红花悬浮与收集试验

郭 辉,邢少康,郭伟宏,于欣东

(新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052)

0 引言

红花(Carthamus Tinctorius L.)别名红花草、红花茶、刺红花、草红花,属于菊科植物[1],是一种双子叶植物,如图1所示。

图1 红花

在同一植株中,红花生长于茎中部的叶片最大,上部叶片较小,成苞片状,围绕头状花絮;叶形有卵圆形、椭圆形等[2],叶片边缘有刺;其中子房是管状花,长1～2cm,表面为红黄色或者红色,柱头为长圆柱形,顶端微分叉,花期一般在5-7月[3]。随着红花产业的不断发展,红花花丝已经成为高档化妆品和纺织品的原材料,但是红花花丝的采摘和收集仍然是红花花丝采收机械化的难题。为此,在深入分析红花花丝悬浮特性的基础上,开展红花花丝的收集试验,以期设计一种适合于各种含水率的红花花丝收集装置。

红花花丝的悬浮速度是红花本身的固有属性,是进行花丝收集的重要参考[4-5]。因此,进行红花花丝悬浮特性研究,对红花花丝的悬浮试验具有重要意义。

1 悬浮速度的测定原理

物料的悬浮速度是物料主要的空气动力学特性之一,是设计气力输送装置的一个重要基础参数[6]。

当物料置于静止的流体中时,在浮重F(即重力与浮力之差)作用下物料悬浮状态的受力图[7]如图2所示。

图2 物料悬浮受力分析图

物料自由下落[8],下落速度逐渐增大,同时物料受到流体的阻力R也增大。当下降速度增加到最大值Vmax时[9],保持阻力R与浮重F相等,物料就以这一最大速度做恒定的等速沉降,此最大的恒定速度Vmax即为物料的沉降速度(也称作沉降终速或者沉降末速)[8,10]。

当质量为m的物料处于风速为v的气流场中时[11],物料在空气中的浮重为F,物料所受到的空气阻力为R。假设物料为球体[12-13],F和R计算公式为

(1)

(2)

式中ρs—物料密度(kg/m3);

d—物料直径(m);

g—重力加速度(m/s2);

ρ—空气的密度(kg/m3);

Cd—阻尼系数;

vt—悬浮速度(m/s)。

根据R和F的不同,物料在气流中运动的情况不同:当F>R时,物料下落;当F

(3)

此时,气流的速度称为物料的悬浮速度,则

(4)

测量该物料悬浮处的气流速度,可以得到该物料的悬浮速度vt。如果物料为球形,可得到准确的悬浮速度。

红花丝为不规则体,投影面积不断变化,在气流中运动时同时发生转动,则红花花丝向上或向下运动,不能得到准确的悬浮位置[15-18]。因此,红花花丝悬浮速度只能保持在一个范围内。

2 红花花丝的悬浮速度测定

2.1 试验材料

试验以“裕民”红花5号作为研究对象,对整朵红花花簇进行试验,测量红花花丝含水率的大小。由参考文献可知,1簇成熟红花花丝(红花花有黄变红)的含水率在76%左右。

2.2 试验设备

悬浮速度试验装置主要由锥形管、稳压管、收敛筒及风机等组成[19],如图3所示。

1.锥形管 2.收敛管 3.风门 4.风机 5.稳压管 6.风速测量位置 7.物料投放口

锥形管是由机玻璃制成的,便于观察物料被吹时的稳压高度;稳压筒和收敛筒的作用是产生均匀、稳定的气流[19-20]。红花花丝含水率使用YHT01型水分仪测量,如图4所示。试验过程中,使用YFT型压力式风速计(见图5)对风速测量位置的全压P和静压PF进行测量。

图4 水分仪

图5 YFT型压力式风速计

2.3 试验台参数

配套动力/kW:3.192

转速/r·min-1:1 440

锥角/(°):4

2.4 气流速度理论计算方法

试验时,当红花花丝在一定范围内上下摆动时,读取在风速测量位置YFT型压力式风速计的全压和静压的数值大小,通过公式(5)获得锥形管小端气流速度,并测量在锥管中的最值Lmin和Lmax;然后,通过公式(7)获得任意断面的气流速度,得到其悬浮速度范围。锥形观察管风速测量位置的速度取3个测点的平均值,3个测点按照圆形风管断面等面积法求解[21,9]。测定点悬浮速度V1的计算公式为

(5)

由此得出测定点风速V1为

(6)

式中P—全压(MPa);

PF—静压(MPa);

PE—动压(MPa);

