叶轮式供料及喷射式供料系统研究

2012-09-07李奕

中国机械工程 2012年14期

李奕

湖北工业大学，武汉，430068

0 引言

供料设备是粉体储运系统中必不可少的组成部分，也是在短距离内输送物料的机械设备，根据使用目的不同，称为供料机或加料机、给料机等［1－2］。该设备一般放置在料仓的卸料口处，依靠物料的重力作用并依靠供料设备工作机构的强制作用，将料仓内的物料卸出并连续均匀地送入下一个设备中。供料设备可以控制料流量的大小，在其停止工作时，还可以对料仓实现闭锁。因此，供料设备是连续生产工艺过程中不可缺少的设备之一［3］。

在很多工艺过程中，不仅要供料，还要求准确计量，尤其是在不同的成分、不同种类或不同性能的多种原料按比例进行混合时，需要进行准确计量［4］。本文介绍了供料机中最常用的叶轮式供料系统和喷射式供料系统的性能。

1 叶轮式供料系统性能

如图1所示，叶轮式供料机类似于一个旋转门，利用叶片在壳体内旋转，粉体在重力作用下从低压区域流到高压区域，实现定量供给。在供料量和叶片转速成比例的范围内，竖直方向存在300kPa的压力差。对于在更大比例范围内使用的供料机，则需实施各种改善措施［5］。

在进行送风机的选择时，利用空气输送理论，忽略空气泄漏，根据粉体来选择置换空气的压力差。在发生粉尘的情况下，送料器附属的减震料斗关闭。粉体滞留在料仓的出口，停止向供料机供料，反向流动化的粉体的排出量将增加。为了分析粉体的体积，需要考虑空气的混入，分析进入送料机的粉体的实际体积密度。

下面将通过数学解析方法对供料系统的相关因子进行整理。

首先，从性能的角度进行分析。粉体的体积流量Q和所需动力P由叶片转速n、供料机的内径d、压力差Δp、粒子直径D、体积密度ρb以及重力加速度g决定，其映射关系可写为

利用数学解析，得

图1 叶轮式供料机示意图

将供料性能写成式（1）和式（2）的形式时，对于相似的供料系统，在尺寸和转速变化时，可以推算出Q和P。对于被供给的粉体，当不存在压力差Δp时，式（1）可写成，当转速n很低时，因为粉体在容腔内完全填充，与g无关，所以可以推出Q＝a1nd3。

其次，从设计供料系统的角度来看，因为n和d都是未知数，上文的映射关系可变形为

利用数学解析，得

对于相似的供料系统，若用式（3）和式（4）来计算n和d，可以给设计提供很大的方便。

供给量Gs和n成比例时的最大转速nmax和结构、粒子物性以及使用条件有关。在没有压力差的情况下，设Vo为容腔总体积，则

若n＞nmax，因为转速较高，粉体则无法完全填充整个容腔。当粒子以初速度为0进入容腔，入口处叶片线速度为u，容腔圆周方向长度为H，从同一位置流入的粒子在H／u的间隔内，因为是进入同一个容腔，从周向长度b、轴向长度l的入口进入一个容腔的粉体质量可以利用粉体流动特性公式来分析。将yo＝0，t＝H／u代入式（5），并乘以ρbbl，则Gs表示式为

式中，t＊为粒子的阻尼时间；Z为叶片个数。

因为H／u＝1／（Zn），当t＊很大时，有

此时，最大速度nmax为

当t＊小的时候，nmax也变小。另外，当自由落下料留在入口的上方时，粒子的初速度可以不用考虑。图2所示为叶轮式供料机供给量的测量结果。将测量结果和理论曲线（式（5）、式（6））比较，在存在压力差Δp的情况下，由于空气的泄露，上升气流产生更大的空气抵抗，造成Gs减小。

图3表示存在Δp的情况下，不同转速对应的Gs和Δp的关系。当Δp增大到一定程度后，Gs将会变小。从图3可知，当Δp≈2kPa时，供给停止了。然后，稍稍越过这个压力差，Gs达到各个转速下供给量的峰值，并且该峰值要大于没有压力差时的供给量。因此，在粉体的流动化现象，必须要严格考虑泄漏的空气。

图2 叶轮式供料机的供给量

图3 压力差对粒径150μm玻璃珠供给量的影响

上述结论是建立在进入容腔的粉体完全被排出的假设基础上而得到的，而实际工作过程中，回转运动和粉体的附着力等会对出口处粒子的排出产生不良影响，使粒子不能完全排除，故造成Gs减小。

2 喷射式供料系统性能

喷射式供料系统利用气流速度产生负压，将粉体往管道中吸入，利用漫射器产生的回复静压进行压送输送，回复压在15kPa左右［6］。采用该方法进行输送，粒子破损较少，适合于输送易破损的颗粒。输送性能可以根据动量理论进行推导。喷射式供料机示意图（图4）中，un为喷嘴出口速度，λ为扩口角度，s为距离漫射器的距离，u2、v分别为扩口后的空气速度和粒子速度，Qo为吸入送料盒的空气流量。将喷嘴入口和扩口后的界面之间的区域取为研究对象，根据动量理论，可得式中，An、A2分别为喷嘴和管道的截面积；A1为从An面到A2面的扩口圆台的侧面积。

图4 喷射式供料机示意图

根据空气的连续性方程可知：

若管道出口和供料器通外界大气，则

式（8）右边第一项Δpi＝po－p1为吸入系统的压降，第二项Δp＝p2－po为漫射器中上升的压力，Δp和管道沿程压力损失Δpt相等，则式中，k为吸入系统的损失系数；Δp1为管道内总压力损失；ζ和ζs为输送管道系统的损失系数；m为气流质量。

另外，Gs根据Q来决定，两者关系近似为线性关系，若设a、b为系数，则

将un作为参数，Gs、Qo、Δp、Δpl和u2的函数关系可以用下式表示：

供料器的工作点由于漫射器的原因而造成压力上升，即式（12）和管道的压力损失表达式（13）相等，由此可解出管内风速u2。因为该方程为二次方程，有两个根，从稳定性的角度考虑，取其中较大值，得

管道内总压力损失可以用下式表达：

在纯气流喷射的情况下，a＝0，b＝0，ζs＝0。图5所示为以un为参数的情况下，Δp和Δp1与u2的关系。这种纯气流喷射特性是以un为参数的配管系统所不具备的。从图5可知，动作点为A点的时候，因为un为常数，如果管路的压力损失增大的话，动作点变为相邻的C点，u2减小。另外，对于配管系统中un增大的情况，动作点变为B点，u2将增大。

图5 纯气流喷射特性

图6 所示为以s为参数且喷头直径为14.3mm时，Gs和Q的对应关系的实验值。从图6可看出，Gs和Q为近似直线关系。图7所示为以un为参数时u2与Δp和Δpl的关系，可以看出，该曲线和纯气流喷射的特性曲线有相同的形状。另外，在气力输送的情况下，因为Gs≥0，所以u2≥ （An／A2）un－b／（aA2），Δpl＜0的区域在该范围以外。