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砂丘模型在气力输送粒子运动特性分析中的应用

谢春娥 崔玉伟 2022/5/27 7:35:13

   (南京艾尔康威物料输送系统有限公司,江苏 南京 211113)
   摘要:为了改善气力输送粒子运动性能,选择砂丘模型作为研究工具,设计该模型在管道正压气力输送装置中的不同应用工况。其中,模型角度及各项尺寸参数保持不变,以模型安装位置为变量。综合分析粒子输送压力损失、粒子速度性能、速度脉动强度性能实验测试结果,砂丘模型在装置中的安装起到了很大的节能作用,建议选择工况1作为安装方案。
   关键词:砂丘模型;粒子输送;PIV系统
  
   气力输送作为工业生产过程中的主要物料输送模式,在建材、冶金、电力、化工等行业均有所应用[1]。由于该输送模式耗能较多,想要拓宽其应用范围,控制物料输送成本,需要对其物料输送性能进行改进。传统的输送系统通过提高空气速度来完成物料输送操作,然而这种作业模式不仅对管道造成了严重磨损,而且能力利用率也比较低,存在部分物料破损情况[2]。为了弥补传统输送系统存在的不足,国内外研究学者尝试提出砂丘模型。该模型虽然能够在一定程度减少能量损失,但是如何进一步改善物料颗粒输送性能成为了难题[3]。本文引入PIV技术,构建砂丘模型,以物料颗粒速度脉动能量作为研究突破口,尝试对颗粒运动特征进行分析,以选择砂丘模型在气力输送中应用的最佳方案。
   1 砂丘模型
   通过整理大量文献资料,提取文献【4】和文献【5】的设计思想,构建砂丘模型,如图1所示。
  


   (a)砂丘角度及各项尺寸参数 (b)砂丘粒子入口及流向
   图1 砂丘模型
   该模型的主要材料为黏土,关于角度及各项尺寸参数的设置,本研究在很多研究成果基础上进行了调整,针对参数影响分析结论,大胆提出新的模型构建方法,并对其应用工况进行设置,探究不同工况应用条件下的物料粒子输送运动特性。其中,砂丘模型的安装位置是变量,观察不同位置安装条件下物料粒子速度分布情况,从中得出实验结论。
   工况1:将砂丘模型安装在物料进口下方,物料进入输送管道时,大部分物料直接与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控,沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
   工况2:将砂丘模型安装在物料进口左下方,与进口处保持约为1个模型长度的距离,物料进入输送管道时,不会直接与砂丘模型发生撞击,大部分物料进入管道后与其发生撞击。关于物料运动方向的把控,沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
   工况3:将砂丘模型安装物料进口左上方,与进口处保持约为1个模型长度的距离,物料进入输送管道时,不会直接与砂丘模型发生撞击,物料进入管道后少部分与砂丘模型发生撞击。关于物料运动方向的把控,沿着从右向左的方向控制物料粒子流动方向。
   2 实验设计
   2.1 实验装置与材料
   本实验选取水平管正压气力输送系统作为实验装置,利用该装置输送物料粒子,同时检测粒子运动性能。如图1所示为装置结构。
  

   图2 管道正压气力输送装置结构
   该装置主要由压力传感器1、压力传感器2、送料管、分离器、回料管、出料阀、储料仓、流量计、风机A、回料仓、风机B组成。装置总长度为5m,内径80mm。
   本次实验选取聚乙烯颗粒作为实验材料,该材料属于固相物料,粒径3.3mm,最终速度8.6m/s,密度952kg/m3。装置作业期间,设置物料质量流量0.45kg/s,同时控制物料输送速度,上限值为16.5m/s,下限值为10m/s。通过检测物料粒子在装置中的运动状态信息,对其输送速度加以控制,使其得以保持在固定范围内完成输送操作。
   2.2 实验方法
   本次实验采用图像测速方法,对装置内粒子输送速度加以检测,通过对比分析,从中得出一些实验结论。其中,粒子图像测速选取的工具为PIV系统,利用该系统采集水平管道内部物料粒子传输期间的速度分布信息。为了提高PIV系统图像测速性能,选取型号为Photron FASTCAMMAX I2高速摄像机作为图像拍摄工具,该设备快门速度高达0.1ms,作业参数帧率设定数值为1000。实验环境中,以2W高强度绿光作为激光源,并且对其连续性要求较高,设定光束厚度5mm,拍摄图像规格80mm×110mm。利用装置采集3个位置粒子图像信息,图1中A位置(距离粒子入口0.3m),B位置(距离粒子入口2m),C位置(距离粒子入口3.5m)。
   按照粒子追踪测速PTV原理,对物料粒子作业状况加(未完,下一页

  

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