扫地机吸送式稀相气力输送系统的计算

朱世开

（厦门永砺环保技术服务有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

扫地机是环卫设备之一，是以气体为承载介质，利用气力输送方式吸拾路面垃圾、储存垃圾和运输垃圾的一体式路面清扫设备[1]。气力输送系统主要包括离心风机、过滤装置、垃圾箱、输送管道和吸嘴等，其中气力输送系统的风量、风压大小直接影响扫地机的清扫性能以及清扫效率，风量、风压的大小取决于离心风机的性能[2]。

扫地机主要作业于人行道、辅道、城市住宅区、公园道路等路面，这些场合具有垃圾量少、垃圾平均粒径小、垃圾成分复杂以及垃圾分布不均等特点[3]。鉴于上述原因，扫地机气力输送系统采用吸送式稀相气力输送系统最适宜。

下面对扫地机气力输送系统的风量、压力损失的计算方法进行研究。

1 扫地机吸送式稀相气力输送系统的应用

扫地机作业开始时，通过气力输送系统尾端的离心风机高速运转抽取垃圾箱里的空气，在整个垃圾箱内形成一定的负压。空气在大气压作用下通过吸嘴与地面接触处的空隙进入垃圾箱，形成补充气流，并将尘粒、路面垃圾带入吸嘴，通过输送管道输送到垃圾箱内，以达到清除路面垃圾的目的。气体携带垃圾经过输送管道进入垃圾箱，空气流经的有效截面突然加大，气流速度降低。在气流速度小于垃圾的悬浮速度后，气流失去对垃圾的携带能力，垃圾在自身重力的作用下向下掉落到垃圾箱底层，空气经过过滤设备后排入大气。项目SD18扫地机气力输送系统结构如图1所示。

图1 扫地机SD18气力输送系统示意图

为了有效地将路面垃圾带入吸嘴，吸嘴与地面接触空隙处的气流速度必须大于垃圾的悬浮速度。而在输送管道内，输送气流速度必须大于垃圾的安全输送速度。输送气流速度过低，容易造成输送管道堵塞，垃圾不能被吸拾到垃圾箱。输送气流速度过高，则会增大压力损失、增加动力消耗，并增加管道和其余部件的磨损。一般吸送式稀相气力输送系统的安全输送速度是输送物料悬浮速度的1.2～3倍。

扫地机气力输送系统所提供的压力是气流与垃圾在输送过程中所有压力损失之和，包括气流从吸嘴进气口进入气流、从离心风机出气口排出系统的整个过程。扫地机中气力输送系统气流路径如下：吸嘴与地面接触位置→吸嘴→输送管道→垃圾箱→过滤装置→离心风机进风口→离心风机→离心风机出风口→大气。

2 扫地机吸送式稀相气力输送系统的计算

2.1 吸送式稀相气力输送系统流量计算

在气力输送系统中，根据垃圾的密度、平均粒径计算输送垃圾的悬浮速度，并根据经验公式得出气流安全输送速度。结合路面的平均垃圾量、扫地机的清扫宽度以及清扫速度，计算吸送式稀相气力输送系统的空气流量。

2.1.1 安全输送速度的计算

扫地机气力输送系统输送垃圾主要依靠空气动力的作用，垃圾所受空气动力的大小同空气与垃圾的相对速度有关。如图2所示，垃圾在不受限制的空间内，气流以速度V从下而上流经垃圾。此时垃圾受到三个力的作用：一是垃圾本身的重力G，方向始终垂直向下；二是垃圾置身于空气中，受到空气对垃圾的浮力F浮，方向始终垂直向上；三是空气动力F动，方向与空气运动方向一致。当垂直作用在垃圾上的这三种力达到平衡时，垃圾就悬浮在某一高度，既不上升也不下降，此时的空气速度即为输送垃圾的悬浮速度V悬。如果气流速度大于悬浮速度时，则垃圾会在合力的作用下上升。气流速度越大，垃圾受到往上的合力越大，垃圾加速度越大，气流吸拾垃圾的速度就越快，输送也越快，如公式（1）～公式（3）所示。

