速區以及彎頭等局部構件處氣流速度的不均勻，常造成輸料管中實際所需的氣流速度遠大于顆粒的懸浮速度。

       在氣力輸送過程中，物料顆粒的運動狀態主要受輸送氣流速度影響和控制。在輸送量一定時，輸送氣流速度越大，顆粒在管道內氣流中的分布越接近均勻分布而且處于完全懸浮輸送狀態。氣流速度逐漸減小時，在垂直管道中會出現物料顆粒速度下降、物料分布出現密疏不均現象，而對于水平輸料管則會出現靠近管底物料分布密度高的現象，當氣流速度低于某一值時，對于垂直輸料管出現局部管段掉料、懸浮但又能夠被提升現象，對于水平輸料管則會出現一部分顆粒再管底停滯，處于一邊滑動，一邊被氣流推著運動的運動狀態。當氣流速度進一步減小時，水平輸料管管底停滯的物料層做不穩定的移動，最后停頓，產生管道堵塞現象，對于垂直輸料管則會出現管道中輸送的物料瞬間發生重力沉降，即發生所謂的掉料或堵塞管道等現象。

       顆粒群物料在水平輸料管中不同輸送風速時的物料運動狀態如圖6-21所示。

       (1)懸浮流一輸送氣流速度較高，顆粒在氣流中接近均勻分布狀態，以完全懸浮態輸送，因而也稱為均勻流，這是氣力輸送一種最理想的輸送狀態。在除塵風網中，管道內粉塵含塵濃度不高，而氣流速度偏高，會出現均流輸送狀態。

      (2)管底流 管道中氣流速度不高，物料顆粒大部分集中在輸料管的下側。越接近管底區域物料顆粒分布越密，但沒有出現停滯。物料顆粒一面做不規則的旋轉、碰撞，一面被輸送。

         (3)疏密流管道中氣流速度降到某數值或者一定的氣流輸送速度下供料量繼續增加時，就會出現顆粒在管道的長度方向上疏密不均現象，在物料密集區域一部分顆粒在管底滑動但沒有停頓。疏密流是顆粒懸浮輸送的臨界狀態，這是一種不穩定的輸送狀態。

        (4)停滯流 管道內氣流速度低于某數值時，大部分顆粒失去懸浮能力沉降到管底停滯在管底的顆粒在局部管段聚集在一起，使管道斷面變狹窄。狹窄的斷面又使得流經該處的氣流速度增大，增大的氣流速度又將停滯的顆粒吹走。顆粒就是這樣在停滯聚集和吹走相互交替中處于不穩定輸送狀態。

       (5)部分流輸送氣流速度進一步減小時顆粒堆積于管底，氣流在上部流動形成部分流。堆積于管底的物料上層表面，有部分顆粒在氣流作用下做不規則移動，而且堆積的物料也會隨著時間的變化做沙丘似的移動。

       (6)柱塞流氣力速度很小，沉積到管底的物料層在局部管段已充滿了輸料管形成物料柱完全堵塞了管道，于是氣流壓力逐漸升高(風機有足夠的壓力、電動機功率允許等情況下)，物料柱就在較高的空氣壓力的推動下移動，形成柱塞流或栓流。

       柱塞流時，物料顆粒在管道中已完全失去了懸浮能力面形成物料柱，在這種狀況下的輸送常稱為靜壓輸送或栓流輸送。其余五種輸送狀態是靠氣流的動能輸送的常稱為動能輸送或懸浮輸送。

       2.空氣動力與物料運動軌跡

       在垂直輸料管中，空氣動力對物料懸浮以及輸送起著直接作用。空氣動力與物料顆粒的重力在同一垂直線上，但方向相反，所以，只要物料顆粒的空氣動力大于浮重，物料便可實現氣力輸送。但由于物料處于紊流氣流中，因此顆粒有受到徑向分力的作用，同時由于顆粒本身的不規則、顆粒之間、顆粒與管道內壁之間的碰撞、摩擦等引起的作用力和反作用力以及顆粒旋轉產生的馬格努斯效應等，使顆粒受到除垂直方向力之外的水平分力的作用，最終導致在垂直輸料管中物料以一種不規則的曲線上升運動。

