废旧混合塑料自动识别分选机喷嘴装置实验研究

中图分类号：TH138.52 文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.1673.095X.2013.01.003Experimental research on nozzle device in mixed wasteplastic automatic identification separatorHU Biao ，WANG Shu-tong ，LI Jian-yi ，YU Li.yun ，TANG Gui-lan ，ZHANG YI.min(1.School of Management，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.Tianjin Ziya Environmental Protectionindustfipark Co.Ltd，Tianjin 301605，China；3.School of Chemical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract：In order to determine mixing plastic automatic identification separatorbest nozzle shape，firstly，analysising out-put pressure is the key to sorting plastic and we should calculate the minimum output pressure.Then discuss the influence ofthe output pressure of relevant parameters，through the calculation and simulation that the input and the output pressure at-tenuation degree，preliminary estimate input pressure and then through the experiment to get the date of output pressure withnozzle diameter and length change under the same input pressure，using the method of correlation factor summary to draw thediameter of the relationship between the output pressure and length of tubes.Based on the ahove，we analysis the curve relyon experimental data by fitting method to select the best nozzle parameters.In the end we measure its jet range and give thespecifc nozzle distribution scheme。

Key words：pressure valve；output pressure；nozzle diameter；length；correlation coeficient method分类分选是废旧塑料 回收中最为关键的-步，是制约废旧塑料再生产的瓶颈环节 .传统的塑料分选依靠人力来识别，效率根本不足以去处理如此大量的废弃塑料，因此需要-种 自动高效的识别分选方法 j.目前比较先进的分选方法是利用投射在不同物体上的红外线反射光不同的特性，将其转化为数字信号，从而进行识别和分选 .不同种类的塑料由低速传送带抛落到用于分选的高速传送带，速度在 1.5 m/s-3 m/s.在分漾传送带的靠末尾处上方的红外线光谱识别仪利用红外线照射，然后通过分析反射光波长，并与数据库相应的波长比对，从而分析出物体的材料，发出分选指令 .分选指令传递给空气喷嘴输气管，在相应的位置，开启喷嘴，将需要分选的物体吹出，并集中收纳.而得到分选指令的物体，由于脱离轨道皆以速度为 的初速度做抛物线运动，并且运动轨迹与物体质量无关，将沿同收稿日期：2012·11-29。

基金项目：十二五”国家 863计划课题废混合塑料精准识别分离关键技术与装备”(2012AA063007)作者简介：胡 彪(1962- )，男，教授 ，E-mail：hubiaomail###126.tom。

· 8· 天 津 理 工 大 学 学 报 第 29卷 第 1期- 轨迹集中收纳于别处.由此达到自动化高效分选塑料的目的.现需要-种空气喷嘴，可以接收数字信号，并按照要求作出喷气指令.由此可见喷嘴在整个分选识别的过程中起到了举足轻重的作用。

本文着重对红外线光谱分选识别机的喷嘴进行研究.重点讨论喷嘴的形状对喷气效果的影响.本文给出了喷嘴的示意图，并设定了喷嘴的几个重要的参数 ：输入压力(P)、管长( )、管道直径(d)、喷气高度(日).通过实验来得出几个参数的数据，最后做出结论。

1 设计及计算喷嘴的结构如图 1所示.喷嘴头由压缩弹簧提供压力封闭喷嘴，使喷嘴处于常闭状态.由-种驱动器，如管状电磁吸铁致动.压缩弹簧与管状电磁吸铁置于密封针的下部，所有喷嘴的电磁吸铁都由单片机或译码器控制，与上位机相连，当数字信号传递过来时，译码器将数字信号，即二进制代码翻译成输出电信号，传递给嵌入式系统式单片机，对喷嘴做出动作指令.达到分选的目的.该设计可以在不接触分选物体的情况下达到分选物体的目的.并且喷嘴的喷出的气流精确，有效，稳定。

图 1 喷嘴结构图Fig.1 Structure of nozzle根据分漾的结构，初始设定喷气高度为 150mm.传送带水平速度为2 m/s.首先确定符合要求的输入压力 P。

若设定将分选物吹起后下落至原有高度时水平间距 S1 m作为分选成功的标准，则此时喷吹的输出压强为最小值.如图 2所示 (如实际压强大于P i ，图中分选物吹起后下落至原有高度时的水平间距应大于 1 in)。

图2 喷吹效果图Fig.2 Efect ofinjection由于气流场的复杂性，和物体所受空气阻力不断变化，作用在分选物上的输出压强随时间变化的函数模型的计算难以实现.为便于研究，该模型简化为输出压强只作用在 a点极小范围内.等效-种理想情况为以a为圆心，直径 d1 mm的球型区域 D内，输出压强不变.范围外输出压强为零。

