丁 偉, 李 銘, 王文博, 白云龍, 周小忠, 孫哲建, 邵長嶺

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煙絲在水平管氣力輸送過程中系統(tǒng)壓降的研究

丁 偉, 李 銘, 王文博, 白云龍, 周小忠, 孫哲建, 邵長嶺

(浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 杭州卷煙廠, 浙江 杭州, 310024)

考察了烤煙煙絲(宜陽X3F)、膨脹煙絲在水平管氣力輸送過程中表觀氣速、料氣比及管道直徑對系統(tǒng)壓降的影響. 試驗結(jié)果表明: 系統(tǒng)壓降隨管長、表觀氣速及料氣比的增加而增加; 在相同進(jìn)料情況下, 直管壓降隨著表觀氣速的增加而增加; 在相同表觀氣速下, 直管壓降隨著料氣比的增加而增加. 通過分析, 給出了計算煙絲在氣力輸送過程中直管壓降及阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式.

煙絲; 系統(tǒng)壓降; 氣力輸送; 水平管

氣力輸送系統(tǒng)是卷煙制造行業(yè)普遍采用的一種重要輸送方式. 但在其高效應(yīng)用的同時也存在一些問題, 如: 設(shè)備能耗過高, 煙絲在輸送過程中容易出現(xiàn)造碎、分層等現(xiàn)象[1], 要解決上述問題, 需要更進(jìn)一步了解煙絲在輸送過程中的流動特性, 掌握氣力輸送系統(tǒng)運行過程中的主要影響參數(shù), 其中系統(tǒng)壓降無疑是最重要的. 系統(tǒng)壓降不僅涉及到系統(tǒng)的整體設(shè)計, 還關(guān)系到系統(tǒng)投入使用后的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性. 國內(nèi)外關(guān)于系統(tǒng)壓降及氣固兩相流阻力特性的研究多集中于其他行業(yè), 其研究方法主要分為2類, 一類是根據(jù)粒子受力情況進(jìn)行理論推導(dǎo), 再通過因次分析及試驗數(shù)據(jù)來理論推導(dǎo)其中的未知數(shù)[2-4]進(jìn)行關(guān)聯(lián)求解, 另一類是直接采用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[5-7]. 目前, 無論用什么方法得到的壓降模型, 大致可分為壓降比模型、經(jīng)驗公式、附加壓降模型等. 本文在前人研究的基礎(chǔ)上分析了煙絲在水平管氣力輸送過程中系統(tǒng)壓降的變化, 重點考察了料氣比及輸送氣體流速對系統(tǒng)壓降的影響, 并利用附加壓降法研究了煙絲在直管中的壓降, 獲得了計算直管壓降及阻力系數(shù)的理論及經(jīng)驗公式. 通過該項研究旨在為設(shè)計及優(yōu)化氣力輸送系統(tǒng)提供一定的技術(shù)支持, 同時為氣固兩相流動的數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 試驗材料及方法

1.1 材料

本試驗材料為國產(chǎn)烤煙煙絲(宜陽X3F)及膨脹煙絲. 試驗前將樣品放入恒溫恒濕箱平衡水分48 h. 用烘箱法測量煙絲含水率, 然后用液相置換法[8]測量煙絲表觀密度, 并計算得出煙絲當(dāng)量直徑. 試驗煙絲物理性質(zhì)見表1.

表1 試驗樣品煙絲物理性質(zhì)

1.2 試驗系統(tǒng)

圖1 水平管氣力輸送系統(tǒng)主視圖

P1-P8為系統(tǒng)測壓點

本試驗系統(tǒng)(圖1、圖2、圖3)主要包括氣源、喂料裝置、輸送管道、氣料分離器、高速攝影機(jī)、在線壓差測試裝置和在線風(fēng)速測試等部分. 裝置氣源由離心風(fēng)機(jī)提供, 風(fēng)量大小可通過變頻器調(diào)節(jié), 最大風(fēng)量為1 700 m3/h. 喂料裝置通過電子皮帶秤來實現(xiàn), 計量范圍為0～30 kg, 可實現(xiàn)均勻定量喂料; 系統(tǒng)的測壓裝置由多臺壓差變送器組成, 壓差信號傳入工控機(jī)后實現(xiàn)對輸送管道中多點壓力的實時數(shù)據(jù)采集, 采集速率為1個/s. 系統(tǒng)中輸送管道的矩形管部分頂端可上下移動, 以達(dá)到管道變徑效果, 可實現(xiàn)對不同管徑下氣力輸送過程中系統(tǒng)壓降的研究.

1.3 參數(shù)確定

根據(jù)試驗系統(tǒng)樣品處理的能力, 本文選擇了4種不同的料氣比, 并在既定的料氣比及表觀氣速下計算確定了試驗所需的物料量, 以烤煙煙絲為例, 計算所得數(shù)據(jù)見表2.

