低速高混合比水平气力输送临界速度.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.05.021 第15卷第5期北京科技大学学报 Vol.15 No.4 1993年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1993 低速高混合比水平气力输送临界速度+ 洪江* 沈颐身摘要：通过分析水平气力输送系统悬挂式电子称量装置的固体物料输送量记录曲线，判定了输送状态的稳定性，进而提出了中细颗粒(d<0.5mm)、高混合比(4=30~150)、水平低速(4。<15m/s)输送临界速度的经验关联式。关键词：临界速度，气力输送，不稳定性，低速、水平管道/密相中图分类号：TQ022.4 Critical Velocity for Horizontal Pneumatic Conveying with High Solids Loading at Low Gas Velocities Hong Jiang Shen Yishen' ABSTRACT:Instability of horizontal pneumatic conveying system was recognized through analyzing the wave of solid mass flowrate and pressure fluctuation during trans- portation of solids.Furthermore,an empirical correlation for critical conveying velocity of fine and medium size particles (d<0.5mm)under high solids loading (range from 30 to 150)at low gas velocities less than 15m/s was proposed. KEY WORDS:critical velocity,pneumatic conveying,instability low velocity,horizontal pipe/dense-phase 临界速度是气力输送设计的关键参数之一，一般定义为气力输送系统安全、稳定、连续运行所需的最小表观气流速度川。本文通过分析悬挂式电子称量装置所绘物料输送量随时间变化曲线，确定了中等粒径河砂与粉状钝化石灰高混合比水平输送时的临界速度及影响临界速度的因素，根据实验结果提出了计算临界输送速度的经验关联式。 1实验装置本研究在水平管中压(15~150kPa)气力输送系统上进行2”，其中流化罐体积为 0.37m',其底部装有流化布风板的倒锥体，下料喉口直径有10、15、20mm3种。物料 *92-10-06收稿第一作者：月，27岁，讲师、博士 +国家“八五“科技攻关项日85-501-04-02 冶金系(Department of Metallurgy)

第 15 卷第 5 期 19 9 3 年 10 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s ity o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e ij i n g V o l . 15 N o . 4 o e t . 1 9 9 3 低速高混合比水平气力输送临界速度 + 洪江 ’ 沈颐身 ` 摘要 : 通过分析水平气力输送系统悬挂式电子称量装置的固体物料输送量记录曲线 , 判定了输送状态的稳定性 , 进而提出了中细颗粒 (魂《 0 . s m m ) 、高混合比 (户 s 二 30 一 1 50) 、水平低速 ( “ : < 15m / s) 输送临界速度的经验关联式。关健词 : , 陆界速度 , 气力输送 , 不稳定性 , 低速 , 水平管道 / 密相中图分类号 : T Q 0 2 .4 C r it i c a l V e l o c i t y fo r H o r i z o n t司 P n e u m a t i e C o n v e y i n g w it h H i g h S o l i d s L o a d i n g a t L o w G a s V e l o e i t i e s 万。