王云強

（東方機器制造（昆明）有限公司，昆明 650217）

煙草行業(yè)負壓吸送式氣力輸送裝置（系統(tǒng)）的設計計算

王云強

（東方機器制造（昆明）有限公司，昆明 650217）

隨著我國煙草工業(yè)的發(fā)展，氣力輸送裝置在煙草行業(yè)的應用已越來越廣泛，其應用范圍包括輸送、浮選、吸絲等制煙過程，已被大多數(shù)煙草生產(chǎn)廠家接收和使用。文中主要對應用于煙草行業(yè)的吸送式氣力輸送裝置和系統(tǒng)的設計計算進行探討。

煙草行業(yè)；負壓吸送式；氣力輸送

0 引 言

隨著我國煙草工業(yè)的發(fā)展，氣力輸送裝置在煙草行業(yè)的應用已越來越廣泛。不論是打葉機對葉、梗的氣力輸送和浮選，還是單管吸絲和多管吸絲裝置，以及碎葉分離、梗簽分離等，都已被大多數(shù)的煙草生產(chǎn)廠家接受和使

用，對提高行業(yè)生產(chǎn)率、改善工作條件起著積極的作用。氣力輸送裝置是在承載介質(zhì)中輸送散粒物料的一種運輸形式，其作用原理是借助于具有一定能量的氣流（通常是采用空氣流），沿一定的管路將物料從一處輸送到另一處。氣力輸送裝置按物料在管道中的流動特征可分為吸氣式、壓氣式、混合式3類。吸氣式或壓氣式是目前采用較廣泛的方式，兩種形式都是建立在具有一定速度的氣流對物料顆粒作用的基礎上的。對于煙草行業(yè)，所使用的氣力輸送裝置多數(shù)為吸送式（即吸氣式，利用負壓吸送物料），本文著重對應用于煙草行業(yè)的吸送式氣力輸送裝置和系統(tǒng)的設計計算進行一些探討。

1 氣力輸送系統(tǒng)主要參數(shù)的選擇和計算（負壓吸送）

1.1 懸浮速度uf

處于氣流中的物料顆粒在空氣動力的作用下被輸送，對于布置不同的管道，物料顆粒能夠被輸送的運動條件也是不同的。在垂直管中，物料顆粒必須呈懸浮狀態(tài)，而在水平管中，運動初始的特點可能是物料顆粒沿管底的移動。

從數(shù)值上看，物料的懸浮速度和沉降速度是相等的。顆粒在靜止的氣體中自由下降時，最初會有一個極短的階段是加速運動，當氣體的阻力與顆粒的浮重相等時，即作恒定的等速下降運動。該恒定的下降速度就叫做該顆粒的沉降速度；如果氣體以等于顆粒的沉降速度向上流動，則顆粒將在一個水平面上維持擺動狀態(tài)，既不上升也不下降，此時氣流的速度就叫做該顆粒的懸浮速度。因此，空氣阻力等于物料重力是確定懸浮速度的條件。

式中：ds為球形顆粒直徑，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s2；Cs為顆粒以速度ut在氣體中運動時的阻力系數(shù)；rs為顆粒重度，kg/m3；ra為空氣重度，kg/m3。

從式（1）看出：ds和rs越大，即輸送質(zhì)量和體積較大的物料，其能量消耗就較大。因此，在一定條件下，能把大塊物料加以松散或破碎后再輸送是比較經(jīng)濟的。

實際應用中，輸送的物料往往是不規(guī)則的，物料的懸浮速度就不能簡單地以式（1）來計算。如何解決這一問題，目前，根據(jù)雷諾數(shù)簡化求法，是以不同粒徑的Cs值代入式（1），得出下面的近似公式：

我們知道，雷諾數(shù)

式中：μ為流體黏性系數(shù)；ρ為流體密度；D為管道直徑；v為斷面平均速度。

1）對微細顆粒（適用于粉狀物料）,Re≤5.8時，

2）對于中等顆粒（適用于粒度小于1.0 mm細粒狀物料）,Re=5.8～500時，

3）對于粗顆粒（適用于粒度1.0～2.0 mm的粒狀物料），Re=500～2×105時，

式（3）～式（5）同樣適用于球狀物料。因此，對于不同形狀的顆粒，用形狀修正系數(shù)見表1）進行修正，即

式中：uf′為平均懸浮速度;ut′為平均沉降速度。

表1 形狀修正系數(shù)kφ取值

表2 各種尺寸煙葉、煙絲的平均懸浮速度

根據(jù)以上原理及經(jīng)驗，我們得到如表2所示各種尺寸煙葉、煙絲的平均懸浮速度。

1.2 輸送物料的氣流速度ua

上述情況僅是單一顆粒在不受外界任何影響下所求得的懸浮速度。實際應用中物料在管道內(nèi)是成顆粒群的運動，它必然受到顆粒與顆粒之間、顆粒與管道壁之間的互相摩擦、碰撞或黏附的影響。另外，由于氣流在管道中速度分布不均勻，存在著邊界層。因此，輸送粒狀物料時所需的氣流速度要大于其懸浮速度的數(shù)倍。對粉狀物料，因粉狀物料懸浮速度較小，而其黏附的影響較大，所需的氣流速度甚至要大于其懸浮速度的數(shù)十倍。