ρ—空气密度(kg/m3)。

本文采用混合物模型作为描述气液两相冲压发动机内部流场的基本模型, 混合物模型是一种简化的多相流模型, 将每一相流体视为是连续的, 可以模拟具有不同速度的多相流动, 但是假定了在短尺度空间上的局部平衡, 通过求解混合物的质量守恒方程、 动量守恒方程和能量守恒方程及离散相的体积分数方程及代数形式的相对速度方程， 对多相流动进行建模. 稳态条件下其主要控制方程如下:

当物料被吹到与观测点距离L处时,气流速度Vi计算公式[22]为

Vi=[D1/(D1+2Lsinφ)]2V1

(7)

式中Vi—锥形管任意断面的气流速度(m/s);

D1—锥形管小端直径(m);

L—物料在锥管中上下浮动的位置(m);

V1—锥形管小端气流速度(m/s);

φ—锥形管的锥角(°)。

2.5 试验方法

将红花花丝从锥形管放入物料放置处,接通电源启动变频器,通过改变变频器频率控制悬浮试验的气流速度。根据红花花丝的运动情况和气流大小vt,当红花花丝悬浮于某一固定范围时,变频器停止;再次启动变频器,等到风速稳定后,读取管道风速仪的读数[9]。通过式(5)～式(7)得到不同含水率红花花丝的悬浮速度。

2.6 试验结果与分析

锥形管中横截面上各点风速不一致,加之物料的投影面积不断变化,物料在垂直管道中上下翻滚,难以精确测量[22-23]。本试验采取全程摄像的方式(见图6),得到较为准确的试验数据(见表1和图7所示),为红花花丝的收集提供借鉴。试验过程中,随着变频器频率的改变,悬浮试验机的风速逐渐增大。

图6 试验照片

表1 含水率与悬浮速度的关系

图7 含水率与悬浮速度的关系图

由表1和图7可知:红花花丝的悬浮速度随着红花花丝含水率的增加而增加,红花花丝的悬浮速度范围为2～3.23m/s。试验时发现:当气流速度增加到4m/s时,锥形管内已经没有红花花丝。

3 红花花丝收集装置

3.1 红花收集装置的设计

为了研究红花花丝的收集参数,根据悬浮速度参数研究结果,设计了一种红花花丝收集装置。该装置由吸吹风机(型号RLD.7028C,生产厂家为永康市西城惠尔瑞电器),筛网,储藏室,橡胶吸风管,卸花板等组成,如图8所示。橡胶吸风管直径为50mm,吸吹风机功率为1 000W。

3.2 收集装置的工作原理

红花花丝收集装置的工作原理如下:当红花花丝收集装置对准被剪切下来的红花花丝时,开关打开,在吸吹风机的作用下形成一定气流速度大小的负压流场,红花花丝从橡胶吸风管口进入到储藏室;一小部分红花花丝运动到纱网处,由于筛网直径小于1根红花花丝的直径,红花花丝会被挡在纱网处;吸风机停止工作,红花花丝在重力作用下自然沉降[9,24]。

1.橡胶吸风管 2.卸花板 3.储藏室 4.纱网 5.吸风机

4 红花花丝收集试验

4.1 试验仪器

试验仪器包括往复剪切式红花花丝采摘装置(自制)和JM-B1003型电子天平(精度0.001g)。

4.2 试验材料与方法

以新疆农业大学校内试验田中采摘新鲜的成熟“裕民”红花5号花丝作为研究对象,使用JM-B1003型电子天平测出每朵红花花丝的质量Pa。试验方法:将成熟新鲜红花花丝放在1张白纸上,启动红花花丝收集装置的吸吹风机,手持橡胶吸风管垂直对准红花花丝(见图9),利用吸吹风机的吸力把红花花丝收集到储藏室中,整理测量未收集的红花花丝质量Pb。未收净率R计算公式为

(8)

图9 收集装置进行红花收集

完成所有收集试验之后,在下方放置1个收集袋,打开卸花板,使得红花花丝在重力的作用下从储花室中掉落到收集袋中。

4.3 试验结果与分析

红花花丝收集装置的未收净率如表2所示。由表2可知,红花花丝收集装置未收净率为0。出现这样的结果主要的原因是本次设计的收集装置吸风口处的风速达到了7m/s,远远大于红花花丝2～3.23m/s的悬浮速度。因此,只要有红花花丝在出风口下方,就可直接被吸入储藏室。

表2 红花花丝收集装置的未收净率

5 结论

1)通过对物料模型的分析可知:红花花丝在锥形管中的悬浮速度只能保持在一个范围内。

2)通过试验发现红花花丝在悬浮试验机的锥形管中上下浮动,通过计算可以确定红花花丝的悬浮速度为2～3.23m/s。

3)设计了红花花丝采摘装置,进行红花花丝收集试验,结果为收净率100%。出现这种结果主要是由于收集装置出风口的风速远远大于红花花丝的悬浮速度所致的。