远距离高压输送木片装置压力损失计算方法的研究

蔡汉忠，欧阳富

(北华大学林学院，吉林，132013)

0 前言

气力输送是气固两相流的管道输送，使用范围不断扩大，发展异常迅速，木材工业绝大部分气力输送为低压 (0.00～0.05MPa)和稀相流 (质量混合比μ＜10)的管道输送。而今要设计一台远距离高压输送木片的气力输送系统 (其压力P在0.1～0.7MPa范围内)，采用新的当量长度计算方法时已含盖水平直管段、垂直提升管段和所有弯头管道的压力损失，根据连续方程的质量守恒和等温状态方程气体压力与密度成正比的原理，就可求出高压管道的压力损失。当然高压气力输送能耗大，管道磨损相应增大。但高压气力输送的特点是物料占的比重较大，在一些特殊情况下，远距离输送还是可以采用的。另外传统的当量孔口法，查线图的当量孔口面积的误差约 (8% ～12%)，计算准确性是打折扣的。对于高压差输送木片，系统中压力变化大，空气密度变化明显，引起气体的膨胀，沿着气体前进方向速度越来越大，所以应按可压缩流体处理。但工程上应用气流速度还不是很大，可以充分进行热交换，可以用等温过程附加阻力或附加压损的原理来处理计算问题。计算该问题需要42个公式，而且计算特别复杂［2］。改用当量长度计算后可以减少公式28个。从而给计算带来方便快捷的效果。

如图1所示提供了高压输送木片的简图，其中A为罗茨鼓风机，B为旋转供料器，B为管道物料运输的起点，C为管道物料输送的终点，AB管长4m，水平距离Lx1=520 m，倾斜管长L=22m，上水平管长Lx2=6m，C离上水平管距离为1 m，L与水平线成60°角。

设计时要求这台气力输送装置每小时输送木片10t，木片的规格尺寸35×30×6mm，所运送木片的密度ρ=550kg/m3，管道内的固气质量混合比μ=2。下面就设计计算程序进行讨论。

1 按低浓度、悬浮稀相流的设计步骤进行计算

(1)确定质量混合比μ(且μ=2)和实际混合比 μ0。

式中:Mp为木片质量，Mp=10×1000=10000kg;MC为空气质量，MC=5000kg。

图1 高压输送木片简图Fig.1Diagramof woodchipstransportinginhighpressure

(2)确定实际混合比μ0。

(3)确定输送空气的体积流量QC，还必须考虑固气速度比φ==0.65。

(4)确定公式(3)中的气流输送速度VC，且有φ==0.65。

水平直管段内所要求的最小气流速度［1］。

式中:μ 为质量混合比，μ=2ρ木片=550kg/m3，b 为木片的形状系数，r为储备系数r=1.0～1.2，取r=1.0。

气力输送木片的沉降速度与木片的悬浮速度是大小相等和方向相反的速度，木材工业计算木材碎料悬浮速度的公式为:

式中:a为木片断面的形状系数，取a=0.9，h为木片的厚度=6mm，ρ木片=550kg/m3。

ρ气(标准)=1.2kg/m3。

图1管道BC的卸料点C的最小气流速度VC，其计算公式为:

当已知管内气流速度VC后，即可计算出每小时流过管道的空气质量为:

实际浓度μ0用质量浓度式μ×代入。

(5)确定输送管道的内径。

将μ0、D代入(2)式验证QC=60×VC×=60×33.8×0.785×0.2592

=106.8m3/min=6410m3/h，取QC=6420m3/h。

2 计算BC、AB管段的压力损失

(1)计算BC高压管段的压力损失

在BC高压管段终点 (卸料点)C处，是与大气相通的出口，其大气静压力PC静设其等于标准大气压，PC=101325Pa=101.325kPa(标准条件温度t=0℃，压力为760mmHg柱)，已知C点处的体积流量QC=6420m3/h，根据资料 (2)108页公式得到，固气二相流的压损比ε=(1+K×μ)，对于垂直管段ε值按下式计算

两个ε值取大值1.60。

BC管起点在供料器下面的B点，利用高压气力输送的压力损失计算公式［4］，在B点的静压力为

式中:PC为管道的终点压力，PC=101.325kPa，λc为空气与管壁的摩擦系数，其值与管径大小速度快慢有关，且有 λc=0.0175×D－0.21×V－0.075=0.018。

VC=33.8m/s，ε=1.6，气体常数R=3287J/kg·k，T为开尔文温度293°。

当量长度

式中:L当为输送管的当量长度;LX水平管段长度LX=520+6=526，m;kZ为垂直管的高度系数;kZ=1+0.08μ=1+0.08×2=1.16，或kZ=1.3 ～1.5，本计算取kZ=1.3;h为垂直提升高度，h=22×cos30°－1=19.05 －1=18.05，m;δ为与混合比μ相关的弯头系数，δ=70+2μ=70+2×2=74，并与kZ相关，如图2所示;n为为角度Σθ的弯头数，n=(θ1+ θ2+ … + θn)/90°，本例 n=(120°+120°+90°)/90°=330°/90°=2.67;D 为管径 D=0.259m。

