烟草行业负压吸送式气力输送装置（系统）的设计计算

王云强

（东方机器制造（昆明）有限公司，昆明 650217）

烟草行业负压吸送式气力输送装置（系统）的设计计算

王云强

（东方机器制造（昆明）有限公司，昆明 650217）

随着我国烟草工业的发展，气力输送装置在烟草行业的应用已越来越广泛，其应用范围包括输送、浮选、吸丝等制烟过程，已被大多数烟草生产厂家接收和使用。文中主要对应用于烟草行业的吸送式气力输送装置和系统的设计计算进行探讨。

烟草行业；负压吸送式；气力输送

0 引 言

随着我国烟草工业的发展，气力输送装置在烟草行业的应用已越来越广泛。不论是打叶机对叶、梗的气力输送和浮选，还是单管吸丝和多管吸丝装置，以及碎叶分离、梗签分离等，都已被大多数的烟草生产厂家接受和使

用，对提高行业生产率、改善工作条件起着积极的作用。气力输送装置是在承载介质中输送散粒物料的一种运输形式，其作用原理是借助于具有一定能量的气流（通常是采用空气流），沿一定的管路将物料从一处输送到另一处。气力输送装置按物料在管道中的流动特征可分为吸气式、压气式、混合式3类。吸气式或压气式是目前采用较广泛的方式，两种形式都是建立在具有一定速度的气流对物料颗粒作用的基础上的。对于烟草行业，所使用的气力输送装置多数为吸送式（即吸气式，利用负压吸送物料），本文着重对应用于烟草行业的吸送式气力输送装置和系统的设计计算进行一些探讨。

1 气力输送系统主要参数的选择和计算（负压吸送）

1.1 悬浮速度uf

处于气流中的物料颗粒在空气动力的作用下被输送，对于布置不同的管道，物料颗粒能够被输送的运动条件也是不同的。在垂直管中，物料颗粒必须呈悬浮状态，而在水平管中，运动初始的特点可能是物料颗粒沿管底的移动。

从数值上看，物料的悬浮速度和沉降速度是相等的。颗粒在静止的气体中自由下降时，最初会有一个极短的阶段是加速运动，当气体的阻力与颗粒的浮重相等时，即作恒定的等速下降运动。该恒定的下降速度就叫做该颗粒的沉降速度；如果气体以等于颗粒的沉降速度向上流动，则颗粒将在一个水平面上维持摆动状态，既不上升也不下降，此时气流的速度就叫做该颗粒的悬浮速度。因此，空气阻力等于物料重力是确定悬浮速度的条件。

式中：ds为球形颗粒直径，m；g为重力加速度，g=9.81 m/s2；Cs为颗粒以速度ut在气体中运动时的阻力系数；rs为颗粒重度，kg/m3；ra为空气重度，kg/m3。

从式（1）看出：ds和rs越大，即输送质量和体积较大的物料，其能量消耗就较大。因此，在一定条件下，能把大块物料加以松散或破碎后再输送是比较经济的。

实际应用中，输送的物料往往是不规则的，物料的悬浮速度就不能简单地以式（1）来计算。如何解决这一问题，目前，根据雷诺数简化求法，是以不同粒径的Cs值代入式（1），得出下面的近似公式：

我们知道，雷诺数

式中：μ为流体黏性系数；ρ为流体密度；D为管道直径；v为断面平均速度。

1）对微细颗粒（适用于粉状物料）,Re≤5.8时，

2）对于中等颗粒（适用于粒度小于1.0 mm细粒状物料）,Re=5.8～500时，

3）对于粗颗粒（适用于粒度1.0～2.0 mm的粒状物料），Re=500～2×105时，

式（3）～式（5）同样适用于球状物料。因此，对于不同形状的颗粒，用形状修正系数见表1）进行修正，即

式中：uf′为平均悬浮速度;ut′为平均沉降速度。

表1 形状修正系数kφ取值

表2 各种尺寸烟叶、烟丝的平均悬浮速度

根据以上原理及经验，我们得到如表2所示各种尺寸烟叶、烟丝的平均悬浮速度。

1.2 输送物料的气流速度ua

上述情况仅是单一颗粒在不受外界任何影响下所求得的悬浮速度。实际应用中物料在管道内是成颗粒群的运动，它必然受到颗粒与颗粒之间、颗粒与管道壁之间的互相摩擦、碰撞或黏附的影响。另外，由于气流在管道中速度分布不均匀，存在着边界层。因此，输送粒状物料时所需的气流速度要大于其悬浮速度的数倍。对粉状物料，因粉状物料悬浮速度较小，而其黏附的影响较大，所需的气流速度甚至要大于其悬浮速度的数十倍。

从降低能耗的角度来看，气流速度愈小经济性愈好。但速度过小，则容易产生堵塞。如果速度过大，不但增加能耗，而且加剧输料管、弯管的磨损，增大物料本身破损率，分离器和除尘器尺寸也要相应地增大。

确定恰当的气流输送速度ua的因素包括：输送物料的性质、输送浓度、供料器的类型和结构、输送距离、输料管的直径和布置形式等。因此，用理论计算所求得的最佳气流速度往往与实际需要的并不一致。所以必须综合考虑各方面因素来选择恰当的气流输送速度ua。