馆 J i a 心 ` hS e n lY’s 六e n . A B S T R A C T : I n s t a b ilit y o f h o ir z o n t a l P n e u m a t i e e o n v e y i n g s y s t e m w a s re c o g n i z e d t h r o u g h a n a ly iz n g t h e w a v e o f s o li d m a s s fl o w r a t e a n d p r e s s u r e fl u e t u a t i o n d u ir n g t r a n s - P o r t a t i o n o f s o lid s . F u r t h e rm o r e , a n e m Pi r i e a l e o r r e l a t i o n fo r e ir t i c a l c o n v e y i n g v e l o e it y o f if n e a n d m e d i u m s iez p a r t i c l e s ( ds 《 0 . s m m ) u n d e r h i g h s o li d s l o a d i n g ( r a n g e fr o m 3 0 t o 1 5 0 ) a t l o w g a s v e l o c it i e s l e s s t h a n l s m / s w a s p r o P o se d . K E Y WO R D S : e ir t i e a l v e l o e it y , P ne um a t ic e o vn e y i n g , i n s t a ib lit y 八。 w v e l co i t y , h o r i z o n t a l PIP e / d e n s e 一 Ph a s e l庙界速度是气力输送设计的关键参数之一 , 一般定义为气力输送系统安全、稳定、连续运行所需的最小表观气流速度【’ l 。本文通过分析悬挂式电子称量装置所绘物料输送量随时间变化曲线 , 确定了中等粒径河砂与粉状钝化石灰高混合比水平输送时的临界速度及影响临界速度的因素 , 根据实验结果提出了计算临界输送速度的经验关联式 ` 1 实验装置本研究在水平管中压 ( 15 一 150 k P a) 气力输送系统上进行。 . 3 7m , , 其底部装有流化布风板的倒锥体 , 下料喉口直径有 10 、〔2〕 15 、其中流化罐体积为 2 0 m m 3 种。物料 * 9 2一 1于0 6 收稿第一作者 : 男 , 27 岁 , 讲师 , 博士十国家 “ 八五 ” 科技攻关项目 8 5 一 50 卜04 一 02 * 冶金系 ( D e p a r tm e n t o f M e t a ll u r g y ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 05. 021

v ol . 巧 N o* 5 洪江等 : 低速高混合比水平气力输送临界速度 · 4 3 · 收集容器体积为 1 . 13 m 3 。输送管道长 8. 6 m 、内径 20 m m , 其中管末端为长约 l m 的透明有机玻璃管。整套输送系统主要构件均为耐压钢结构件。气流流量采用 3 个量程为 25 N m , / h 的玻璃转子流量计测定。固体物料输送量由悬挂式电子称量装置的 X 一 Y 曲线记录仪确定。水平输送管沿程道压力由 8 个间隔 l m 、量程为 0 . I M P a 的压力表读出。实验用固体物料为球形砂粒与钝化石灰粉剂 , 其粒度分布见图 1 , 物性参数见表 1 。表 l 中终极速度 (即沉降速度 ) 为单颗粒运动终极速度铸。 403210 岁 . 彭尔阁协恤喇 0 . 2 0 4 0 . 6 0 . 8 粒径 /~ 0 . 04 0 . 08 0 . 12 0 . 1 6 粒径 /~ 加如刃川。岁 . 援氢众脑喇阎冲图 l 砂与钝化石灰的粒度分布 F ig . 1 S i z e d is itr t, u t i o n s o f s a n d an d Um e Pa 币e les 实验时 , 流化罐初始装人 20 0 k g 河砂或 10 0 k g 钝化石灰 , 保持流化罐工作压力小于 150 k P a , 通过调节流化风量 (包括中心进气量与底部流化风量 ) 、喷射器输送风量、喉口直径及流化罐压力可以得到不同的输料量城及混合比产 S 。