       在水平輸料管中，物料顆粒的重力方向與水平氣流方向相垂直，因此空氣動力對顆粒的懸浮不起直接作用。但實際氣力輸送裝置中物料顆粒在水平管道中仍能被正常懸浮輸送，因此，管道內存在著與物料運動方向垂直的力，這種力即物料懸浮的升力或浮力。一般認為在水平管道中物料顆粒在受到水平方向的空氣動力之外還受到了如下所述的幾種升力作用。

        (1)紊流的分速度 氣力輸送管道內氣流流型為紊流，因而管道內水平氣流速度徑向上的分速度會產生使物料懸浮的升力。

        (2)顆粒上下表面之間的靜壓差力 輸料管有效斷面上空氣流動存在速度梯度而引起的顆粒上下表面之間靜壓差所產生的升力。

       在氣流速度相同時，小管徑的速度梯度大于大管徑，所以小管徑內氣流的升力大。大管徑的輸料管中，容易形成管底流就是這個原因。

       (3)馬格努斯效應引起的升力由于空氣的黏滯性，旋轉顆粒周圍的空氣被帶動形成與顆粒旋轉方向一致的環流。顆粒周圍的環流與管內氣流速度疊加使顆粒上部的氣流速度增加、壓強下降，而顆粒下部的氣流速度降低、壓強升高，因而顆粒上下的壓力差顆粒產生了升力的作用，這一現象通常稱為馬格努斯效應。

       在氣力輸送中，以球形顆粒物料產生的馬格努斯效應最為顯著。如對水平管道輸送豆進行高速攝影，可以看出大豆每秒鐘旋轉數千轉，根據研究結果，發現由馬格努斯效應引起的升力可達大豆顆粒自身重力的幾倍。

       (4)由于顆粒形狀不規則產生的推力在垂直方向的分力。

       (5)由于顆粒之間或與管壁碰撞而產生的跳躍，或受到反作用力的作用在垂直方向的分力。

       這些力共同作用的結果，使得顆粒在水平氣流中不斷處于懸浮狀態并星懸浮狀態輸送。并且水平管道中的氣流速度越大，顆粒懸浮的升力就越大，越有利于物料輸送，但同時能量消耗也增大，因此物料顆粒在水平管道中的安全輸送是需要消耗較高能量的，所以，設計氣力輸送裝置時盡可能選取最短的水平管段就是這個原因。同時可以知道，水平輸料管道內物料的運動軌跡不是一條直線，而是顆粒懸浮和沉降交替出現的不規則曲線運動。

      3.輸料管斷面氣流速度分布

      純空氣管流時，有效斷面上空氣流動為紊流流型時氣流速度的分布為對數曲線，在管道軸心線上速度具有最大值，而且速度分布對稱于管道的軸心線。

      在空氣中混有物料流動時，即氣力輸送管道中，氣流速度分布有很大的變化，在水平輸料管中最大速度的位置移到了管道軸心線之上。

      在水平管道中，由于顆粒的重力作用，越接近管底物料分布越密，因此，使管底的空氣流動受到阻礙，速度也就減小。較低的氣流速度又會導致顆粒的速度減小，最后影響到物料的輸送，嚴重時，會出現物料在管底停滯而管道堵塞現象。

      不論在垂直輸料管或是水平輸料管中，氣流速度均成系流流型，而且管道中氣流速度的分布總是管道中心區域速度大，管壁區域速度低，而氣流中的物料總是存在由高速區向低速區運動的趨勢。所以，選用輸料管中氣流速度時，應保證在氣流速度分布較低區域不致造成顆粒停滯為基準，尤其在選用水平輸料管輸送風速時更是如此。

      4.氣力輸送的壓損特性

       物料顆粒在管道中呈懸浮狀態輸送時，總存在著顆粒間或與管壁之間的碰撞或摩擦這樣會使顆粒損失一部分從氣流那里得到的能量，即氣流具有的能量的一部分要消耗在顆粒與管壁的碰撞或摩擦上，而這部分能量損失是以氣流壓力損失的形式表現出來的。般，氣流速度越大，壓力損失越顯著;而氣流速度減小時，顆粒又會產生停滯現象，加劇顆粒與管壁的摩擦，壓力損失反而增大。

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