悬浮式气力输送的基本原理

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

                                                                          一、物料颗粒的空气动力学特性

        研究散状固体物料的气力输送，即研究物料颗粒在气流中的运动规律，而沉降速摩悬浮速度是物料颗粒在气流中运动的最基本特性，这个特性也称为物料颗粒的空气动学特性。

        悬浮速度反映了所输送物料颗粒在气流中的主要物理特性。悬浮速度的数值大小由物料的密度、粒径、形状、表面状态、管道直径、空气密度等因素决定。物料颗粒的悬浮度是悬浮式气力输送系统设计的主要原始数据之一，它是合理选择输料管安全输送风速的重要依据。

                                                                           二、物料在管道中的运动

       管道中的物料在空气动力作用下的运动由于受到许多因素的影响因而是一个很复杂的现象，它涉及气固两相流的理论。

       1.输送气流速度与物料运动状态

理论上讲，在垂直管道中，当气流的速度大于颗粒的悬浮速度时，单颗粒物料就能被气流带走，形成气力输送。而在实际装置中，由于物料是颗粒群体而且颗粒之间、颗粒与管道之间存在着摩擦和碰撞、管道边壁附近区域的低速区以及弯头等局部构件处气流速度的不均匀，常造成输料管中实际所需的气流速度远大于颗粒的悬浮速度。

       在气力输送过程中，物料颗粒的运动状态主要受输送气流速度影响和控制。在输送量一定时，输送气流速度越大，颗粒在管道内气流中的分布越接近均匀分布而且处于完全悬浮输送状态。气流速度逐渐减小时，在垂直管道中会出现物料颗粒速度下降、物料分布出现密疏不均现象，而对于水平输料管则会出现靠近管底物料分布密度高的现象，当气流速度低于某一值时，对于垂直输料管出现局部管段掉料、悬浮但又能够被提升现象，对于水平输料管则会出现一部分颗粒再管底停滞，处于一边滑动，一边被气流推着运动的运动状态。当气流速度进一步减小时，水平输料管管底停滞的物料层做不稳定的移动，最后停顿，产生管道堵塞现象，对于垂直输料管则会出现管道中输送的物料瞬间发生重力沉降，即发生所谓的掉料或堵塞管道等现象。

       颗粒群物料在水平输料管中不同输送风速时的物料运动状态如图6-21所示。

       (1)悬浮流一输送气流速度较高，颗粒在气流中接近均匀分布状态，以完全悬浮态输送，因而也称为均匀流，这是气力输送一种最理想的输送状态。在除尘风网中，管道内粉尘含尘浓度不高，而气流速度偏高，会出现均流输送状态。

      (2)管底流 管道中气流速度不高，物料颗粒大部分集中在输料管的下侧。越接近管底区域物料颗粒分布越密，但没有出现停滞。物料颗粒一面做不规则的旋转、碰撞，一面被输送。

         (3)疏密流管道中气流速度降到某数值或者一定的气流输送速度下供料量继续增加时，就会出现颗粒在管道的长度方向上疏密不均现象，在物料密集区域一部分颗粒在管底滑动但没有停顿。疏密流是颗粒悬浮输送的临界状态，这是一种不稳定的输送状态。

        (4)停滞流 管道内气流速度低于某数值时，大部分颗粒失去悬浮能力沉降到管底停滞在管底的颗粒在局部管段聚集在一起，使管道断面变狭窄。狭窄的断面又使得流经该处的气流速度增大，增大的气流速度又将停滞的颗粒吹走。颗粒就是这样在停滞聚集和吹走相互交替中处于不稳定输送状态。

       (5)部分流输送气流速度进一步减小时颗粒堆积于管底，气流在上部流动形成部分流。堆积于管底的物料上层表面，有部分颗粒在气流作用下做不规则移动，而且堆积的物料也会随着时间的变化做沙丘似的移动。

       (6)柱塞流气力速度很小，沉积到管底的物料层在局部管段已充满了输料管形成物料柱完全堵塞了管道，于是气流压力逐渐升高(风机有足够的压力、电动机功率允许等情况下)，物料柱就在较高的空气压力的推动下移动，形成柱塞流或栓流。

       柱塞流时，物料颗粒在管道中已完全失去了悬浮能力面形成物料柱，在这种状况下的输送常称为静压输送或栓流输送。其余五种输送状态是靠气流的动能输送的常称为动能输送或悬浮输送。

