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大规模输送石膏粉的低压浓相气力输送技术

文章出处:厚德机械 人气: 发表时间:2017-04-13

  低压浓相气力输送是大规模输送石膏粉的关键技术之一。但由于它的流动形态复杂,影响流动稳定性的因素较多,目前还没有成熟理论可供参考,研究有待进一步深入。水平弯管在气力输送系统的实际应用中是必不可少的。弯管对于气固两相流动的压力降、管壁磨损和物料破碎等有很严重的影响。物料在流经弯管时的流动状态非常复杂,颗粒之间和颗粒与管壁之间的碰撞频率增加,易形成二次流,产生较大的压降和能量损失。因此,弯管的压力降一直是研究和设计的重要内容之一。

  本试验采用不同弯曲角度、不同曲率半径的水平弯管,研究水平弯管的压力降和气固流动状态对输送特性的影响;并且通过数值模拟的方法研究水平弯管气力输送过程中弯管中动压分布、气固两相的浓度分布和气固流速分布的情况。研究水平弯管的压力降和气固流动状态,可以为气力输送系统的管路设计和运行提供理论依据。

  试验采用的低压浓相气力输送系统 ,由气源部分、输送管道、发料罐、收料仓和检测系统组成。水平弯管安装在距离发送罐35m的位置,因为在此处管道的流动情况已能够呈现比较稳定的状态。试验所使用的检测设备主要有涡街流量计、料位计和压力传感器等。以空压机产生的干燥、纯净的压缩空气作为输送介质,以干燥的石膏粉作为输送物料。压缩空气进入发送罐形成流化风和充压风,流化风在发送罐的底部使石膏粉流化,充压风用于维持发送罐的压力以使物料持续输送。气固两相流由发送罐进入输送管道经过水平弯管系统,然后进入收料仓。

  试验分别采用压力传感器测量输送压力,料位计测量输送物料的质量变化,涡街流量计测量压缩空气的质量变化。压力传感器、料位计和涡街流量计所测得的数据由无纸记录仪存储,通过计算机读取数据并进行处理。试验所采用的水平弯管安装在复杂管道中。管径采用80mm的无缝钢管,曲率半径选用0.8m和1.5m两种,而弯曲角度α分别采用30°,45°,60°和90°四种。

  物料的物理特性是影响气力输送过程的一个非常重要的因素。石膏粉的物理特性参数,中位径、平均径、真实密度、堆积密度、含水率、休止角和静态空隙率是对气力输送过程影响比较大的几个因素。管道的压力降是气力输送过程中的重要参数之一,是输送系统能耗的主要影响因素。水平弯管压力降的主要影响因素有气固两相流速、固气比k(单位时间内流经管道某一截面的固体和气体质量的比值)、弯管的几何形状和粉体特性等。曲率半径为1.5m和0.8m,固气比为30的情况下,弯曲角度为30°,45°,60°和90°的水平弯管中,压力降随气速的变化规律可知,在曲率半径、固气比和气体速度相同的条件下,随着弯管弯曲角度由30°增大到90°,阻力损失在10~30kPa范围内逐渐增大,并呈现复杂的非线性数量关系。出现这种情况的原因是:随着水平弯管弯曲角度的增大,管壁与颗粒相和气相的撞击次数增加。虽然气固两相的湍动效应加剧,但是气相对固相的作用效果相应增强。在宏观上表现为水平弯管的压力降随弯曲角度的增大而增大。

  在固气比、弯曲角度和气体速度相同的条件下,压力降随着曲率半径的增大而减小。这是由于气相和固相在水平弯管中流动受到的离心力,随着曲率半径的增大而减小,管壁、气相和固相之间的撞击作用随之降低,管道内的涡旋和二次流减少,能量降低,导致压力降降低。结合各测试仪表的数据和水平弯管的参数,由数学分析和量纲分析的方法,得出适合石膏粉在本试验系统中的压力降与各输送特性参数之间的理论关系式。误差分析表明,试验值与此关系式的计算值的误差在±5%之内,关系式能够比较准确地预测本试验系统浓相气力输送石膏粉过程的水平弯管的压力降的变化情况。

