烟丝在水平管气力输送过程中系统压降的研究

丁 伟, 李 铭, 王文博, 白云龙, 周小忠, 孙哲建, 邵长岭



烟丝在水平管气力输送过程中系统压降的研究

丁 伟, 李 铭, 王文博, 白云龙, 周小忠, 孙哲建, 邵长岭

(浙江中烟工业有限责任公司 杭州卷烟厂, 浙江 杭州, 310024)

考察了烤烟烟丝(宜阳X3F)、膨胀烟丝在水平管气力输送过程中表观气速、料气比及管道直径对系统压降的影响. 试验结果表明: 系统压降随管长、表观气速及料气比的增加而增加; 在相同进料情况下, 直管压降随着表观气速的增加而增加; 在相同表观气速下, 直管压降随着料气比的增加而增加. 通过分析, 给出了计算烟丝在气力输送过程中直管压降及阻力系数的经验公式.

烟丝; 系统压降; 气力输送; 水平管

气力输送系统是卷烟制造行业普遍采用的一种重要输送方式. 但在其高效应用的同时也存在一些问题, 如: 设备能耗过高, 烟丝在输送过程中容易出现造碎、分层等现象[1], 要解决上述问题, 需要更进一步了解烟丝在输送过程中的流动特性, 掌握气力输送系统运行过程中的主要影响参数, 其中系统压降无疑是最重要的. 系统压降不仅涉及到系统的整体设计, 还关系到系统投入使用后的安全性、可靠性和经济性. 国内外关于系统压降及气固两相流阻力特性的研究多集中于其他行业, 其研究方法主要分为2类, 一类是根据粒子受力情况进行理论推导, 再通过因次分析及试验数据来理论推导其中的未知数[2-4]进行关联求解, 另一类是直接采用试验数据进行回归分析[5-7]. 目前, 无论用什么方法得到的压降模型, 大致可分为压降比模型、经验公式、附加压降模型等. 本文在前人研究的基础上分析了烟丝在水平管气力输送过程中系统压降的变化, 重点考察了料气比及输送气体流速对系统压降的影响, 并利用附加压降法研究了烟丝在直管中的压降, 获得了计算直管压降及阻力系数的理论及经验公式. 通过该项研究旨在为设计及优化气力输送系统提供一定的技术支持, 同时为气固两相流动的数值模拟提供基础数据.

1 试验材料及方法

1.1 材料

本试验材料为国产烤烟烟丝(宜阳X3F)及膨胀烟丝. 试验前将样品放入恒温恒湿箱平衡水分48 h. 用烘箱法测量烟丝含水率, 然后用液相置换法[8]测量烟丝表观密度, 并计算得出烟丝当量直径. 试验烟丝物理性质见表1.

表1 试验样品烟丝物理性质

1.2 试验系统

图1 水平管气力输送系统主视图

P1-P8为系统测压点

本试验系统(图1、图2、图3)主要包括气源、喂料装置、输送管道、气料分离器、高速摄影机、在线压差测试装置和在线风速测试等部分. 装置气源由离心风机提供, 风量大小可通过变频器调节, 最大风量为1 700 m3/h. 喂料装置通过电子皮带秤来实现, 计量范围为0～30 kg, 可实现均匀定量喂料; 系统的测压装置由多台压差变送器组成, 压差信号传入工控机后实现对输送管道中多点压力的实时数据采集, 采集速率为1个/s. 系统中输送管道的矩形管部分顶端可上下移动, 以达到管道变径效果, 可实现对不同管径下气力输送过程中系统压降的研究.

1.3 参数确定

根据试验系统样品处理的能力, 本文选择了4种不同的料气比, 并在既定的料气比及表观气速下计算确定了试验所需的物料量, 以烤烟烟丝为例, 计算所得数据见表2.

表2 试验样品进料量及表观气速

1.4 附加压降法模型

在稳定状态下, 烟丝在水平管气力输送系统中的压降由纯气体流动引起的压降及烟丝运动引起的压降组成, 即:

1.4.1 纯气体流动造成的压降

该项压降可由范宁公式[9]得出, 即:

对于有机玻璃材料的光滑管道, 空气阻力系数可由Blasius公式直接计算,

1.4.2 烟丝运动造成的压降

式中, 常数1、2、3、4由试验确定,ra为弗鲁德数, 表示惯性力与重力之比, 是重力对流动影响的准数.

