气力运输——第三讲

第三讲气力输送系统压损计算彭万喜博士教授[e-mail]3.1碎料在水平管内运动3.2压损计算3.3摩擦阻力计算3.4局部阻力计算3气力输送系统压损计算3.1碎料在水平管内运动3.1.1物料在水平管道是怎样悬浮起来的：G（1）紊流的气流动压力：管道中的气流处于紊流状态，其中不乏有向上的气流，这是悬浮力之一（2）船吸力：输送管的截面中气流速度分布不均匀，存在速度梯度，流速大则动压大静压小，流速小则动压小静压大。管底的物料粒子会受到由于气流速度梯度而造成的静压差所产生的升力。（3）旋球力：当物料粒子旋转时，由于空气具有粘性，所以粒子周围的空气被带动，从而形成与物料粒子旋转方向一致的环流。在粒子的上部，环流与管内气流运动方向一致，速度叠加使流速增大，在粒子的下部，环流与管内气流运动方向相反，速度叠加使流速减小，这样，由于粒子周围的环流与气流合成造成的速度差而有静压差(在粒子上部的静压小)，因面产生上升力，这一现象通常称为“马格努斯效应”。（4）斜面产生的升力：由于形状不规则的物料粒子在气流推力作用下，在垂直方向产生的分力。（5）由于物料粒子相互之间及粒子与管壁碰撞而发生跳跃，或受到反作用力在垂直方向的分力。3.1.2物料在水平管道运动状态（1）悬浮流：气流速度极大，物料粒子在水平管道中悬浮得极好，均匀分布。进口设备往往使用极大的功率，以保证管道畅通。（2）底密流：气流速度大小正好，物料粒子能悬浮但下面多一些，上面少一些。设计得最好。（3）疏密流：是物料粒子悬浮输送的极限状态气流速度大小可以，物料粒子刚好悬浮起来，有疏有密。最省能量的设计。（4）停滞流：气流速度设计偏小，物料粒子很难悬浮起来，成团状运动，有可能发生沉降，时间长了也可能堵塞。（5）部分流：气流速度太小，物料已经沉降，成沙丘状运动。随时都会堵塞。设计得不好。(6）柱塞流：它不属于悬浮输送，静压、高压输送，混合浓度极大，用罗茨风机。悬浮流、底密流及疏密流均属于输送的浮游流动状态。停滞流及部分流是属于输送的集团流动状态。输送气流速度与单位管长的压损的关系粒子与管壁的摩擦而失去的能量，即压力损失，当气流速度越大时则越显著，它大致与气流速度的平方成正比例关系。但是，另一方面当输送气流速度减小，物料粒子接近产生停滞时，则物料粒子与管壁的摩擦又反而增大，所以此时的压力损失反而增加。见图。气流速度在管道中不是均匀分布的，有速度梯度。对于纯空气来说，气流在管道截面上的速度分布是对称于管道的中心线，亦即在管道截面的中心处的速度具有最大值。如图12-4P185V平均=0.65Vmax气流速度在管中分布：启动速度：物料在水平管道内开始滑动时的气流速度；再继续增大管内气流速度，对物料作用的上升力也随之增加，使物料自管底升浮起来。临界速度：使水平输送管内的某种物料能够达到稳定输送状态时所要求的最小气流速度。又称为“最适气流速度”。它是关系到物料在水平管道内获得稳定且合理的气力输送的重要参数。注意:在气力输送中这里的势能不是指高度，而是气体分子的势能。由于空气的重度比较小，所以在气力输送系统中可以忽略气体势能的变化，则伯努利方程式应用于气力输送中可以简化为：gvp22fhgvpgvp22222211常数但是，实际上气流在管内流动的过程中是有能量损失的(实际流体是有粘滞性的，所以在流动过程中有摩擦阻力发生)，因此，实际气流在管内流动时的伯努利方程式可以写成：p—静压能γv²/2g—动压能，称为一个动压头、动压力γ—气体的重度12.3N/m³∑hf—1与2两个端面之间的压力损失静压能与动压能之和，称为全压（p全）静压能：pa分子的势能，这是由气体分子的距离造成的。气体分子有一定的间距：当分子间距被增大表现为分子间拉力，容积中气体分子数量太少，它要吸引更多的气体分子进去，表现为负压力；当分子间距被减小表现为分子间斥力，容积中气体分子数量太多，它要挤出去多余的气体分子，表现为正压力。