则在 D内，物体在垂直方向做加速运动，在 D外，物体做轨迹为抛物线的运动。

首先讨论 D外抛物运动.物体水平速度 2 m/s，重力加速度为g10 m/s ，考虑空气阻力。

(1)其中：F 是空气阻力，A为物体表面积，c为风阻系数，取 C0.5.则物体水平运动1 m所需时间约为 t12 S。

然后讨论D内运动，物体在D内的时间为t，0.5 d/0.5 0.1 ms，做垂直方向匀加速向上的运动 ：P i ·S-Mg(2)其中S为喷吹方向垂直截面积，M为物体质量，且 MpSh，带入得：P i ph×10以台式电脑主机外壳塑料为例，多以 abs塑料为主，密度为P1.05 103 kg/m。，厚度h2 mm。

P i 1.05×10 ×2×10-。×10 0. 21 MPa空气压缩机提供气流输入.-般压缩空气压力在0.56 MPa～0.75 MPa，空气流速在8～12 m/s，现日气压力为0.6 MPa，空气流速为 10 m/s.室温为20℃.(此后的计算及实验皆默认在室温条件下，且忽略温度变化对其结果的影响.)管道直径 d和管长2013年2月 胡 彪，等：废旧混合塑料自动识别分漾喷嘴装置实验研究 .9。

圆形截面管的压力降计算：摩擦压力降管道中的空气流动由于流体和管道管件等内壁摩擦产生的压力降称为摩擦力压降.摩擦压力降都是正值.正值表示压力下降.可以范宁(Fanning)方程式阻力系数法 表示，即：△ (等∑K) ×10 (3)式(3)为圆截面管道摩擦压力降计算的通式，对层流和湍流两种流动型态均适用.式(1)中， P，为管道总摩擦压力降，单位为KPa；人为摩擦系数，无因次； 为管道长度，单位为m；d为管道内直径，单位为 m；∑K为管件、阀门等阻力系数之和，无因次，取∑K2；M为流体平均流速， ：10 m/s；p为流体密度，Pm/vPM/RT600 X 29/101×0.082 X 2937.17 kg/m 。

现判断管道中空气属于哪种流动形态，以确定摩擦系数 A。

雷诺数按下式计算Re：-dup： 354孚：354 (4)式(4)中，Re为雷诺数，无因次；u为流体平均流速，u10 m/s；d为管道内直径，d2-5 mm；/z为流体粘度，气体粘度随压强增加而增加的很少，在-般工程计算中可以忽略，只有在极高或极低的压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响.取 17.9×10～MPa·s；W为流体的质量流量，单位为 kg/h；为流体的体积流量，单位为 in /h；p为流体密度，P7.17 kg/m。。

带入公式，得 Re8 011 ReI>4 000属于湍流，其摩擦压力降几乎与流速的平方成正比。

无缝黄铜管、铜管及铅管的绝对粗糙度(C)0.01-0.05 mm，相对粗糙度为 0.001，在完全湍流下，查表得管道的摩擦系数为A0.02带入公式得△P，：( 2) x 10-3(L/a)max150/2：75△P，( (( 2) -1.25 KPa《600 KPa，因此 压强降相对输入压强很小。

基于大型流体动力学计算软件 FLUENT模拟喷嘴喷射气体的流场分布 ，得出 H150 mm时，PH0.34 MPa>P in0.21 MPa(d取 3 mm，L取 60nlm)空气压力取 0.6 MPa，符合要求。

2 实 验实验测定喷嘴最优参数方法及步骤如下：1)实验选取 7×749组喷嘴，直径分别选为 2mm 、2.5 IBm、3 mnl、3.5 mlT1、4 mm、4.5 mm、5 mm，管长分别为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、lOOmm、120mm、140 mm.并使用台式卡盘夹持实验喷嘴。

2)用-个锥型铁块，顶端与细绳相连.细绳长度z500 mlTl，顶端与数字推拉力计相连，数字推拉力计选用 HF-5型，最大测量值为 5 N，负荷分度值为0.001 N.将其固定在工作台上，以保证其稳定性.测量拉力计读数3)调整细绳长度，使锥形铁块处于实验喷嘴的正上方，且离喷嘴垂直距离为 150 1Tim。