  以曲率半径为1.5m,弯曲角度为60°和90°的水平弯管为例,模拟得出水平弯管的固相和气相动压分布、体积分布和速度分布图。弯管入口处的动压分布比较均匀、稳定,但是在弯管内部,其动压开始发生变化,弯管中段内侧的动压高于外侧。且90°水平弯管比60°水平弯管的压力分布情况更加复杂。水平弯管的气相动压分布与固相动压的分布相类似。弯管入口处的动压分布也是比较均匀、稳定,但是在弯管内部,气相的动压开始发生变化,在弯管的中段内侧的气相动压高于外侧,尤其是在贴近管壁的地方。并且90°水平弯管比60°水平弯管的压力分布情况更复杂。

  体积分数反映的是气固两相流中气相与固相在管道中的分布情况。通过对管道中固相和气相的体积分数进行分析,可以看出弯管中的流动型态,同时可以得出弯管中的固气比的变化规律。60°和90°水平弯管固相在弯管中的体积分数分布情况可以看出,水平弯管的外侧固相的体积分数比较高,而内侧的体积分数比较低。从60°和90°水平弯管气相在弯管中的体积分数分布情况可以发现,气相的体积分数在内侧要高于外侧,出现了与固相相反的分布规律。固相主要集中于水平弯管的外侧,而气相的分布刚好相反。随着弯曲角度由60°增大到90°,固相与气相的分布梯度更加明显,流动情况更加复杂。由于受到固相颗粒的排挤,主要向水平弯管的内侧聚集。这是因为固相颗粒的密度高于气相的密度,因此固相的惯性比较大,使固相保持原来的运动方向不容易改变,而向外侧聚集,从而使气相的运动方向偏向内侧。

  在60°和90°水平弯管固相速度分布图中,固相在水平弯管中的分布比较复杂,在弯管中央部位出现显著的速度梯度分布,且外侧的速度低于内侧的速度。60°和90°水平弯管气相速度分布图中,气相和固相的变化规律在不同曲率半径和弯曲角度的水平弯管中基本相同,气相和固相的速度分布呈现复杂多变且不均匀的状态。综合分析,气固两相在水平弯管中受到很强的离心作用,在弯曲部分有二次流出现。二次流与管道中的主流分别流向管道内侧和外侧,形成垂直状态,边界层的流动受到扰动。通过模拟可以得出,二次流受弯曲角度的影响显著,随弯曲角度的增大而增大。

  为了验证模拟是否能够较好地反应试验的实际情况,模拟的初始条件和结果必须与试验工况在误差允许的范围内一致。在满足以上条件的基础上,取水平弯管在试验中与模拟中的压力降进行比较,并进行误差分析。模拟值与试验值得误差较小,在±7%范围之内。因此模拟值可以很好地预测水平弯管中流动情况。

  选取石膏粉为研究对象,通过试验和数值模拟对其在水平弯管中的气力输送特性进行了研究。通过试验研究得出:

  (1)固气比和曲率半径都相同时,随着弯管角度的变大,压力降也逐渐变大;

  (2)在角度相同的情况下,随着气速的增大压力降也呈现明显的增大趋势;

  (3)曲率半径也是影响气力输送压力降的重要因素,随着曲率半径的增大压力降减小。

  通过对数据的分析,应用数学方法得到了压力降和各参数之间的关系式,通过数值模拟得出:弯管内侧的压强高于外侧,动压分布呈现由稳定向紊乱的急剧转变,并且这种变化的趋势随着弯管角度由60°增大到90°而增大;弯管外侧的固相浓度高于内侧,而气相浓度分布正好相反,随着弯曲角度由60°增大到90°,固相与气相的分布梯度更加明显;气固两相的速度分布不均匀,并且随着管道弯曲角度增大,呈现更加复杂的紊流。模拟的结果与试验结果相吻合,符合一般的流体力学规律。