负压力最大是一个大气压，不可能绝对真空，可以容纳不到一个大气压的能量；而正压力可以很大，能量主要在这里。动压能：取决于气体的速度，速度大、阻力大，所以动压能容纳不了多少能量，单位—pa(N/m²)压力：流体每单位面积上所受到的垂直方向的力称为压力。压力的计量有绝对压力和相对压力两种表示法。3.1.3混合气流在直立管道内的速度为了能够在气流输送管的直立管段内由下向上输送散碎物料，就要求在此直立管段内，气流的速度要大于被吹送的物料的悬浮速度。悬浮速度的含义：将物料颗粒置于直立管段内，自下而上地通过气流，此时，物料颗粒则处于二种力的作用下，一种是物料颗粒的本身重力与空气浮力之差(mg—γav)，此力使物料颗粒“下降”；一种是空气动力(p)，此力使物料颗粒上升。当作用在物料颗粒上的此二种力相平衡时，物料颗粒就悬浮在某一高度处，既不上升也不下降，并脱离管壁，则此时的空气速度称为该物料颗粒的悬浮速度。当P(mg—γav)时，物料下降；当P(mg—γav)时，物料上升；当P=(mg—γav)时，物料处于悬浮状态。物料从静止状态开始，在空气中自由下落，最终会达到均匀等速的沉降，物料这一等速下降的速度即称为该物料的沉降速度。当量球体计算分析方法3324.16sssGGdGdss63对于非球形粒子，将其换算成当量球体。当量球体的重力取为被研究的不规则形状物料粒子的重力，即由：PsG所以12-13当量球体计算分析方法)/(02.014.0smhavass对于木材碎料，按计算分析原理并结合实验数据，可得出一个比较接近于实际的计算公式(注：用这个实验公式计算木材散碎物科的悬浮速度时，只是对于厚度超过l毫米的木材散碎物料均显得与实验结果相接近)。12-14从理论上讲，在直立管内只要气流速度是稍大于物料颗粒的悬浮速度，则该物料颗粒就会被向上吹送。但是，实际上并不能以这样的准确度来衡量此问题，因为实际情况是有变化的，这些因素取决于物料颗粒的比重、几何形状及物料颗粒的表面状态(物料颗粒迎风面积的变化)、气流的性质(层流或紊流)等。一般需将悬浮速度vs增大1.3--3倍。从实际应用来说：管系的速度取决于易堵塞处，垂直管从来不堵，堵塞一般发生在弯头、三通等局部阻力处，所以这样的方法并不太适用。我们在生产时需要的是不堵塞速度，或者说是畅通速度。V畅通可以由实验风机实测。也可以由生产实践决定。因为V畅通V弯头V水平V垂直所以书中根据以前的实验资料提出（12-9）式V畅通=V最小（水平）+Vs另外，对于成为粒子状态的木材散碎物料，在气流输送管道系统内(包括水平管段与直立上升管段)进行输送时，所必要的气流速度可大约按下公式计算，即：sdv161012-9根据实验得知：对于厚度小于0.35毫米的很薄的木材刨花，它们的厚度与悬浮速度之间的关系(若长度与宽度的尺寸皆为相同)，可由公式(12一15)近似地表示出，即42121hhbvv3.2压损计算气流在管道内的流动是由于管道两端的压力差所引起的，气流从高压端流向低压端。由于沿程摩擦阻力的存在，沿着气流管道长度，各个管道截面上的全压值与静压值都是变化。因此在气力输送管道系统中任意两截面的压力差值，称为压力损失，简称压损。产生压损的原因有两个，一种是由于空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻力或沿程阻力；另一种是空气流经风管中的管件及设备时，由于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损失，称为局部阻力。气力输送系统中总的压力损失计算公式如下：Δp总=Δp沿程+Δp局部压力的表示方法根据度量基准的不同，液体的压力分绝对压力和相对压力。真空度：当绝对压力低于大气压时，绝对压力不足于大气压力的那部分压力值。绝对压力＝大气压力＋相对压力真空度=大气压力－绝对压力显然，管道系统内绝对压力愈低，它的真空度越大。绝对压力、相对压力和真空度关系1.