從降低能耗的角度來看，氣流速度愈小經(jīng)濟性愈好。但速度過小，則容易產(chǎn)生堵塞。如果速度過大，不但增加能耗，而且加劇輸料管、彎管的磨損，增大物料本身破損率，分離器和除塵器尺寸也要相應地增大。

確定恰當?shù)臍饬鬏斔退俣萿a的因素包括：輸送物料的性質(zhì)、輸送濃度、供料器的類型和結構、輸送距離、輸料管的直徑和布置形式等。因此，用理論計算所求得的最佳氣流速度往往與實際需要的并不一致。所以必須綜合考慮各方面因素來選擇恰當?shù)臍饬鬏斔退俣萿a。

根據(jù)上述的理論，結合煙草行業(yè)的實際應用情況及需要，我們可用以下的經(jīng)驗公式來計算氣流速度ua：

式中：uf′為平均懸浮速度,m/s；φ為系數(shù)，按表3選取。

表3 系數(shù)φ取值

實際使用證明：為了保證輸送工作的可靠和經(jīng)濟，并考慮到管道漏氣等原因，采用的氣流速度應比上述式（7）求得的理論值加大35%～50%。

1.3 輸送空氣量Q和輸送管內(nèi)直徑D

我們稱單位時間內(nèi)輸送的物料重量與輸送所需的空氣重量之比為混合比（m1），也稱料氣輸送比：

式中：Gs為物料重量，kg/h；Ga為所需空氣重量，kg/h。

如設空氣的重度為ra（kg/m3），輸送所需的空氣量Q可由下式求得：

通常，實際選用的空氣量為理論空氣量的110%～120%，這要根據(jù)輸送方式及所選用的設備類型以及附加一定的漏氣量而定。

根據(jù)空氣速度ua（m/s）即式（9），我們就可利用下式求得輸料管內(nèi)徑D：

1.4 系統(tǒng)所需空氣壓力P

氣力輸送系統(tǒng)所需的動力裝置，其所提供的空氣壓力P必須大于系統(tǒng)各部分的壓力損失之和ΔP，才能保證系統(tǒng)的正常工作。

式中：ΔP供為供料器的局部壓力損失；ΔP加為輸送物料加速過程的壓力損失；ΔP雙為輸料管中雙向流的壓力損失；ΔP器為分離器及除塵器的壓力損失；ΔP氣為輸氣管及排氣管的壓力損失。

通常情況下，選取系統(tǒng)動力時，所考慮的P＞ΔP，其裕量約為10%～20%。ΔP中各部分的計算如下：

1）ΔP供。對于低、中壓吸送系統(tǒng)：

式中，C值取決于供料形式，C=1～20，均勻給料時取小值，斷續(xù)供料或吸嘴吸料時，取大值。

對中、高壓系統(tǒng)：

式中：P雙為輸料管末端絕對壓力；C′為供料器結構形式系數(shù)，取0.15～0.25。

2）ΔP加。

其中：

式中：us為物料速度；ua為氣流速度；m1=2～10，與輸送距離成正比，與輸送壓力成反比。

3）ΔP雙。該部分壓力損失在整個系統(tǒng)中占的比例最大，因此，在布置中應盡可能縮短距離、減少彎管，同時計算要求準確。一般ΔP雙由下面幾部分組成：

式中：ΔP平為水平管壓損；ΔP垂為垂直管壓損；ΔP斜為傾斜管壓損；ΔP彎為彎管壓損。

而其單位長度的壓力損失，垂直管比水平管要大，傾斜管介于兩者之間，彎管的壓力損失則更大。

在煙草行業(yè)中應用的氣力輸送系統(tǒng)，中壓系統(tǒng)較為普遍，對中壓氣力輸送系統(tǒng)，其雙相流的壓力損失可按純氣流時的壓力損失ΔPa乘以實驗確定的系數(shù)α（稱壓力損比）來計算：

式中:k為壓損系數(shù)，見表5。λa為純空氣在輸料管內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)，由下式計算：