本实验输送混合比产 s 二 30 ~ 15 0 , 表观气速、 g = 5一 1 5m / s , 输送时间 t = 6 0 一 12 0 5 。表 1 砂和钝化石灰的物料参数 T a b l e 1 M a et r i a l P r o pe r it e s o f s a n d a n d il me p a 币e les 物料平均粒径 (m m ) 密度 ( k g / m , ) 空隙度 (一 ) 沉降速度 (m / s ) 石灰 0 . 4 2 0 . 0 8 3 2 6 5 0 3 2 00 0 3 8 0 . 7 6 3 . 90 0 . 6 6 输送过程中水平管内流动状态通过设置在输送管末端的透明有机玻璃管观察得到 , 进而确定输送量随时间变化曲线城一 t 与各种流型的关系以及出现不稳定柱塞流动时的表观气速即临界速度 cu r

·444· 北京科技人学学报 1993年No.5. 2实验结果与讨论 2.】不稳定输送流型的判定实验发现巴，水平气力输送时，随表观气速的逐渐降低，水平管内将顺次出现均匀巷浮流、不均匀悬浮流、线条流（即滑动床）、砂丘流及柱塞流等不同的流型。柱塞流动时，管内压力发生很大脉动、固体物料处于间隔运动的不稳状态。这种现象反映到宏观参数的测量上表现为管道上压力表读数值在某·范围内显著波动，输料量记录曲线W,~1 上.出现连续脉冲。据此，可以判断管内是否出现了不稳定柱塞流。图2是悬挂式电子称t装登的W、~1记求曲线(D,=20mm,Threat dia.=20mm)。该图表明：对砂、钝化石灰中细粒径颗粒低速(4e<15m/s)、高混合比(4，=102.5)密相水平输送，其上要流型为线条流即滑动床、砂丘流及其混合流型。在柑同混合比下，随表观'气速的降低，W一t曲线斜率变小.管内'流动状态则H山悬浮变至柱塞。可见W,~1 曲线与流型密切相关，用该曲线直接监测管内流动状态将是简便、直观的。 15a 15r b 12 14.9ms 12 14.6ms ,12.1ms 滑动床、 10.8ms 里帕 9 5796 滑动床、砂丘7.7m5 架 6 砂丘+滑动床人砂丘+滑动床品 3 人L人67ms 柱塞 lC入V人WMM5.6ms 柱塞 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 的 s 图2悬挂式电子秤量系统记录曲线(a砂：b.石灰) Fig.2 Typical recording curve of solid mass flowrate uetsus time 进-一步观察发现、砂丘流与滑动床的混合流型实际上并不稳、滑动床上的砂丘作波动状运动，相应地在W,~1曲线上表现为·定频率和幅度的波动。然而，当这种波动的频率较高而振幅较小时有理山把波动视作是连续和稳定的。图2显小·般非柱塞流型的 W,~1曲线都其有这种性质，其输料城曲线波动的频率小于1OHz、幅度人敛为： M、-M、 M、 ≤0.10-0.20 (1) 其中M、为任意时刻输料质其速率，Ms为平均输料质量速率。由此意义出发、本文将滑动床与砂丘流的流型亦划)」稳定输送范围，因为柱襄输送时、记录曲线W~【上出现显的脉冲，式(I)将不成立。显然，如能通过W,~1曲线的图形显示系统问时精确分析输送管内'〔尚两相流波动的频率与振幅将不仪可以迅速准确判别出不稳定柱塞脉冲输送，也可以准确判断其他流型。图3是根据心，~1曲线波动频率和幅度划分流型的小意图、该图表小示随者波动频率

· 4 4 4 · 北京科技人学学报 1 9 9 3 年 N o . 5 . 2 实验结果与讨论 2 . 】不稳定输送流型的判定实验发现 2l] , 水平 ` 、力输送时 , 随表观气速的逐渐降低 , 水 ;,-f 管内将顺次出现均匀悬浮流、不均匀悬浮流、线条流 (即滑动床 ) 、砂丘流及柱塞流等不同的流型。柱塞流动时 , 管内压力发生很大脉动 , 固体物料处 f 间隔 . 运动的不稳定状态。这种现象反映到宏观参数的测量上表现为管道上压力表读数位在某 · 范围内显著波动 , 输料量记录曲线附、一 , 匕出现连续脉冲。据此 , 可以判断管内是否出现一了不稳定柱塞流。图 2 是悬挂式电子称量装置的附、一 r 记录曲线 (D , 二 2 0 m m , T h r o a t d i a 一 2 0 m m ) 。该图表明 : 对砂、钝化石灰中细粒径颗粒低速《 u ; < 15 m s/ ) 、高棍合比 ( 户、 = 102 . 5) 密相水平输送 , 其土要流型为线条流即滑动床、砂丘流及其混合流型。在相同混合比下 , 随表观气速的降低 , 叽一 I 曲线斜率变小管内气固流动状态则山悬浮变至柱塞。