水平渐缩管道浓相气力输送流动阻力特性研究

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气力输送技术是用气体作为动力在管道中输送干燥散状的固体颗粒或粒子的输送方法。

由于其具有无污染、低成本、安全可靠、便于 自动化等优点，已经广泛应用于冶金、化工、卷烟、粮食等工农业领域 j。到目前为止，绝大多数的研究集中在水平和垂直的单-管道，但是在输送过程中由于采用单-管道，管内气速变化较大，由此带动固体速度剧变 ， 。为了解决这个问题 ，工程上通常采用设计、安装变径管道来实现 。

本文首先设计并塑造不同几何形状的渐缩管，在浓相气力输送试验台上，采用脱硫石膏为输送物料进行气力输送试验。通过改变管径比、扩散角等几何参数以及固气质量比、气体速度等流动参数，探讨水平渐缩管压力降的变化趋势。在试验的基础上，建立预测水平渐缩管压力降的物理数学模型，并与试验数据进行对比分析。

2 试验系统及物料性能试验采用的输送系统主要包括气源、发送装收稿日期： 2012-05-15 修稿 日期： 2012-O8-01基金项目： 山东省自然科学基金(ZR2011EL040)；山东省大型科学仪器设备升级改造技术研究项目(2011SJGZ20)；济南青年科技明星计划(20120121)；济南市科技发展计划(201202071)2013年第 4l卷第 1期 流 体 机 械 7置、输送连接管道、收料装置与测试装置等 5部分，如图 1所示。发送装置为上出料式发送罐，输送管道为无缝钢管。试验中用到的测试设备主要有气体涡街流量计、远传压力/压差变送器、电子称重仪，分别用来监控空气质量流量、管道定点的压力和管道两点之间的压差、输送物料的质量变化压送器图1 浓相气力输送系统水平渐缩管分别选用管径 比D/d为 80ram/50mm，80mm/65mm，65mm/50mm；扩散 角度 为8。、l0。的无缝钢管进行焊接制作，具体几何尺寸如图2所示(D、d代表渐缩管管径，J8代表扩散角度)。

图2 水平渐缩管试验过程中，首先将压缩空气充人发送罐，空气在管内对罐体进行充压，对物料进行流化，待罐体压力达到 0.3MPa左右时，打开管道阀门，进行气力输送，气固两相流经水平直管、渐缩管，并最终进入收料罐。在输送过程中，用上述测试设备对管道内各参数进行监控，并采集数据。

试验中，固气质量比控制为35、45和55，气体表观速度控制在8～18m/s。

本文选取干燥的脱硫石膏粉体为输送物料，其物理性能如表 1所示。

表 1 脱硫石膏粉体物理参数真实密度 堆积密度 平均径 中位径 休止角 含水(kg/m ) (kg/m ) ( m) ( m) (。) 率(%)2476 863.7 20.46 8.623 57.3 0.7813 结果与讨论3.1 管径比与渐缩管压力降的关系图3和4分别示出固气质量比为 35，扩散角度分别为 8。和 10o时，不同管径比下输送脱硫石膏粉体，压力降与表观气速之间的变化关系。

山 逝R幽拙36.021.06.08.0 l2.5 l7.O表观气速 (m/s)图 3 扩散角为 8。，管径比不同时水平渐缩管阻力曲线21.0姐拙 6.O8.0 l2.5 l7.0表观气速 (m/s)图4 扩散角为 10。，管径 比不同时水平渐缩管阻力曲线由图可以看出，随着表观气速的增加，渐缩管的压力降增大。并且，在表观气速和扩散角度相同的情况下，当管径比 D/d逐渐增大时，压力降也相应增大。这主要是由于是当气固两相沿程流动时，管径突然减小，造成气固两相流动空间减小，两相流动方向突然改变，气体、固体由之前的水平流动方 向转为沿扩散角度方向，并且管径比越大，这种趋势越严重 ，由此造成气固两相动能减小，同时颗粒、气体和管壁之间的摩擦、碰撞几率增大，进而导致渐缩管处的局部压力降增大。