将以上数据代入公式(9)得:

L当=526+1.3×18.05+75×0.259×3.67=526+23.5+71=620m。

图2 用质量混合比μ确定的kZ和δ值Fig.2 Value of kz andδdetermined by mass mixing ratioμ

将以上已知数据代入公式(8)得:

BC高压管段的压力差

在B点还需计算物料加速压力损失△P加，且有

在C点还要计算排气管的压力损失△P排，已知D=0.259，VC=33.8m/s，ρB气见后公式(14)。

阻力系数ζC=1.0。

在B点还有装料阻力(压力损失)ΔPB装=ζ×

在BC段的压力差ΔP*BC=ΔPBC+ΔPB加+ΔPC+ΔP装+ΔPCD+ΔP伞帽=39737+1816+685+173+20+92=42523Pa。

在B点的绝对静压力PB=101325+42523=143850=143.85kPa。

根据连续方程的质量守恒定律mB=mC=常数C，有，

故有

故得 VB=

在旋转供料器下方B点的空气密度ρB气，可根据等温过程的状态方程得:

故有ρB气==1.704kg/m3(非标准)。

B点的气流速度由(9)式得

由于B点的空气密度ρB气=1.704kg/m3(非标准空气密度)，为此要求水平管内验算木片的最小气流速度。

VB=23.8＞22.24m/s，说明输送气流速度是合理的。

(2)计算AB管段的压力损失

AB管段为空气的单相流，管道内径 D内=0.295m，AB管长=4m。

在AB管段的B处旋转供料器还有7%左右的漏气量，所以流过AB管段的空气质量:

通过AB管段空气的体积流量QAB==4860m3/h。

AB管道距离不长，故可按普通方法计算，而不涉及空气的膨胀因素。

在AB管段罗茨鼓风机上方的空气过滤器的压力损失，根据资料公式(5)得 Δρ滤清器=500Pa。

罗茨鼓风机需配3个消声器，吸气消声器2，排气消声器 4，消声器 5［5］。

(3)消声器的压力损失计算

消声器的压力损失计算公式如公式(15)所示。

3个消声器压力损失总和ΣΔP消声器=3×240=720Pa。

消声器的阻力ζ≤1.0，取ζ=1.0，V为消声器内平均气流速度为V=20m/s，消声器总压力损失包括两端弯管的压力损失。

(4)AB管道压力损失

AB、BC两管段总的压力损失:

H总=Δ+Δ=1330+42523=43853Pa。

风机压力 H风=k1H总=1.1×43853=48240Pa。

风机流量 Q风=k2Q总=1.15×6420=7380m3/h。

3 计算高压远距离木片气力输送布置所需的功率

这里需注意罗茨鼓风机的全压效率(也称内效率)η内=ηP=0.7 ～ 0.8，取平均值 η内=0.75，鼓风机的外效率η外是齿轮传动，轴承磨擦损失造成的，故其外效率ηem=0.84～0.97，取平均值ηem=0.89。

罗茨鼓风机总效率η=ηP，ηem=0.75×0.89=0.67，计算时取η全=η=0.65，η传为准确传动效率 η传=0.95。

4 根据功率、鼓风机升压和风量选择鼓风机和电机型号

选用 L81WD型罗茨鼓风机［5］，转速 n=980r/min。

升压P=49035＞48240Pa。

罗茨鼓风机进口流量119.4m3/min×60=119.4×60=7164m3/h＜7380 m3/h。

适当降低风机风量安全系数k2=1.05时，进口风量相等，与鼓风机配套电动机的技术系数。

电机型号Y355M1－6功率N为160kW，电压为380V。

选用3个消声器的型号为ZLX－6，而用鼓风机风量Q=120×60=7200m3/h。

5 结 论

(1)通过对远距离高压输送木片装置压力损失计算方法的研究发现:采用国际上流行的当量长度L当计算管道压力损失，他比传统的当量空口法计算管道的压力损失来的简便、准确、快捷。

(2)通过对远距离高压输送木片装置压力损失计算方法的研究发现，远距离输送木片的关键是准确确定卸料点和供料点的大气压力，利用这两点的高压压力差作为输送木片的能量是合理的。

(3)通过查阅传统远距离输送木片的设计方案，多数未涉及3个消声器压力损失的计算，有的设计只计算一个消声器和一个滤清器的压力损失作为AB管段的压力损失，误差达50%。在AB管段只有对本装置和附属设备作详细的压力损失计算，才能准确地选择鼓风机的压力和风量，并计算出功率。

［1］李维礼.气力输送及厂内运输机械［M］.北京:中国林业出版社，1980.

［2］杨 伦，谢一华.气力输送工程［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［3］陈宏勋.管道物料输送与工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［4］周乃如，朱凤德.气力输送原理与设计计算［M］.郑州:河南科学技术出版社，1981.

［5］徐魁昌.风机手册［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［6］华绍曾，杨学宁.实用流体阻力手册［M］.国防工业出版社，1985.