表4 彎管當量長度R彎（θ=90°彎頭時） m

式中：D為輸料管內(nèi)徑，m；L當為輸料管當量長度，m，

L平為水平管長度；L斜為傾斜管長度；L垂為垂直管長度；R彎為彎管當量長度（見表4）；n為彎管數(shù)量；K1=1.1～1.5；K2=1.3～2。

說明：對于θ≠90°的彎管時，可按表中值乘以θ/90°得到。

4）輸氣管與排氣管段按式（16）計算，其余部分壓損參考值如下：

節(jié)氣閥：1～5 mmHg；傘形風帽：5～15 mmHg；消聲器：5～25 mmHg。

1.5 風機功率N

根據(jù)輸氣量Q（m3/h）及所需空氣壓力P（mmHg）用下式計算（理論）：

式中：η為風機流體效率；η1為風機機械效率。

實際選用時，可根據(jù)工作情況等適當加大N值。

2 關于煙絲輸送最佳參數(shù)的選擇

煙絲輸送最佳參數(shù)的選擇就是選擇煙絲輸送最經(jīng)濟的料氣輸送比和空氣速度。

由輸送比和產(chǎn)量，就可求得所需的空氣量；由空氣速度，再根據(jù)空氣消耗量，可求得管道斷面，從而計算管道的壓力損失和系統(tǒng)所需的功率。

輸送比和空氣速度的選擇范圍及壓損系數(shù)見表5。表5中，Ⅱ組：上為低真空即一般真空裝置，下為高真空裝置。其余Ⅲ組：前為較小粒狀和趨向于全亂狀物料，后為散粒狀物料。

表5 輸送比、空氣速度、壓損系數(shù)取值表

2.1 經(jīng)濟輸送比

系統(tǒng)的能量損耗與輸送比的選取有很大關系。通過實驗，在輸送速度不變的情況下，輸送比趨近于1時，能量損耗亦趨近最??；并且，當空氣速度變化時，輸送比與空氣速度無關。因此，輸送煙絲的經(jīng)濟輸送比趨近于1，可以在0.8～1.2之間選用。值得一提的是，實驗指出：安全輸送比要比經(jīng)濟輸送比超出很多。因而，實際設計時，可不考慮加料不均勻系數(shù)，直接按平均產(chǎn)量進行設計計算。

2.2 安全輸送速度

試驗結果說明：在最低空氣速度下，試驗所得到的輸送比在1.8以上，也就是說，安全輸送比在1.8以上，方可得到安全輸送速度：13～15 m/s以上。

從保證在水平管道中可靠輸送的觀點出發(fā)，為了減少煙絲的破碎，工作時，經(jīng)濟輸送速度如下：對于垂直管道：12～14 m/s;對于水平管道：14～16 m/s。實際設計時，考慮到管道漏氣等因素的影響，輸送速度常選為：17～20 m/s。

3 結語

利用上面所述的計算方法，我公司先后為昭通卷煙廠、曲靖卷煙廠、成都卷煙廠等多家煙廠設計配套了單管吸絲和多管吸絲系統(tǒng)，運行使用情況良好，受到用戶的一致好評，為我公司取得良好經(jīng)濟效益和品牌口碑。

[1] 一機部起重運輸機械研究所.機械工程手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1979.

[2] 董耀,張雄.氣力輸送在卷煙工業(yè)中的應用與發(fā)展[J].南華大學學報(自然科學版),2007,21(3):72-75.

[3] 上海市機電設計院.鑄造車間機械化-氣力輸送裝置[M].北京:機械工業(yè)出版社,1981.

[4] 洪致育,林良明.連續(xù)運輸機[M]北京:機械工業(yè)出版社,1982.

[5] 一機部洛陽機械設計院.鑄造車間機械化-通風除塵機土建資料[M].北京:機械工業(yè)出版社,1978.

[6] 德國虹尼公司的樣本及部分資料[Z].

Design and Calculation of Negative-Pressure Pneumatic Transporting Device(System)for Tobacco Industry

WANG Yunqiang
（Oriental Sart Machine Manufacture(Kunming)Co.,Ltd.,Kunming650217,China）

With the development of tobacco industry in China,the application of pneumatic conveying device in tobacco industry has become more and more extensive.Its application range includes the process of conveying,flotation and suction.It has been accepted and used by most tobacco manufacturers.In this paper,the design and calculation of the suction pneumatic conveying device and the system used in the tobacco industry are mainly discussed.

tobacco industry;negative pressure suction type;pneumatic conveying

TS 43

文章編號：1002－2333（2018）01－0077－04

（編輯昊 天）

王云強(1964—)，男，工程師，從事煙草機械設備設計工作。

2017-04-11