图2 悬浮受力图

式中：G为物料重力，单位为N；F浮为物料在空气中所受浮力，单位为N；F动为空气对物料的空气动力，单位为N；C为气流阻力系数；d为垃圾当量直径，单位为m；ρ气为气体密度，1.2kg/m3；V悬为不受限制的空间物料悬浮速度，单位为m/s；ρ物为物料密度，单位为kg/m3；阻力系数C是雷诺数Re的函数，理论上计算很复杂，在稀相气力输送系统中，阻力系数C可取值为0.38～0.4。

公式（3）计算出的悬浮速度是对不受限制的气体空间来说的，但在实际的扫地机的气力输送系统中，垃圾的输送主要是在输送管道内进行。在受管壁条件限制的情况下，垃圾颗粒的悬浮速度比在不受限制的气体空间内的速度小，考虑管壁的影响，一般采用的计算公式如公式（4）所示。

同时，管壁条件对阻力系数C也存在相当大的影响。根据相关资料，其关系式如公式（5）所示。

式中：C1为气流在管壁条件下的阻力系数；V悬'为受管道限制的物料悬浮速度，单位为m/s；d为垃圾当量直径，单位为m；D为管道直径，单位为m。

根据项目扫地机SD18的使用情况，扫地机输送管道预设直径为大于150mm。同时，垃圾成分中最难吸拾的是碎石、沙粒等垃圾，设定碎石当量直径为10mm，密度为2000kg/m3，计算得出悬浮速度（V悬'）为18.5m/s。

根据悬浮速度计算安全输送速度，如公式（7）所示。

式中：V为安全输送速度，单位为m/s；A为系数，1.2～3。

取安全输送速度V=22.5m/s。

2.1.2 混合比的选择

扫地机SD18采用负压稀相气力输送系统吸送垃圾时，由于设备真空度的限制，低真空时料气混合比一般控制在0.1～0.8。在扫地机SD18气力输送系统中，由于气力输送距离短、管路简单并且d/D值小，因此选择混合比m值取0.8，如公式（8）、公式（9）所示。

式中：m为料气混合比，取值为0.8；Gs为物料输送量，单位为kg/h；Ga为输送所需空气量，单位为kg/h；Qa为输送空气量，m3/h；ρ气为气体密度，1.2kg/m3。

物料输送量Gs与扫地机的清扫宽度、路面平均垃圾量（kg/m2）及扫地机清扫速度有关。以扫地机SD18为例，清扫宽度为1.8m，清扫速度为5km/h，地面平均垃圾量为0.2kg/m2，则物料输送量Gs为1800kg/h，空气输送量=1875m3/h。

2.1.3 管道直径的选择

根据气流安全输送速度以及气流输送量的多少，输送管道内径可通过公式（10）确定。

式中：D为输送管道内径，单位为m；Qa为输送空气量，m3/h；V为安全输送速度，如公式（7）所示，单位为m/s。

计算得出D=0.172m。

对输送管道直径的最终确定应从两方面综合考虑，一是对气流输送量的确定，如公式（10）所示；二是取决于实际应用时需要通过的垃圾尺寸。最终确定输送管道直径D为180mm。

2.1.4 流量确定

根据扫地机SD18气力输送系统最终确定的安全输送速度V、输送管道直径D，流量计算公式如公式（11）所示。

式中：Qa为输送空气量，单位为m3/h；D为输送管道内径，单位为m；V为安全输送速度，单位为m/s。

计算得Qa=2060m3/h。由于扫地机气力输送系统在各连接处存在空气外漏的可能以及路面垃圾分布不规律的特点，气力输送系统的风量计算必须考虑一定的安全系数，如公式（12）所示。

式中：Q为气流输送系统所需空气量，单位为m3/h。

计算得Q=2165m3/h。最终的混合比m为0.69。

2.2 吸送式稀相气力输送系统压力计算

根据扫地机SD18结构，气力输送系统的压力损失主要由吸嘴进气口压力损失、输送管道内加速物料压力损失、输送管道内正常输送状态下压力损失、容积式分离器（垃圾箱）压力损失、过滤装置压力损失以及离心风机进出风口压力损失组成。