2 结果与讨论

2.1 纯气体流动引起的压降

2.1.1 系统绝对压力

在不加料情况下, 负压吸送式气力输送系统空床绝对压力随风机风量的增加而减小(图4), 图4中P1-P8为测压点. 空床绝对压力随管长的增加而增加[9], 这是负压吸送式气力输送系统得以正常运行的基础.

图4 空床系统绝对压力与风机风量的关系

2.1.2 直管空床压降及阻力系数

图5 不同管径下直管空床压降与表观气速的关系

2.2 烟丝运动引起的压降

2.2.1 系统绝对压力

由式(1)可知, 烟丝运动引起的压降可由系统总压降减去气体流动引起的压降得到. 试验考察了烤烟烟丝与膨胀烟丝在输送过程中系统压降随加料量及表观气速的变化关系(图6、图7). 在相同表观气速下系统绝对压力随料气比的增加而增大, 同样, 在相同料气比条件下系统绝对压力随风机风量的增加而增大.

图6 烤烟烟丝在相同风机风量下系统绝对压力与料气比的关系(D = 150 mm, = 826.6 m3/h)

图7 烤烟烟丝在相同料气比下系统绝对压力与风机风量的关系(D = 150 mm, )

2.2.2 直管压降及烟丝运动引起的阻力系数

试验测量了烤烟烟丝、膨胀烟丝在管径= 150 mm及= 146.6 mm处的总压降, 结果(图8、图9)显示在相同气料比条件下2段直管处总压降随着表观气速的增加而增加, 这是由于表观气速的增加, 加大了烟丝与烟丝及烟丝与管壁之间的摩擦.

将试验结果及式(7)代入式(4)可得:

式(8)即为烟丝在管中运动时引起的压降的经验计算公式, 计算值与实测值的比较如图10所示.

图8 烤烟烟丝在不同管径下直管总压降与表观气速的关系

图9 膨胀烟丝在不同管径下直管总压降与表观气速的关系

图10 直管压降计算值与实测值对比

3 结论

本文通过试验分析了烟丝气力输送过程系统的压降, 重点考察表观气速、料气比、管道直径、烟丝密度等对系统压降的影响. 通过对试验数据的分析可以得到以下结论:

a. 系统绝对压力随管长、风机风量及料气比的增加而增加, 这是负压吸气式气力输送系统得以正常运行的基础.

b. 直管空床压降随着表观气速增加而增加, 范宁公式可被用来直接计算直管空压降, 空气阻力系数可由Blasius公式给出, 试验证明计算值与理论值比较吻合.

c. 在相同料气比输送条件下, 直管压降随着表观气速的增加而增加, 在相同表观气速下直管压降随着料气比的增加而增加.

d. 对影响直管压降的各个参数进行了无因次分析, 通过对试验数据的回归分析得到了由烟丝运动引起的压降及阻力系数的计算公式, 将试验所得数据与计算值进行对比, 发现两者具有较高的一致性, 相关系数= 0.95.

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Total pressure drop in horizontal pneumatic conveying of cut tobacco

DING Wei, LI Ming, WANG Wen-bo, BAI Yun-long, ZHOU Xiao-zhong, SUN Zhe-jian, SHAO Chang-ling

(Hangzhou Cigarette Factory of China Tobacco Zhejiang Industry Co,. Ltd., Hangzhou 310008, China)

The total pressure drop in horizontal pneumatic conveying of cut tobacco were investigated in this work. Flue-cured cut tobacco(Yiyang X3F) and a kind of expanded cut tobacco were prepared as the experimental materials. Experimental results showed total pressure drop increased with increases in the length of pipeline, superficial velocity and solid-gas ratio. Under the same condition, pressure drop in direct pipe increased with superficial velocity and solid-gas ratio. A generalized equation was developed for estimating the solid drag coefficient and pressure drop by regressing method. The results calculated from the equation were in good accord with the experiental results.

cut tobacco; pressure drop; pneumatic conveying; horizontal pneumatic pipeline

TS 43

1672-6146(2012)04-0080-06

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.04.018

2012-10-16 15:02

http://www.cnki.net/kcms/detail/43.1420.N.20121016.1502.001.html

2012-09-20

丁伟(1981-), 男, 工程师, 硕士, 主要从事卷烟工艺技术研究. E-mail: dingwei0105@163.com;

白云龙(1982), 男, 助理工程师, 主要从事工艺技术研究及质量管理工作. E-mail: baiyunlong@zjtobacco.com

(责任编校: 刘晓霞)