水平管氣力輸送中砂丘模型的節(jié)能機理

水平管氣力輸送中砂丘模型的節(jié)能機理

在工業(yè)生產(chǎn)中，傳輸方式多種多樣，其中，氣能傳輸法作為一種連續(xù)的輸送方法，在許多工業(yè)區(qū)（郵局、銀行、商店、酒店等）的應(yīng)用中越來越受到重視，并在原材料供應(yīng)中發(fā)揮了重要作用。同時，氣能傳輸系統(tǒng)的成本相對較高。因此，改進傳統(tǒng)的氣能傳輸系統(tǒng)，提高傳輸效率具有十分重要的實際意義。傳統(tǒng)的氣力輸送系統(tǒng)采用比較大的空氣速度實現(xiàn)輸送目的,導(dǎo)致能量利用率低、管道磨損嚴重以及顆粒物料破損率高等諸多問題。為了解決這些問題,近年來學(xué)者們做了很多研究工作。Watanabe近年來,許多國內(nèi)學(xué)者采用ECT技術(shù)對氣力輸送進行研究,ECT技術(shù)相比傳統(tǒng)增壓的方式判斷管道堵塞更加直觀、準確,并在氣力輸送中應(yīng)用廣泛1實驗1.1空氣流量計的計算水平管正壓氣力輸送系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括內(nèi)徑d=80mm,長度L=5m的輸送管道、2臺鼓風機、2個壓力傳感器,1個空氣流量計。輸送的固相物料選用聚乙烯顆粒(密度為952kg/m1.2砂丘模型驗證本文中的砂丘模型尺寸以及安裝方式與文獻[8]中的一致,砂丘模型的材料為黏土,尺寸和角度已經(jīng)被驗證過,砂丘模型如圖2所示。為了研究不同的砂丘安裝位置物料粒子速度分布,砂丘模型被安裝在物料入口附近3個不同的位置,砂丘模型安裝位置如圖3所示。1.3測量條件及測量位置采用粒子圖像測速(PIV)系統(tǒng)測量水平管道內(nèi)粒子速度分布,圖4為高速PIV粒子速度測試系統(tǒng)示意圖。采用的高速攝像機型號為PhotronFASTCAM-MAXI2(幀率設(shè)定為1000,快門速度為0.1ms),所用激光源為高強度連續(xù)綠光(2W),光束厚度為5mm,所拍攝圖片的大小為80mm×111mm,測量位置為3個(見圖1中位置A、B、C),距離粒子入口分別為x=0.3m(x/d=4,位置A)、2m(x/d=25,位置B)和3.5m(x/d=44,位置C)。使用SigmascanPro5軟件利用粒子追蹤測速方法(PTV)的原理,通過追蹤單個粒子的運動軌跡并手動計算其速度,發(fā)現(xiàn)PIV技術(shù)測得的粒子速度與PTV法得出的結(jié)果之間的誤差小于1.19%2結(jié)果與分析2.1最小輸送速度實驗通過位于管道中被輸送物料入口和出口處的2個壓力傳感器(p同時,通過使用輸送管上游的孔板流量計測量氣流速度v圖5為各種工況的壓力損失Δp隨著空氣輸送速度v由圖5可知,安裝砂丘模型時,工況3、2、1的最小輸送速度依次降低,即工況1的最小輸送速度是最低的。這是因為工況1的砂丘模型安放在粒子入口的正下方(見圖2),此時粒子進入水平輸送管道后,立即會經(jīng)過砂丘模型的上行彎曲面得到懸浮;對于工況2,粒子下落后先水平運行13cm后才與砂丘面接觸,水平運行過程中粒子因為聚集而發(fā)生了碰撞及摩擦,造成粒子的部分動能被損耗;對于工況3僅僅增大了此處的氣流速度,粒子并沒有得到懸浮。砂丘模型的運用在氣力輸送系統(tǒng)中明顯減小了系統(tǒng)的最小壓力損失和最小輸送速度,達到了節(jié)能目的,特別是安裝于下料口正下方管道底部的工況1效果更加明顯,這種效果已經(jīng)通過粒子的可視化流態(tài)定性的得到了驗證2.2顆粒速度分布圖6為各種工況的粒子平均速度(v圖7為各種工況在不同軸向位置(y:d表示無量綱,即管底處y=0)的粒子平均速度2.3砂丘模型的加速效果為了比較粒子的脈動能量,計算并分析各工況在不同徑向位置(y/d)粒子脈動速度的功率譜密度圖8a為各工況管底附近(y/d=0.24)的粒子脈動速度的功率譜密度分布,由圖8a可明顯看出,所有工況的功率譜峰值均出現(xiàn)在低頻區(qū)域,并且隨著頻率的增大而減小,安裝砂丘模型時峰值大于無砂丘工況的峰值(工況1≈工況2>工況3>無砂丘),說明安裝砂丘時粒子比較有活力,驗證了砂丘模型的加速效果。隨著y/d的增大(y/d=0.48,管道中部,見圖8b),3種工況的峰值與y/d=0.24的峰值相比全部減小,但是工況2依然保持比較大的峰值,進一步證明了它的加速效果,并解釋了工況2的粒子速度始終比較大的原因(見圖7b)。圖9為在y/d=0.24、0.48位置的粒子脈動速度的自相關(guān)系數(shù)2.4粒子脈動速度的兩側(cè)相關(guān)系數(shù)為了進一步揭示粒子的運動規(guī)律,針對各個工況的粒子脈動速度的兩點相關(guān)系數(shù)進行評價,兩點相關(guān)系數(shù)Rv′由圖10可以明顯看出,與無砂丘工況相比,在y/d<0.8區(qū)域工況1、2與3的Rv′2.5顆粒速度的動脈強度為了評價各種工況下粒子速度的脈動能量,驗證砂丘模型的節(jié)能效果,圖11給出了各工況粒子速度的脈動強度(v′3粒子脈動速度對比采用PIV技術(shù),測量水平管氣力輸送加速區(qū)顆粒物料的速度分布,并分析物料顆粒的速度脈動能量,以研究氣力輸送系統(tǒng)安裝砂丘模型實現(xiàn)低能耗運行的顆粒運動特性,得到如下結(jié)論。1)在同樣的空氣輸送速度下,安裝砂丘模型進行輸送時,粒子的平均速度明顯大于無砂丘工況下的粒子平均速度,定量地證明了砂丘模型的加速作用。2)通過分析粒子脈動速度的功率譜密度,發(fā)現(xiàn)安裝砂丘模型時峰值大于無砂丘工況的峰值,尤其是管底附近,說明了安裝砂丘模型時粒子比較有活力,進一步驗證了砂丘模型的加速效果。3)在