劉文歡，徐品晶，陳延信，李　輝

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西西安　710055)

0　引言

輸送提升管是旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)中的重要裝備，不但承擔(dān)著上下兩級(jí)旋風(fēng)筒連接和氣固的輸送任務(wù)，同時(shí)承擔(dān)著氣、固兩相間的換熱，物料分散、均布、鎖風(fēng)等任務(wù)。從旋風(fēng)筒收集下來(lái)的物料進(jìn)入輸送提升管，充分分散的同時(shí)在極短的時(shí)間(小于0．1 s)、極短的距離[1-3](小于0．2 m)內(nèi)完成與高溫氣流的換熱過(guò)程。為進(jìn)一步優(yōu)化懸浮預(yù)熱器系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，針對(duì)預(yù)熱器輸送提升管內(nèi)阻力損失的構(gòu)成及影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為優(yōu)化各部分的壓力損失提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，從而達(dá)到整體上優(yōu)化輸送提升管阻力損失的目的。

1　基于LabVIEW虛擬儀器的采集系統(tǒng)

選用LabVIEWwt[4-6]作為試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通常情況下，一個(gè)基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析軟件主要由系統(tǒng)界面、應(yīng)用層、測(cè)試程序?qū)雍蛢x器設(shè)備層組成。如圖1所示：自下而上，儀器設(shè)備層由各種儀器的驅(qū)動(dòng)程序組成，它主要負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備以及接口進(jìn)行設(shè)置和控制，將用戶(hù)對(duì)儀器設(shè)備的各種設(shè)置信息傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)字信號(hào)輸送到測(cè)試程序?qū)舆M(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)字信號(hào)是電壓信號(hào)，而不是所需要的物理量的測(cè)量值(如溫度、壓力等)，因此測(cè)試程序?qū)拥娜蝿?wù)是將采集的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的物理量，并將其送到用戶(hù)應(yīng)用層進(jìn)行處理。在試驗(yàn)研究中，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種處理(如頻譜分析、數(shù)字濾波等)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種計(jì)算(如求平均值、最大值、最小值等)，處理和計(jì)算好的結(jié)果再發(fā)送到虛擬儀器系統(tǒng)界面顯示。虛擬儀器系統(tǒng)界面是用戶(hù)用來(lái)操作儀器設(shè)備系統(tǒng)，與儀器設(shè)備進(jìn)行通信、輸入?yún)?shù)設(shè)置、輸出結(jié)果顯示的用戶(hù)接口[7]。圖2為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。

圖1　虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖2　LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2　試驗(yàn)方案和裝置

2．1試驗(yàn)內(nèi)容

在理論研究的基礎(chǔ)上，按氣固運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輸送管道的結(jié)構(gòu)特征，將輸送管分為：氣固加速運(yùn)動(dòng)段-氣固勻速運(yùn)動(dòng)段-彎管段。采用壓力測(cè)控儀器對(duì)輸送提升管內(nèi)不同區(qū)域的阻力損失的構(gòu)成進(jìn)行了研究，得到了輸送提升管內(nèi)的阻降分布規(guī)律，探討了不同操作風(fēng)速、不同的物料負(fù)荷率時(shí)輸送提升管阻力損失的分布。

2．2試驗(yàn)裝置

圖3為試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖。由集風(fēng)管處?kù)o壓環(huán)測(cè)得靜壓而求出管道風(fēng)速，再根據(jù)截面積比計(jì)算得到換熱管的截面氣流速度。本試驗(yàn)選做的換熱管截面風(fēng)速為12 m/s、15 m/s、18 m/s、21 m/s．試驗(yàn)用粉料為水泥生料粉，平均粒徑為19.64 μm，密度為2.687 g/cm3。

1—調(diào)速電機(jī)；2—螺旋給料機(jī)；3—喂料斗；4—PV4光纖濃度測(cè)量?jī)x；5—輸送提升管；6—旋風(fēng)筒；7—集料斗；8—電子秤；9—袋收塵；10—引風(fēng)機(jī)；11—集風(fēng)管

輸送提升管設(shè)有4個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)(A、B、C、D)。試驗(yàn)裝置的輸送提升管道直徑為150 mm。根據(jù)物料在預(yù)熱器輸送提升管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征，將其分為物料運(yùn)動(dòng)加速段(CD段)和勻速段(BC段)，將垂直向水平過(guò)渡的部分稱(chēng)為彎管段(AB段)。其中加速段0.63 m，勻速段0.58 m，彎管段0.64 m，如圖4所示。

圖4　提升管道區(qū)域劃分示意圖

2．3LabVIEW數(shù)據(jù)采集主程序

LabVIEW數(shù)據(jù)采集與分析程序應(yīng)完成以下功能：

(1)多通道采集，通道個(gè)數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)采集時(shí)間Δt根據(jù)試驗(yàn)需要可設(shè)定。通過(guò)傳感器的標(biāo)定所得到的電壓與對(duì)應(yīng)物理量之間的線(xiàn)性關(guān)系，可將所測(cè)的每個(gè)通道的電壓信號(hào)與其所對(duì)應(yīng)的真實(shí)物理量的值實(shí)時(shí)、直觀(guān)地在前面板中顯示出來(lái)；

(2)可將檢測(cè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定文件，設(shè)置警示燈，當(dāng)電壓值超出正常測(cè)定范圍時(shí)，將自動(dòng)報(bào)警；