6)观察读数 ，调出数字推拉力计最小读数.重复3次，取算术平均值，记为 。

7)计算△F To-T1，近似喷射气体作用在锥形铁块上的力即为△F 。

8)依次做其它组喷嘴实验，重复以上步骤，分别得出各组的拉力差△F。

3 实验结果及讨论将测试数据△F整理如表 1所示.因P0.1△F/S，得出对应的压强值，整理如表2所示。

表 1 各组拉力差Tab.1 Tension of each group0.059 0.160 0.241 0.320 0.391 0.441 0.4 80.070 0.186 0.265 0.344 0.397 0.456 0.4620.078 0.193 0.288 0.353 0.403 0.460 0.4670.068 0.180 0.260 0.338 0.391 0.453 0.4570.055 0.168 0.249 0.323 0.386 0.4 6 0.4530.045 0.158 0.236 0.3l1 0.369 0.436 0.4 30.026 0.152 0.230 0.305 0.364 0.430 0.440加 ∞ ∞ ∞· 10· 天 津 理 工 大 学 学 报 第 29卷 第 1期表 2 各组输出压强Tab.2 Output pressure of each group0.147 0.227 0.292 0.355 0.411 0.451 0.4570.156 0.248 0.311 0.374 0.416 0.463 0.4680.162 0.254 0.329 0.381 0.421 0.466 0.4720.154 0.243 0.307 0.369 0.411 0.461 0.4640.144 0.234 0.298 0.357 0.407 0.455 0.4610.136 0.226 0.288 0.348 0.394 0.447 0.4530.121 0.221 0.283 0.343 0.390 0.442 0.450为得出该条件下直径、管长与输出压强这三者之间的关系，本文引入了相关系数法 .通过实验数据进行相关系数计算得出以下相关系数，其中选取管长 100 mm组与直径 5 mm组两组的数据制作散点图3、图4.首先固定管长然后计算直径与输出压强的相关系数，再固定直径然后计算管长和输出压强的相关系数 ，如表3所示。

日皇尊5幽吾j直径/mm图3 直径与输出压强的关系曲线Fig.3 Pressure curve of diameter and output日骥幽丑管长/ram图4 管长与输出压强的关系曲线Fig.4 Curve of length and output pressure表 3 直径、管长和输出压强的相关系数Tab.3 The correlation coeficient of diam eter tube length and the output pressure从表 3可以看出直径和输出压强和管长和输出压强的相关系数较高，在图3和图4计算得到的拟合度均大于 80%，这证明这两条曲线都比较真实地反映了两个变量之间的关系。

最小输出压强 P i 0.21 MPa，故选取直径为3 mm以上的喷嘴.考虑到喷嘴阵列的喷气范围要覆盖整个分选平面，需测定喷嘴的喷气范围，将直径为3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm、5 mm，5组分别进行测定.方法是：实验时，将背景用白板遮挡，白板与喷嘴相隔200 mm，用黑笔在白板上画出长为 100 mm的标尺.并标记距喷嘴上方 150 mm水平指示线.将彩色照相机对准喷嘴正面，相机高于喷嘴 150 m/n.黄色烟雾通过空气压缩机进入喷嘴，输入压强为 0.6 MPa。

当喷嘴喷射流稳定后按下快门.将各组喷嘴分别重复试验.最后将每张照片中的与水平指示线重合的黄色烟雾长度，与白板上 100 mm标尺进行比对，得出数值即为黄色烟雾的直径.算出各喷嘴 150 mm上方的喷射范围，并进行比对。

喷嘴直径最大时，输出压强最大.喷嘴管长为60 mm时，输出压强最大.由于直径越大排布空间越小.而随着喷嘴直径的增加，输出压强的提升减小，且对于较信粒的物体，输 出压强过大会导致物体运动轨迹不规律，不便于收集.最后得出直径3.5 mm，管长为 60 mm时，为喷出效果最佳.此时得出的 150 mm高度的喷射半径是 45 mm.喷嘴的排布按照矩阵式排列，如图5所示.每两个喷嘴的O O O O O 0 0 O 0 加 ∞ 印 鲫2013年2月 胡 彪，等：废旧混合塑料 自动识别分漾喷嘴装置实验研究 .11。

距离为 45 mm图5 喷嘴喷射范围及布局示意图Fig.5 Spraying range of nozzle andlayout diagram4 结 论论证了输出压强是分选废 旧塑料的重要指标。

经计算，输出压强最小值为0.21 MPa.论证了输出压强在圆形截面管的下降相对输入压强很小，并确定输入压强值.在恒定输入压强值条件下，由实验所得数据分析可得输出压强可能与喷嘴直径正相关，而与管长呈现先正相关后负相关的现象，且在相同直径条件下，管长为60 mlTI时，输 出压强最大.综合考虑节能和空间利用等因素，选取了用于混合塑料 自动识别分漾的最佳喷嘴装置，半径为 3.5 rlm，管长为60 ITIm.针对此喷嘴装置，设计了矩阵式排列布局，每个喷嘴的距离为45 mm.该结果可作为今后可编程阵列喷嘴设计的参考。