真空物料输送系统能耗对比研究

2022-04-19刘振伟孙中圣

机械制造与自动化 2022年2期

刘振伟，孙中圣

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

根据管道内的压力状态，气力输送的一般形式可分为正压输送与真空输送两种。与正压输送相比，真空输送由于管道内为负压且空气在完成物料输送之后才经由气源机械排入大气，降低了物料外逸、机油等杂质混入物料的概率，对输送有毒、清洁度要求高的物料有着显著的优越性[1]。但是真空输送也存在着能耗高的问题，相同工况下，正压输送的能耗仅为真空输送的51%。

目前，国内大多数企业在真空输送系统中所采取的节能措施对于气源机械选择方面的认识和重视度不足[2]。传统的真空物料输送系统中，大多采用真空泵作为气源机械，而SMC公司生产的ZH系列真空发生器应用了康达效应，使吸入流量与真空度大大提升，满足物料输送工作需求，也可应用于真空物料输送系统。由于缺少真空泵和康达效应式真空发生器的对比研究，导致企业在两种系统的选用问题上没有明确的指标。

因此，本文分别基于真空泵和康达效应式真空发生器搭建了物料输送能耗实验平台，并进行了不同工况下的能耗实验，分析了两种系统的能耗变化趋势及其原因，最终推导出两种系统基于能耗的选用判据。

1 真空物料输送系统实验平台

为了进行不同工况下真空泵和康达效应式真空发生器的能耗对比实验，自制了如图1所示的实验平台，实现了物料输送的自动化运行以及系统工作参数的采集记录。两种系统的供料装置、分离过滤装置以及输料管道均采用了相同的结构[3]。其中，输料管道采用PVC透明钢丝软管，可直接观测到物料流动状态，管道总长L=3m，内径D=32mm，采用水平转竖直向上布置，水平段长度l=0.5m，竖直段长度h=2.5m。

在实验过程中，通过减压阀与变频器分别调节真空发生器供气压力和真空泵供电频率，以模拟不同的工况。选用ZH20-X185型康达效应式真空发生器，供气压力由0.2MPa逐步调节至0.4MPa，对应耗气量由500L/min逐步调节至800L/min，间隔10L/min。选用DPD040型涡旋真空泵，供电频率由20Hz逐步调整至50Hz，间隔1Hz。

根据物料的中粒径和松散堆积密度，可将物料分为PC1、PC2和PC3三类，不同类物料输送时的流动状态也不同[4]。PC1组中的物料(飞灰、水泥、石粉等)可以流畅而平稳地从稀相到流态化密相输送；PC2组中的物料(塑料颗粒、大麦等)在管道内的流动状态为稀相或不稳定区；PC3组中的物料(破碎煤片、锆砂等)能够以稀相输送。为了模拟不同工况下的物料输送，保证数据具有一定的代表性，从三类物料中各选一种进行实验，如表1所示。

表1 实验物料特性

2 实验研究与结果分析

以往的研究表明，影响真空物料输送系统能耗的因素众多，包括输料管道材料、输送距离、管道布置等。而在本文中，主要目的在于探究真空泵和康达效应式真空发生器在不同工况下的能耗对比，以提出基于能耗的选用判据，为企业提供选型指导。因此在对比实验中，仅考虑真空泵和康达效应式真空发生器本身特性对于能耗的影响，其余影响因素则作为定量进行研究。

2.1 输送能力研究

研究两种真空系统的能耗时，只有在抽气能力相当的情况下才是合理的。对于真空物料输送系统而言，抽气性能直接影响着系统的输送能力。图2为两种系统在不同真空泵供电频率或真空发生器供气压力下的输送能力对比，由该图可确定两种系统输送能力相当时的工况，即两种系统抽气性能相当时的工况。

图2 两种系统输送能力对比

对于同种物料，分别基于真空泵系统和真空发生器系统进行输送时的输送能力有着一定差距。这与真空泵和康达效应式真空发生器的流量特性差异有关，如表2所示。在相同的吸入流量下，真空泵所能达到的真空度更高；而真空发生器与真空泵相比，在较低的真空度下，可提供较高的空气流量。当物料在管道内以稀相悬浮流输送时，主要是依靠空气的动压进行输送，因此空气流量较高的真空发生器系统更有利于聚丙烯颗粒和蛭石粉末的输送；而当物料以栓流输送时，则主要依靠空气的静压进行输送，因此真空度更高的真空泵系统更有利于石英砂的输送。

表2 流量特性对比

2.2 系统能耗研究

通常，以耗电量评价真空泵的能耗，以耗气量评价真空发生器的能耗，两者无法直接比较，因此需要引入气动功率将真空发生器的耗气量进行换算。根据定义，真空发生器的气动功率可由式(1)进行计算[5]。

(1)

式中：P为气动功率；pa为大气压力；Qa为压缩空气在大气状态下的体积流量；p为压缩空气的压力。

在实验过程中，根据图2来调整两种系统的供电频率和供气压力使其在相近的输送能力下工作，并采集真空泵实时功率、真空发生器供气压力和耗气量等参数，对数据进行处理后得到图3所示的能耗对比结果。

图3 两种系统的能耗对比

结合图3中两种系统的能耗对比以及三组物料在管道内的流动状态分析，可知：

1)对于蛭石粉末和聚丙烯颗粒，真空发生器系统的能耗远低于真空泵系统。其原因在于：这两组物料在管道内的输送形式均为悬浮流输送，输送单位质量物料消耗的风量较大，而真空发生器与真空泵相比，在相同功率下，能提供的风量更大，因此更有利于此类物料的输送。

2)对于石英砂，当输送能力较高(>86g/s)时，真空泵系统能耗更低；反之，真空发生器系统能耗更低。其原因在于：石英砂松散堆积密度大，在输送过程中，为了克服本身的重力，对于系统的真空度要求更高，而真空泵系统相较于真空发生器系统而言，在相同功率下，真空度更高，完成输送时间更短。与真空泵系统不同的是，当输送能力较低时，由于真空发生器系统所能提供的空气流量较大，物料在管道中将由沙丘状栓流输送逐渐转化为稀相悬浮流输送，而不会产生物料悬浮在管道中导致输送时长大幅增加的现象，能耗也不会大幅增加。