可见哄一 I 曲线与流型密切相关 , 用该曲线直接监测管内流动状态将是简便、直观的。 , 4 · 缈 J , 2 · ’贴 b 一lwe ` 卜es `, 二.月` 1 . 14 6m殆 a .ser ` 气 IF é 2 ,二. , .且滑动床/ . óIesL 滑动床自矛,O 10 . s m S/ J 产 . 砂丘 , ~ ` 二笋.7 9m 渗砂丘十滑动床 .5 6功办 J 、 Z 洲一 , 柱塞刁` 一一 - ~ 一一 - -一一曰` 一一 10 20 30 4() t / s 气八JU 喇宾演拨冲芝国 .儿碑 6 . 7呻柱塞一 ~ 占`~ ~ ~ ~ - ~ 一一 ~ 司 30 4() O 沙 6 酬其潺芝命即 ù、r 0 0 20st/ 圈 2 悬挂式电子秤 t 系统记录曲线 a( . 砂二 b . 石灰》 F ig . 2 T y Pi e 川 r e e o r d i n g c u r v e o f 即 lid m a s o o w r a t e ” e t s u s n m e 进一步观察发现 , 砂丘流与滑动床的棍合流型实际卜并不稳定 , 滑动床卜的砂丘作波动状运动 , 相应地在哄一 t 曲线卜表现为一定频率和幅度的波动。然而 , 当这种波动的频率较高而振幅较小时有理山把波动视作是连续和稳定的。图 2 皿小一般非柱塞流型的汗几一 , 曲线都具有这种性质 , 其输料缺曲线波动的频率小 J 10 H : . 幅度大致为: } M 、一杯、 } _ _ . 、 l一一 l 冬 U 二 U 、 U . 艺U 】材、 l ( l ) 其中 M 、为任意时刻输料质试速率 , M 、为平均输料质鼠速率。由此仓义出发 , 本文将滑动床与砂陀流的流型亦划归稳定输送范围 , 因为柱塞输送时 , 记录曲线仲飞一 , 上出现城著的脉冲 , 式 ( l) 将不成立。城然 , 如能通过城一 t 曲线的图形披示系统 l司时精确分析输送管内气固两相流波动的频率与振幅将不仅可以迅速准确判别出不稳定柱塞脉冲输送 , 也可以准确判断其他流塑。图 3 是根据峨一 t 曲线波动频率和幅度划分流型的示意图 , 该图表示随着波动频率

Vol.15 No.5 洪江等：低速高混合比水平气力输送临界速度 ·445· 的减小和幅度的增加、管内流动将由完全悬浮状态逐渐向滑动床线条流动、砂丘流动和柱塞流动转变，即由宏观稳定、连续输送向不稳定脉冲输送过渡。未出现柱塞流型时，输送管道上压力表的波动一般为： Pmak-Pmn≤0.01MPa (2) Pmax、Pmin分别为压力波动时压力的最大值与最小值。式(2)说明稳定输送时 /固定床+砂丘压力脉动并不显著。柱塞应当指出，由于本实验未采用压力记 E 砂丘十滑动床录仪，式(2）只用作判断管内流动是否稳定的辅助手段，而一般只用式(1)作为判滑动床定不稳定流型的准则。笔无疑问，如能综合分析输料量与管内压力波动的频率及幅悬浮流度将有助于更精确地划分出各种不同的流频率Hz 型和判断管内瞬时流动状态，从而监测管内流动的稳定性。本研究为今后开发气力图3可能的流型辩识方法输送稳定性装胥奠定了基础。 Fig.3 Possible method to judgement of fiow 2.2临界输送速度 patterns from wave of solid mass flowrate 目前关于中，细颗粒（粒径d,0.5m)、哥混合比水平气力输送临界速度的研究极少、已有的少数报告局限于粗大颗粒(d>1mm)、较高混合比输送13.和细小颗粒低混合比输送5，其实验证实别，临界速度与物性参数（如物料真实密度p,、载气密度Pg 物料堆积空隙度、单颗粒终极速度4，等)、输送管径D,及操作参数（混合比4）有关.Muschelknautz&Wojahn发现对细小颗粒输送、临界速度与混合比无关。同时， Matsumoto etall通过分析沉积速度也得到密相悬浮输送时临界输送速度只依赖于物性参数的结论。根据W、~【曲线及观察水平管透明输送管段中流动状态，本文测定了不同混合比 (4,=30~150)、低速(4.<15m/s)输送河砂与钝化石灰时出现不稳定柱塞流的最小表观气速即临界气速4·实验结果见表2。表2表明，在高混合比低速输送条件下，随混合比4，的增加，临界速度4，略有增加，但增加幅度很小，这与文献[5,6]的结论相近。表2砂与纯化石灰水平管输送临界速度实测值 Tabie 2 Experimentai data for critical velocity of conveying sand and lime particies 混合比，4 34.8 43.650.5 67.385.3 102.5112.7126.5150.4 砂临界速度.e-m,s) 5.87 5.925.98 6.12 6.576.67 6.596.82 6.89 混合比、兵、 29.635.549.269.282.195.3103.4116.7121.3 石灰临界速度，em。‘s) 5.215.255.525.485.475.645.605.665.86 考虑到物性参数、装置参数与操作参数对临界速度的影响，根据表】对表2中实验数据进行多元线性回归，最终得到回归关联式：

