气力输送系统中降低能耗的变径管道设计

　　在设计炭黑气力输送系统时,如何降低能耗、提高系统的可靠性是当前气力输送设计和选型的两大任务。气力输送中经常出现能耗高、磨损快、物料颗粒易降级等等一些问题,这些现象都是由于管道内空气输送速度过快造成的。因此,必须减小空气输送速度。采用单一管径输送时,由于输送过程中空气能量不断损耗,压力沿输送长度逐渐降低,这样,气体密度下降,空气产生膨胀,气流速度加快。相应导致系统压力损失增加,管道磨损加剧,物料破碎严重。因此,为解决这些问题,可以把输送管道设计成变径管道,使每一管径区段内,在保证可靠输送的情况下,气流速度稳定在一定的范围内。设计变径管道主要难点就是变径位置和变径管道管径大小的确定。主要参数是最小输送速度、最大输送速度和压力损失。

　　设计变径管道系统时，应遵循的变径原则是：压力尽量低，变径管道的任一处的空气速度不能低于系统可靠输送的最小速度。临界速度是保证安全稳定输送的最小表观气流速度，是气力输送系统设计的一个重要参数。临界速度取决于物料的密度、粒径、粒子形状、表面状况，输送管道内径，输送压缩空气密度、温度等。由于影响物料的临界速度因素很多，因此，最可靠的方法是通过试验确定。也可以根据流体运动中的雷诺数范围按公式计算。

　　变径管道设计难点是确定变径位置。变径过早,管道内空气输送速度会降低到输送物料所必需的最小速度值以下,造成管道堵塞;变径过迟,管内已形成高速气流,则变径效果不佳。区段划分越多,气流速度越稳定,但是,同时也增加了输送管道制作费用。一般设计变径次数为2次或3次。

　　确定变径位置的具体方法有3种:

　　(a)由计算出各管段的压损后,就可以计算出直管段的长度。逐渐变粗的变径输送管道,可使逐渐升高的流速逐段又降下来,形成锯齿状的速度分布。这样就可以减少能量损失,因为能量损失与流速的平方成正比。变径管道中使用弯管时,首先,弯管可以换算成水平管的当量长度来计算,弯管的当量长度Lb=ND(N由实验确定)。其次,由于变径后,气流速度会明显降低,而弯管又是管道中压力梯度较大的地方,因此变径点应在弯管之后并距弯管有一定距离(大于弯管后的加速区),以防止物料没有足够的动能经过弯管。

　　(b)气速法:保证变径处表观气流速度不得小于能可靠输送的最小输送速度。也是前面提到的临界气速vc。此临界速度要进行计算并由基本试验得到。它也可以是相图上最小压力曲线计算出的沉降速度。

　　(c)弗劳德数法:以弗劳德数为依据,输送气体在最小弗劳德数和最大弗劳德数之间膨胀。如果管道内某处达到最大弗劳德数,则该处管径应放大,并且放大处的弗劳德数必须大于最小弗劳德数。最小弗劳德数主要是通过试验求出。最大弗劳德数与物料及输送过程(能耗、磨损和物料破碎等)有关。

　　根据两相流动特性,流体在变截面的管道内流动时,由于压差阻力的作用,容易产生涡流区,使得输送时,物料堆积在此区域,造成腐蚀管道甚至堵塞管道,严重影响物料的正常输送。在工程设计中,为了避免或减少涡流区的产生,保证输送的稳定性,变径管的变径角取30°为宜。

　　据资料表明,以煤粉为例对变径管进行实验研究,输送量24t/h,输送距离1800m时,可以采用最小弗劳德数=6,足以满足输送极限。由试验数据可知,在相同的入口流速下,当输送管后段直径变大后,流速随之下降。比较3组数据,单一管径(127mm)输送时,压降595kPa,出口流速达到46.1m/s;采用一级变径管(在683m处变径为管径154mm)输送时,压降为458kPa,压损减少137kPa;而采取第3组数据输送时,料气比最大,出口气速、压损和耗气量都最小,可见采用二级变径(第3组数据)最有利于输送。

　　随着工业生产的发展和需要,变径管道设计已经成为当今气力输送技术的一个热门研究课题。变径管道系统应用范围广泛,可以用于长距离输送、高压、高真空、脆性研磨性物料的密相输送、稀相输送。还可以解决气力输送中经常出现的能耗高、磨损快、物料破碎严重等问题。因此,变径管道系统设计在气力输送技术应用中有非常广阔的发展前景。在变径管道的设计中,综合考虑因素很多,比如输送量、输送距离、能量损失、投资费用等因素。本文主要介绍了变径设计中的主要参数确定,为设计变径管道提供参考。