2.2.1 吸嘴进气口压力损失

吸嘴进气口的压力损失主要是将空气从静止状态加速至一定的气流速度进入吸嘴的压力损失。在气力输送系统机构中，路面垃圾能被空气带动进入吸嘴，吸嘴与地面接触处气流速度必须大于垃圾悬浮速度，在这里，吸嘴处气流速度以悬浮速度代替，如公式（13）所示。

式中：P1为进气口压力损失，单位为Pa；V悬'为受管道限制的物料悬浮速度，单位为m/s。

计算得P1=165Pa。

2.2.2 输送管道内加速物料压力损失

这部分的压力损失主要是将吸嘴内被空气带动的垃圾加速到正常输送状态所产生的压力损失，如公式（14）所示。

式中：P2为输送管道内加速物料压力损失，单位为Pa；对吸嘴结构，α取值为5～10；m为实际混合比，m=0.69；ρ气为气体密度，1.2kg/m3；V为物料安全输送速度，单位为m/s。

计算得P2=1730Pa。

2.2.3 输送管道内正常输送状态下压力损失

这部分的压力损失是输送垃圾在气流安全输送速度输送下的沿程压力损失。引起的原因除了空气与输送管道的摩擦、气流彼此之间的摩擦所形成的压力损失外，还有垃圾在输送管道中运动时的压力损失，是垃圾与空气、垃圾与输送管道的摩擦以及垃圾彼此之间的摩擦和碰撞，与输送管道的直径、输送管道内的风速、水平管道当量长度、输送混合比等相关，如公式（15）所示。

式中：P3为输送管道内正常输送状态下压力损失，单位为Pa；β为主要与物料特性相关的系数，取0.45～0.55；m为实际混合比，m=0.69；λ为气流的管道壁摩擦系数，取0.04；L为输送管道当量水平长度，取2.5m；D为输送管道内径，单位为m；ρ气为气体密度，1.2kg/m3；V为安全输送速度，单位为m/s。

计算得P3=220Pa。

2.2.4 容积式分离器（垃圾箱）压力损失

容积式分离器利用容器的有效截面的突然扩大，使上升的气流速度大大减小，进而失去对垃圾的携带能力，达到气固两相分离的效果，如公式（16）所示。

式中：P4为容积式分离器压力损失，单位为Pa；Ψ为容积式分离器阻力系数，取3～6；ρ气为气体密度，1.2kg/m3；V为安全输送速度，单位为m/s；m为实际混合比，m=0.69；k为经验系数，取0.2～0.4。

计算得P4=1040Pa。

2.2.5 过滤装置压力损失

在SD18项目中，气力输送系统携带垃圾进入垃圾箱时，由喷雾降尘系统对垃圾进行喷淋降尘作业，同时设置过滤网板对大颗粒垃圾进行过滤，过滤风速为6m/s～8m/s。根据选用的过滤装置种类和过滤风速，过滤装置的压力损失取值范围为200Pa～1000Pa。取P5=400Pa。

2.2.6 离心风机压力损失

根据离心风机风量、离心风机进气口、出气口的尺寸计算压力损失。取P6=400Pa。

2.2.7 压力计算

扫地机气力输送系统总压力损失公式（17）所示。

式中：P为扫地机气力输送系统总压力损失，单位为Pa。

计算得出P=3955Pa。由于气力输送系统各连接处存在漏风可能，气力输送系统的总压力损失计算必须考虑一定的安全系数。P=1.05×3955=4155Pa。其中P为扫地机气力输送系统所需压力，单位为Pa。

2.3 扫地机SD18参数计算结果

以扫地机SD18为例，清扫宽度为1.8m，清扫速度为5km/h，在平均垃圾量为0.2kg/m2、吸拾密度为2000kg/m3、垃圾粒径为10mm时，气力输送系统中离心风机需要提供的风量为2165m3/h，风压为4155Pa，根据计算得出的离心风机风量、风压参数选择合适的离心风机。

3 结语

该文通过对扫地机中的力气输送系统的分析，得出气力输送系统风量、风压的计算方式，即扫地机离心风机的风量可按公式（6）～公式（11）确定，扫地机离心风机的风压可按公式（17）确定，用来指导扫地机离心风机的选型及优化，进而提高扫地机的清扫性能以及清扫效率。