       2.空气动力与物料运动轨迹

       在垂直输料管中，空气动力对物料悬浮以及输送起着直接作用。空气动力与物料颗粒的重力在同一垂直线上，但方向相反，所以，只要物料颗粒的空气动力大于浮重，物料便可实现气力输送。但由于物料处于紊流气流中，因此颗粒有受到径向分力的作用，同时由于颗粒本身的不规则、颗粒之间、颗粒与管道内壁之间的碰撞、摩擦等引起的作用力和反作用力以及颗粒旋转产生的马格努斯效应等，使颗粒受到除垂直方向力之外的水平分力的作用，最终导致在垂直输料管中物料以一种不规则的曲线上升运动。

       在水平输料管中，物料颗粒的重力方向与水平气流方向相垂直，因此空气动力对颗粒的悬浮不起直接作用。但实际气力输送装置中物料颗粒在水平管道中仍能被正常悬浮输送，因此，管道内存在着与物料运动方向垂直的力，这种力即物料悬浮的升力或浮力。一般认为在水平管道中物料颗粒在受到水平方向的空气动力之外还受到了如下所述的几种升力作用。

        (1)紊流的分速度 气力输送管道内气流流型为紊流，因而管道内水平气流速度径向上的分速度会产生使物料悬浮的升力。

        (2)颗粒上下表面之间的静压差力 输料管有效断面上空气流动存在速度梯度而引起的颗粒上下表面之间静压差所产生的升力。

       在气流速度相同时，小管径的速度梯度大于大管径，所以小管径内气流的升力大。大管径的输料管中，容易形成管底流就是这个原因。

       (3)马格努斯效应引起的升力由于空气的黏滞性，旋转颗粒周围的空气被带动形成与颗粒旋转方向一致的环流。颗粒周围的环流与管内气流速度叠加使颗粒上部的气流速度增加、压强下降，而颗粒下部的气流速度降低、压强升高，因而颗粒上下的压力差颗粒产生了升力的作用，这一现象通常称为马格努斯效应。

       在气力输送中，以球形颗粒物料产生的马格努斯效应最为显著。如对水平管道输送豆进行高速摄影，可以看出大豆每秒钟旋转数千转，根据研究结果，发现由马格努斯效应引起的升力可达大豆颗粒自身重力的几倍。

       (4)由于颗粒形状不规则产生的推力在垂直方向的分力。

       (5)由于颗粒之间或与管壁碰撞而产生的跳跃，或受到反作用力的作用在垂直方向的分力。

       这些力共同作用的结果，使得颗粒在水平气流中不断处于悬浮状态并星悬浮状态输送。并且水平管道中的气流速度越大，颗粒悬浮的升力就越大，越有利于物料输送，但同时能量消耗也增大，因此物料颗粒在水平管道中的安全输送是需要消耗较高能量的，所以，设计气力输送装置时尽可能选取最短的水平管段就是这个原因。同时可以知道，水平输料管道内物料的运动轨迹不是一条直线，而是颗粒悬浮和沉降交替出现的不规则曲线运动。

      3.输料管断面气流速度分布

      纯空气管流时，有效断面上空气流动为紊流流型时气流速度的分布为对数曲线，在管道轴心线上速度具有最大值，而且速度分布对称于管道的轴心线。

      在空气中混有物料流动时，即气力输送管道中，气流速度分布有很大的变化，在水平输料管中最大速度的位置移到了管道轴心线之上。

      在水平管道中，由于颗粒的重力作用，越接近管底物料分布越密，因此，使管底的空气流动受到阻碍，速度也就减小。较低的气流速度又会导致颗粒的速度减小，最后影响到物料的输送，严重时，会出现物料在管底停滞而管道堵塞现象。

      不论在垂直输料管或是水平输料管中，气流速度均成系流流型，而且管道中气流速度的分布总是管道中心区域速度大，管壁区域速度低，而气流中的物料总是存在由高速区向低速区运动的趋势。所以，选用输料管中气流速度时，应保证在气流速度分布较低区域不致造成颗粒停滞为基准，尤其在选用水平输料管输送风速时更是如此。

      4.气力输送的压损特性

       物料颗粒在管道中呈悬浮状态输送时，总存在着颗粒间或与管壁之间的碰撞或摩擦这样会使颗粒损失一部分从气流那里得到的能量，即气流具有的能量的一部分要消耗在颗粒与管壁的碰撞或摩擦上，而这部分能量损失是以气流压力损失的形式表现出来的。般，气流速度越大，压力损失越显著;而气流速度减小时，颗粒又会产生停滞现象，加剧颗粒与管壁的摩擦，压力损失反而增大。

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