根据上述的理论，结合烟草行业的实际应用情况及需要，我们可用以下的经验公式来计算气流速度ua：

式中：uf′为平均悬浮速度,m/s；φ为系数，按表3选取。

表3 系数φ取值

实际使用证明：为了保证输送工作的可靠和经济，并考虑到管道漏气等原因，采用的气流速度应比上述式（7）求得的理论值加大35%～50%。

1.3 输送空气量Q和输送管内直径D

我们称单位时间内输送的物料重量与输送所需的空气重量之比为混合比（m1），也称料气输送比：

式中：Gs为物料重量，kg/h；Ga为所需空气重量，kg/h。

如设空气的重度为ra（kg/m3），输送所需的空气量Q可由下式求得：

通常，实际选用的空气量为理论空气量的110%～120%，这要根据输送方式及所选用的设备类型以及附加一定的漏气量而定。

根据空气速度ua（m/s）即式（9），我们就可利用下式求得输料管内径D：

1.4 系统所需空气压力P

气力输送系统所需的动力装置，其所提供的空气压力P必须大于系统各部分的压力损失之和ΔP，才能保证系统的正常工作。

式中：ΔP供为供料器的局部压力损失；ΔP加为输送物料加速过程的压力损失；ΔP双为输料管中双向流的压力损失；ΔP器为分离器及除尘器的压力损失；ΔP气为输气管及排气管的压力损失。

通常情况下，选取系统动力时，所考虑的P＞ΔP，其裕量约为10%～20%。ΔP中各部分的计算如下：

1）ΔP供。对于低、中压吸送系统：

式中，C值取决于供料形式，C=1～20，均匀给料时取小值，断续供料或吸嘴吸料时，取大值。

对中、高压系统：

式中：P双为输料管末端绝对压力；C′为供料器结构形式系数，取0.15～0.25。

2）ΔP加。

其中：

式中：us为物料速度；ua为气流速度；m1=2～10，与输送距离成正比，与输送压力成反比。

3）ΔP双。该部分压力损失在整个系统中占的比例最大，因此，在布置中应尽可能缩短距离、减少弯管，同时计算要求准确。一般ΔP双由下面几部分组成：

式中：ΔP平为水平管压损；ΔP垂为垂直管压损；ΔP斜为倾斜管压损；ΔP弯为弯管压损。

而其单位长度的压力损失，垂直管比水平管要大，倾斜管介于两者之间，弯管的压力损失则更大。

在烟草行业中应用的气力输送系统，中压系统较为普遍，对中压气力输送系统，其双相流的压力损失可按纯气流时的压力损失ΔPa乘以实验确定的系数α（称压力损比）来计算：

式中:k为压损系数，见表5。λa为纯空气在输料管内的摩擦阻力系数，由下式计算：

表4 弯管当量长度R弯（θ=90°弯头时） m

式中：D为输料管内径，m；L当为输料管当量长度，m，

L平为水平管长度；L斜为倾斜管长度；L垂为垂直管长度；R弯为弯管当量长度（见表4）；n为弯管数量；K1=1.1～1.5；K2=1.3～2。

说明：对于θ≠90°的弯管时，可按表中值乘以θ/90°得到。

4）输气管与排气管段按式（16）计算，其余部分压损参考值如下：

节气阀：1～5 mmHg；伞形风帽：5～15 mmHg；消声器：5～25 mmHg。

1.5 风机功率N

根据输气量Q（m3/h）及所需空气压力P（mmHg）用下式计算（理论）：

式中：η为风机流体效率；η1为风机机械效率。

实际选用时，可根据工作情况等适当加大N值。

2 关于烟丝输送最佳参数的选择

烟丝输送最佳参数的选择就是选择烟丝输送最经济的料气输送比和空气速度。

由输送比和产量，就可求得所需的空气量；由空气速度，再根据空气消耗量，可求得管道断面，从而计算管道的压力损失和系统所需的功率。

输送比和空气速度的选择范围及压损系数见表5。表5中，Ⅱ组：上为低真空即一般真空装置，下为高真空装置。其余Ⅲ组：前为较小粒状和趋向于全乱状物料，后为散粒状物料。

表5 输送比、空气速度、压损系数取值表

2.1 经济输送比

系统的能量损耗与输送比的选取有很大关系。通过实验，在输送速度不变的情况下，输送比趋近于1时，能量损耗亦趋近最小；并且，当空气速度变化时，输送比与空气速度无关。因此，输送烟丝的经济输送比趋近于1，可以在0.8～1.2之间选用。值得一提的是，实验指出：安全输送比要比经济输送比超出很多。因而，实际设计时，可不考虑加料不均匀系数，直接按平均产量进行设计计算。

2.2 安全输送速度

试验结果说明：在最低空气速度下，试验所得到的输送比在1.8以上，也就是说，安全输送比在1.8以上，方可得到安全输送速度：13～15 m/s以上。

从保证在水平管道中可靠输送的观点出发，为了减少烟丝的破碎，工作时，经济输送速度如下：对于垂直管道：12～14 m/s;对于水平管道：14～16 m/s。实际设计时，考虑到管道漏气等因素的影响，输送速度常选为：17～20 m/s。

3 结语

利用上面所述的计算方法，我公司先后为昭通卷烟厂、曲靖卷烟厂、成都卷烟厂等多家烟厂设计配套了单管吸丝和多管吸丝系统，运行使用情况良好，受到用户的一致好评，为我公司取得良好经济效益和品牌口碑。

[1] 一机部起重运输机械研究所.机械工程手册[M].北京:机械工业出版社,1979.

[2] 董耀,张雄.气力输送在卷烟工业中的应用与发展[J].南华大学学报(自然科学版),2007,21(3):72-75.

[3] 上海市机电设计院.铸造车间机械化-气力输送装置[M].北京:机械工业出版社,1981.

[4] 洪致育,林良明.连续运输机[M]北京:机械工业出版社,1982.

[5] 一机部洛阳机械设计院.铸造车间机械化-通风除尘机土建资料[M].北京:机械工业出版社,1978.

[6] 德国虹尼公司的样本及部分资料[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

文章编号：1002－2333（2018）01－0077－04

（编辑昊 天）

王云强(1964—)，男，工程师，从事烟草机械设备设计工作。

2017-04-11