3.2 扩散角度与渐缩管压力降的关系图5和 6示 出2种管径 比，固气质量 比为35条件下，扩散角度不同时渐缩管内压力降的变化曲线。由图可以看出，在相同固气质量 比和相同管径比的条件下，渐缩管局部压力降随着扩散角度的增大而增大。这主要是因为在相同的管径比条件下，扩散角度越大，相当于气固8 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.1，2013两相会在较短的距离内由大管径管道渐变到小管径，由此，两相流的运动距离变短，并且管道管径突然变嗅使两相的流动变得较为复杂，气固两相问、颗粒问以及颗粒与管壁间的作用力加大，两相流脉动效应增强，由此造成局部阻力增大 。

35.0世22.5出4缸I拙 10.080 12.5表观气速 (m/s)l7.O图5 D/d为 65mm/50mm，扩散角度不同时水平渐缩管阻力曲线逝18.54缸I拙6.08.0 12.5 17.0表观气速 (m/s)图6 D/d为 80mm/65mm，扩散角度不同时水平渐缩管阻力曲线3.3 固气质量比与渐缩管压力降的关系图7和图8分别示出是两种扩散角度，管径比相同的条件下，固气质量比不同时渐缩管内压力降的变化曲线。

：兰世靴9.08.0 l2.5 l7.0表观气速 (m/s)山 篷1±8.0 l2.5 l7.0表观气速 (m/s)图8 扩散角为 10。，固气比不同时水平渐缩管阻力曲线由图可以看出，当表观气速增大时，随着固气质量比的增大，管道压力降也随着增加。这主要是由于固气质量比增大意味着相同的压缩空气会携带更多的固体粒子，气相对固相产生曳力增大，并且两相流体与管壁的碰撞几率增多。同时，由于气固两相流动在渐缩管处发生流动形态的改变，导致了两相流的能耗增加；由此表现出随着固气质量比的增加，水平渐缩管局部压降增大。

4 压力降的物理数学模型的建立目前，关于浓相气力输送的研究正处于探索阶段，还未形成较为完备的数学理论体系。本文在大量实验数据的基础上，采用相似第二定律和量纲分析法，借助单相流通过水平渐缩管的压力降计算模型，将所有影响压力降的因素都考虑到局部阻力系数中，由此得出了水平渐缩管局部压力降的等效数学模型。

如上文所述，影响渐缩管的局部阻力损失的因素很多，为了简化计算，本文将这些影响因素都考虑到渐缩管局部阻力系数 中，其中包含的影响因素有：气体粘度 ，气、固两相密度 P 、P ，扩散角 ，管径比D/d，气、固两相流速 1， 、U ，固气质量比k。

则 可表示为：(P ，Pg ，d ，D，d， g，k， ，ug，卢)(1)将 用幂乘形式进行转换，化为：： Clp P：d；D d 《 M hM i(M -M ) ta(2)用相似第二原理和量纲分析法，继而得到：叼 Z叼Repa4k ta % (3)Rep图7 扩散角为8。，固气比不同时水平渐缩管阻力曲线 式中 --管径比，XD/d-0 ， - o r -l 8 . - ： Lp -2013年第4l卷第1期 流 体 机 械 9固气两相的密度比值，Yp /pz--固气两相的速度比值，Zus/uk--固气两相质量比JB--扩散角尺e。--颗粒群在管道中流动时的雷诺数式(3)两边取 自然对数，并将试验数据代人 ，进行多元线性回归分析，同时进行回归分析的显著性检验，最终得出计算渐缩管压降的回归方程： e22.3X Y ～Z-27Rep 。k-2.6ta 。(4)结合压力降公式：Ap：考P-b Vg (5)得出水平渐缩管阻力公式：ap 4.52x0· yo Z加 Re.，I。·媚×k-0.54sin 。· p bvg (6)二 其中 P6ep (1- )JDP- 式中 P --气固两相的混合密度- - 空隙率将此计算值与试验值进行误差 比较，结果如图9所示。从图中可计算出，计算值和试验值的误差在 -11.05% ～8.30%之间，基本与试验值相吻合。由此可知该公式具有较高的准确性，使用价值也相对较高。

2O琳10l0 20 3O试验值(kPa)图9 水平渐缩管的压力降试验值与计算值拟合5 结论大时，渐缩管压力降随着增大；管径比D/d和固气比相同，渐缩管压力降随扩散角度的增大而增大；管径比D/d和扩散角度相同，固气比增大时，渐缩管压力降增大；(3)运用数学方法，结合试验数据，建立了水平渐缩管的数学物理模型并给出方程式，△P 24.84×10 ×X Y Z-0.27Re k-2.6ta，并与真实试验值进行拟合比较，发现误差较小，具有较高的实用性。