全压力：H全=H静+H动=静压力+动压力pa（N/m²)单位面积受的力。以大气压力为0，可以是正数也可以是负数。2.风量(流量)：Q----单位时间流过的空气量。m³/s或L/minQ=vA式中：v----流速m/sA----过流面积m²3.功率：W=H全Q（w)=H全vA面/h注意单位：压力·面积·速度N/m²m²m/s力×速度=功率设计时,在一个系统里面计算出管径d、管长l、风量Q、风压H、风速v、重量混合浓度μ就行。至于压力损失计算时：只要算出入口、水平管、弯头、上升管等的压损把它们全加起来就行了。3.3摩擦阻力计算根据流体力学原理，摩擦阻力可按下式计算：对于圆形风管，摩擦阻力计算公式可改写为：圆形风管单位长度的摩擦阻力（又称比摩阻）为：3.3.1混合气流在水平管的压损混合气流在水平管的压损：（1）纯空气：气力吸尘系统μ小可按纯空气计算，再增大10%。式中：λ—直管阻力系数，由实验得。λ=0.0125+0.0011/dL—管长（m)d—管径（m)),/(222PamNgvdlP（2）混合气流：ΔP直管混=ΔP直管纯（1+Kμ0）（12-23）P191式中：K—综合阻力系数，一般取0.5。μ0—实际混合浓度。（3）混合气流在直立上升管压损：ΔP混升=ΔP纯（1+Kμ0）+ΔP升（12-24)式中：ΔP升----是空气和物料提升,势能增大引起的压损。∵(G气+G物)h=ΔP升Q∴ΔP升=(G气h+G物h)/Q上下乘以γ气=G气γ气h/Q•γ气+G物γ气h/Q•γ气用μ=G物/Q•γ气代入：G气=Q•γ气ΔP升=γ气h+γ气hμ0=(1+μ0)γ气h(pa)式中：μ0—实际混合浓度。h—直管高度（m),倾斜管计垂直高度。ΔP混升=ΔP纯（1+Kμ0）+ΔP升=ΔP纯（1+Kμ0）+(1+μ0)γ气h3.4局部压力局部压力损失是由于混合气流在流过管网的各种构件〔弯管、异径管等)或遇到某种障碍使气流改变方向(或流速)而引起的，一般以实验确定的局部阻力系数来度量，在管件形状和流动状态不变时，按下式计算，即对于粗糙管，局部阻力系数作如下修正，即式中ξ0—粗糙管的局部阻力系数；ξ一光滑管的局部阻力系数；λ0—粗糙管的摩擦阻力系数；λ一光滑管的摩擦阻力系数；K—管道的绝对粗糙度，mm；υg一气体在管道中的速度，m/s。混合气流通过断面变化的管件（如变径管、管道进出口、阀门等）、流向变化的构件（弯头）和流量变化的构件（如三通、四通、吸风口）都会产生局部阻力。且每个构件的阻力系数也不相同。弯头的结构如右上图所示，这样方管才能光滑过渡。它的阻力大于水平管。如右下图所示涡流引起压力损失较大。阻力取决于R/d，常用R/d=2ξ弯=0.2（1）弯管的局部阻力（2）三通管的局部阻力气流通过三通管由于涡流损失，压损大于水平管。如图所示，虽有较大阻力，但常用。图示虽阻力较小，但尺寸较大，制作有困难。一般：ξ三通=0.15ΔH1=ξ1•γv1²/2g(pa)ΔH2=ξ2•γv2²/2g(pa)（3）突扩管、突缩管的局部阻力当气流在管道内流过一个突然扩大或突然缩小的接头时，会产生涡流，因而有局部阻力。ξ突扩=0.1为了减小气流通过突然扩大管或突然缩小管的局部阻力，可以把它们改为渐扩管或渐缩管。渐扩管或渐缩管可不计阻力。（4）孔板、阀门处的局部阻力：在管路中，孔板常用来调节管路的阻力或测量气流量。ΔP局=ξ•γv²/2g(pa)薄壁孔口出流vv0ξ闸板阀=0.1蝶阀、转芯阀阻力较大，很少用。蝶阀转芯阀入口：（5）分离器压损：ΔP分=ξ分•γ气v气²/2g(pa)（12-60）式中：ξ分—由实验得出。ξ分混≌ξ分纯v入口—分离器入口处风速。（6）聚集器压损：扇形聚集器--ξ扇=0.3--0.5球形聚集器--ξ球=13.5串联总压力损失1.风量相等：μ0=G物V气/（Q气γ气v物）(12-5)2.压力相加：H总=∑Hi=∑H水平+∑H直立+∑H局部+∑H加速+∑H分离H风机=（1.1—1.2）H