表2 試驗樣品進(jìn)料量及表觀氣速

1.4 附加壓降法模型

在穩(wěn)定狀態(tài)下, 煙絲在水平管氣力輸送系統(tǒng)中的壓降由純氣體流動引起的壓降及煙絲運動引起的壓降組成, 即:

1.4.1 純氣體流動造成的壓降

該項壓降可由范寧公式[9]得出, 即:

對于有機(jī)玻璃材料的光滑管道, 空氣阻力系數(shù)可由Blasius公式直接計算,

1.4.2 煙絲運動造成的壓降

式中, 常數(shù)1、2、3、4由試驗確定,ra為弗魯?shù)聰?shù), 表示慣性力與重力之比, 是重力對流動影響的準(zhǔn)數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 純氣體流動引起的壓降

2.1.1 系統(tǒng)絕對壓力

在不加料情況下, 負(fù)壓吸送式氣力輸送系統(tǒng)空床絕對壓力隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加而減小(圖4), 圖4中P1-P8為測壓點. 空床絕對壓力隨管長的增加而增加[9], 這是負(fù)壓吸送式氣力輸送系統(tǒng)得以正常運行的基礎(chǔ).

圖4 空床系統(tǒng)絕對壓力與風(fēng)機(jī)風(fēng)量的關(guān)系

2.1.2 直管空床壓降及阻力系數(shù)

圖5 不同管徑下直管空床壓降與表觀氣速的關(guān)系

2.2 煙絲運動引起的壓降

2.2.1 系統(tǒng)絕對壓力

由式(1)可知, 煙絲運動引起的壓降可由系統(tǒng)總壓降減去氣體流動引起的壓降得到. 試驗考察了烤煙煙絲與膨脹煙絲在輸送過程中系統(tǒng)壓降隨加料量及表觀氣速的變化關(guān)系(圖6、圖7). 在相同表觀氣速下系統(tǒng)絕對壓力隨料氣比的增加而增大, 同樣, 在相同料氣比條件下系統(tǒng)絕對壓力隨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加而增大.

圖6 烤煙煙絲在相同風(fēng)機(jī)風(fēng)量下系統(tǒng)絕對壓力與料氣比的關(guān)系(D = 150 mm, = 826.6 m3/h)

圖7 烤煙煙絲在相同料氣比下系統(tǒng)絕對壓力與風(fēng)機(jī)風(fēng)量的關(guān)系(D = 150 mm, )

2.2.2 直管壓降及煙絲運動引起的阻力系數(shù)

試驗測量了烤煙煙絲、膨脹煙絲在管徑= 150 mm及= 146.6 mm處的總壓降, 結(jié)果(圖8、圖9)顯示在相同氣料比條件下2段直管處總壓降隨著表觀氣速的增加而增加, 這是由于表觀氣速的增加, 加大了煙絲與煙絲及煙絲與管壁之間的摩擦.

將試驗結(jié)果及式(7)代入式(4)可得:

式(8)即為煙絲在管中運動時引起的壓降的經(jīng)驗計算公式, 計算值與實測值的比較如圖10所示.

圖8 烤煙煙絲在不同管徑下直管總壓降與表觀氣速的關(guān)系

圖9 膨脹煙絲在不同管徑下直管總壓降與表觀氣速的關(guān)系

圖10 直管壓降計算值與實測值對比

3 結(jié)論

本文通過試驗分析了煙絲氣力輸送過程系統(tǒng)的壓降, 重點考察表觀氣速、料氣比、管道直徑、煙絲密度等對系統(tǒng)壓降的影響. 通過對試驗數(shù)據(jù)的分析可以得到以下結(jié)論:

a. 系統(tǒng)絕對壓力隨管長、風(fēng)機(jī)風(fēng)量及料氣比的增加而增加, 這是負(fù)壓吸氣式氣力輸送系統(tǒng)得以正常運行的基礎(chǔ).

b. 直管空床壓降隨著表觀氣速增加而增加, 范寧公式可被用來直接計算直管空壓降, 空氣阻力系數(shù)可由Blasius公式給出, 試驗證明計算值與理論值比較吻合.

c. 在相同料氣比輸送條件下, 直管壓降隨著表觀氣速的增加而增加, 在相同表觀氣速下直管壓降隨著料氣比的增加而增加.

d. 對影響直管壓降的各個參數(shù)進(jìn)行了無因次分析, 通過對試驗數(shù)據(jù)的回歸分析得到了由煙絲運動引起的壓降及阻力系數(shù)的計算公式, 將試驗所得數(shù)據(jù)與計算值進(jìn)行對比, 發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性, 相關(guān)系數(shù)= 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

丁偉(1981-), 男, 工程師, 碩士, 主要從事卷煙工藝技術(shù)研究. E-mail: dingwei0105@163.com;

白云龍(1982?), 男, 助理工程師, 主要從事工藝技術(shù)研究及質(zhì)量管理工作. E-mail: baiyunlong@zjtobacco.com

(責(zé)任編校: 劉曉霞)