V ol . 巧 N 以 5 洪江等 : 低速高混合比水平气力输送临界速度 · 料 5 · 的减小和幅度的增加 , 管内流动将由完全悬浮状态逐渐向滑动床线条流动、砂丘流动和柱塞流动转变 , 即由宏观稳定、连续输送向不稳定脉冲输送过渡。未出现柱塞流型时 , 输送管道上压力表的波动一般为: P ,二达、一 P m 。蕊 0 . 0 1 M P a ( 2 ) 通比ù男 nP l 。、、 mP l。分别为压力波动时压力的最大值与最小值。式 (2) 说明稳定输送时压力脉动并不显著。应当指出 , 由于本实验未采用压力记录仪 , 式 (2 ) 只用作判断管内流动是否稳定的辅助手段 , 而一般只用式 ( 1) 作为判定不稳定流型的准则。毫无疑问 , 如能综合分析输料量与管内压力波动的频率及幅度将有助于更精确地划分出各种不同的流型和判断管内瞬时流动状态 , 从而监测管内流动的稳定性。本研究为今后开发气力输送稳定性装置奠定了基础。 .2 2 临界输送速度固定床 + 砂丘柱塞砂丘十滑动床滑动床悬浮流频率潭 z 图 3 可能的流型辩识方法 F ig . 3 P o iS b l e m e 出o d t o j u d g e m e n t o f if o w p a t t e r n s fr o m w a v e o f os li d m a s n o w r 妞 t e 目前关于中、细颗粒咬粒径试《 0 ` 5 m m ) 、高混合比水平气力输送临界速度的研究极少 , 已有的少数报告局限于粗大颗粒、试> l m : n) 、较高混合比输送【` .3 41 和细小颗粒低混合比输送156 ] 。其实验证实 } ’ 3] . 临界速度与物性参数 ( 如物料真实密度凡、载气密度飞、物料堆积空隙度 % 、单颗粒终极速度 u , 等 ) , 输送管径八及操作参数 ( 混合比从 ) 有关。 M u s e h e l k n a u t Z & w oj a h n } 5 1发现对细小颗粒输送 , l院界速度与混合比无关。 I司时 , M ast u m ot o et al 6) 通过分析沉积速度也得到密相悬浮输送时临界输送速度只依赖于物性参数的结论。根据叽一 r 曲线及观察水平管透明输送管段中流动状态 , 本文测定了不同混合比恤 S 二 30 一 150 ) 、低速佃。 < 1 5 m / S , 输送河砂与钝化石灰时出现不稳定柱塞流的最小表观气速即临界气速伙 : , 实验结果见表 2 。表 2 表明 , 在高混合比低速输送条件下 , 随混合比。、的增加 , 临界速度伙 r 略有增加 , 但增加幅度很小 , 这与文献【5 , 6] 的结论相近表 2 砂与钝化石灰水平管输送临界速度实测值 T a b l e 2 E x eP r im e n t a 盆d a t a 几r e r iit e a 夏v e l o e i ty o f e o n v e 沂n g s a n d a nd li m e p a 币c i e s 混合比凡临界速度 · 姚产m / s) 3 4 . 8 5 ` 8 7 4 3 . 6 5 9 2 5 0 . 5 5 9 8 6 7 . 3 6 . 1 2 8 5 3 6 . 5 7 1 0 2 , 5 6 . 6 7 1 12 . 7 6 . 5 9 1 2 6 . 5 -6 8 2 1 5 0 . 4 6 . 89 石灰混合比 · 凡临界速度 , 姚(lr 刀厂 s 少 2 9 . 6 5 2 1 3 5 , 5 5 2 5 4 9 . 2 5 5 2 6 9 . 2 5 . 4 8 8 2 . 1 5 . 4 7 9 5 . 3 5 . 6 4 10 3 . 4 5 . 6 0 ] 16 . 7 5 . 6 6 12 1 . 3 5 . 8 6 考虑到物性参数、装置参数一与操作参数对临界速度的影响 , 根据表 l 对表 2 中实验数据进行多元线性回归 , 最终得到回归关联式 :