(3)根據(jù)分析需要，完成特定的數(shù)據(jù)分析功能。

2．4采集信號(hào)的連接方式和采集方式

一個(gè)電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)2種類(lèi)型。測(cè)量系統(tǒng)可以分為差分(Differential)、參考地單端(RSE)、無(wú)參考地單端(NRSE)3種類(lèi)型。根據(jù)待測(cè)物理量的需要，本試驗(yàn)采用差分系統(tǒng)，信號(hào)為接地信號(hào)。

系統(tǒng)采用的是多通道采集，多數(shù)通用采集卡都有多個(gè)模入通道，但是并非每個(gè)通道配置一個(gè)A/D，而是共用一套A/D，在A(yíng)/D之前的有一個(gè)多路開(kāi)關(guān)(MUX)，以及放大器(AMP)、采樣保持器(S/H)等。通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)的掃描切換，實(shí)現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有3種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。在一次掃描(scan)中，數(shù)據(jù)采集卡將對(duì)所有用到的通道進(jìn)行一次采樣，掃描速率(scan rate)是數(shù)據(jù)采集卡每秒進(jìn)行掃描的次數(shù)。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用的為間隔采樣，如圖5所示。

圖5　間隔采樣

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖10所示。

圖6　空載態(tài)下不同風(fēng)速時(shí)輸送提升管各部分阻力

圖7　風(fēng)速12 m/s時(shí)不同固氣比提升管各部分阻力損失對(duì)比

圖8　風(fēng)速15 m/s時(shí)提升管各部分阻力損失對(duì)比

圖9　風(fēng)速18 m/s時(shí)提升管各部分阻力損失對(duì)比

圖10　風(fēng)速21 m/s時(shí)提升管各部分阻力損失對(duì)比

(1)由圖6得出，空載狀態(tài)下，提升管各部分阻力損失均隨著斷面風(fēng)速的增大而增大，此時(shí)提升管的總阻力損失主要來(lái)自于彎管段。這主要與彎管段的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，彎管段為流體進(jìn)入旋風(fēng)器時(shí)，提升管由垂直向水平入口段的過(guò)渡段，氣流在此處改變流向，因固壁邊界形狀不合流線(xiàn)而導(dǎo)致的大區(qū)域渦旋運(yùn)動(dòng)造成能量損失，有著相對(duì)較大的局部阻力損失。

(2)由圖7～圖10得出，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，隨著固氣比的增大，輸送提升管加速段、勻速段、彎管段的阻降在測(cè)量范圍內(nèi)隨固氣比的增大而增大，加速段的阻降的增長(zhǎng)幅度最大，其次為彎管段，勻速段幅度增長(zhǎng)最緩。

(3)由圖7～圖10得出，無(wú)論在低風(fēng)速還是高風(fēng)速下固氣比一定時(shí)，勻速段的阻力損失都是最小的。彎管段阻力損失次之，加速段的阻力損失最大。加速段阻力損失遠(yuǎn)大于勻速段和彎管段，這種差別在高固氣比條件下尤其明顯，加速段壓降占整個(gè)輸送提升管道阻力損失的最大比重，超過(guò)了60%。由試驗(yàn)結(jié)果得出，提升管的阻力損失主要取決于加速段的阻力損失。分析原因[8-10]，主要是由于在物料運(yùn)動(dòng)加速段，當(dāng)粉料未被氣流打散時(shí)，粉團(tuán)直徑較大，流體拽力小于重力時(shí)，粉料加速下沉；打散后，粉團(tuán)直徑減小，流體拽力超過(guò)重力，粉料由低速下沉轉(zhuǎn)為向上隨氣流運(yùn)動(dòng)，而向上運(yùn)動(dòng)初始時(shí)氣固相對(duì)速度較大，粉料處于向上加速運(yùn)動(dòng)階段。因此，由于氣流要瞬間改變物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使物料同流向上運(yùn)動(dòng)，且氣固間存在著較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，會(huì)導(dǎo)致氣流湍流強(qiáng)度增大，氣體做功較大，產(chǎn)生較大的局部阻力損失。

4　結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集和分析軟件的用于測(cè)量預(yù)熱器換熱管阻力損失的檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)踐證明，在預(yù)熱器輸送提升管阻力損的研究中，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，保證了研究工作的順利開(kāi)展。

(2)空載狀態(tài)下，提升管加速段、勻速段和彎管段的阻力損失均隨著斷面風(fēng)速的增大而增大，此時(shí)彎管段阻力損失所占比重最大。

(3)無(wú)論在低風(fēng)速還是高風(fēng)速下，固氣比z一定時(shí)，勻速段的阻力損失都是最小的。彎管段阻力損失次之，加速段的阻力損失最大，這種差別在高固氣比條件下尤其明顯，加速段壓降占整個(gè)輸送提升管道阻力損失的最大比重，超過(guò)了60%，因此，輸送提升管的阻力損失主要取決于加速段的阻力損失。

(4)通過(guò)分析預(yù)熱器提升管內(nèi)的阻力損失構(gòu)成及影響比重，可以有針對(duì)性地提出優(yōu)化預(yù)熱器提升管阻降的措施：首先，加速區(qū)域的阻力損失在整個(gè)提升管的阻力損失中所占的比重最大。主要是由于氣流要瞬間改變物料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)氣固兩相間存在較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度使能量損失較大而產(chǎn)生的?？赏ㄟ^(guò)安裝合適的撒料裝置，使物料粉團(tuán)在進(jìn)入換熱提升管內(nèi)以前便提前分散，達(dá)到優(yōu)化提升管加速區(qū)域的阻力損失的目的。同時(shí)，彎管段的阻力損失主要由其結(jié)構(gòu)形式所決定。因此在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地將彎管段做成平滑的圓弧過(guò)渡。

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