气力运输——第三讲综述

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1、第三讲 气力输送系统压损计算 彭万喜 博士 教授 13467500168 pengwanxi 3.1 碎料在水平管内运动 3.2 压损计算 3.3 摩擦阻力计算 3.4 局部阻力计算 3 气力输送系统压损计算 3.1 碎料在水平管内运动 3.1.1 物料在水平管道是怎样悬浮起来的： G （1）紊流的气流动压力：管道中的气流处于 紊流状态，其中不乏有向上的气流，这是悬浮 力之一 （2）船吸力：输送管的截面中气 流速度分布不均匀，存在速度梯 度，流速大则动压大静压小，流 速小则动压小静压大。管底的物 料粒子会受到由于气流速度梯度 而造成的静压差所产生的升力。 （3）旋球力：当物料粒子旋转时，由于空

2、气具有粘性，所 以粒子周围的空气被带动，从而形成与物料粒子旋转方向一 致的环流。在粒子的上部，环流与管内气流运动方向一致， 速度叠加使流速增大，在粒子的下部，环流与管内气流运动 方向相反，速度叠加使流速减小，这样，由于粒子周围的环 流与气流合成造成的速度差而有静压差(在粒子上部的静压 小)，因面产生上升力，这一现象通常称为“马格努斯效应 ”。 （4）斜面产生的升力：由于形状不规则的物料粒子在 气流推力作用下，在垂直方向产生的分力。 （5）由于物料粒子相互之间及粒子与管壁碰撞而发生跳 跃，或受到反作用力在垂直方向的分力。 3.1.2 物料在水平管道运动状态 （1）悬浮流：气流速度极大，物料粒子在

3、水 平管道中悬浮得极好，均匀分布。进口设备 往往使用极大的功率，以保证管道畅通。 （2）底密流：气流速度大小正好，物料粒子能 悬浮但下面多一些，上面少一些。设计得最好。 （3）疏密流：是物料粒子悬浮输送的极限状态 气流速度大小可以，物料粒子刚好悬浮起来，有疏有密。最 省能量的设计。 （4）停滞流：气流速度设计偏小，物料粒子 很难悬浮起来，成团状运动，有可能发生沉 降，时间长了也可能堵塞。 （5）部分流：气流速度太小，物料已经 沉降，成沙丘状运动。随时都会堵塞。设 计得不好。 (6）柱塞流：它不属于悬浮输送，静压、 高压输送，混合浓度极大，用罗茨风机。 悬浮流、底密流及疏密流均属于输 送的浮游流

4、动状态。停滞流及部分 流是属于输送的集团流动状态。 输送气流速度与单位管长的压损的关系 粒子与管壁的摩擦而失去 的能量，即压力损失，当气流 速度越大时则越显著，它大致 与气流速度的平方成正比例关 系。但是，另一方面当输送气 流速度减小，物料粒子接近产 生停滞时，则物料粒子与管壁 的摩擦又反而增大，所以此时 的压力损失反而增加。见图。 气流速度在管道中不是均匀分布的，有速度梯度 。对于纯空气来说，气流在管道截面上的速度分布是 对称于管道的中心线，亦即在管道截面的中心处的速 度具有最大值。如 图 12-4 P185 V 平均 = 0.65Vmax 气流速度在管中分布： 启动速度：物料在水平管道内开

5、始滑动时的 气流速度；再继续增大管内气流速度，对物 料作用的上升力也随之增加，使物料自管底 升浮起来。 临界速度：使水平输送管内的某种物料能够 达到稳定输送状态时所要求的最小气流速度 。又称为“最适气流速度”。它是关系到物料 在水平管道内获得稳定且合理的气力输送的 重要参数。 注意:在气力输送中这里的势能不是指高度，而 是气体分子的势能。由于空气的重度比较小， 所以在气力输送系统中可以忽略气体势能的变 化，则伯努利方程式应用于气力输送中可以简 化为： 常数 但是，实际上气流在管内流动的过程中是有能量 损失的(实际流体是有粘滞性的，所以在流动过 程中有摩擦阻力发生)，因此，实际气流在管内 流动时

6、的伯努利方程式可以写成： p 静压能 v /2g 动压能，称为一个动压头、动压力 气体的重 度 12.3 N/m hf 1与2两个端面之间间的压压力损损失 静压压能与动压动压 能之和，称为为全压压（p全） 静压能：pa 分子的势能，这是由气体分子的距离造 成的。气体分子有一定的间距：当分子间距被增大 表现为分子间拉力，容积中气体分子数量太少，它 要吸引更多的气体分子进去，表现为负压力；当分 子间距被减小表现为分子间斥力，容积中气体分子 数量太多，它要挤出去多余的气体分子，表现为正 压力。 负压力最大是一个大气压，不可能绝对真空， 可以容纳不到一个大气压的能量；而正压力可以很 大，能量主要在这里

7、 。 动压能：取决于气体的速度，速度大、阻力大 ，所以动压能容纳不了多少能量， 单位 pa (N/m) 压力： 流体每单位面积上所受到的垂直方向 的力称为压力。压力的计量有绝对压力和相对 压力两种表示法。 3.1.3 混合气流在直立管道内的速度 为了能够在气流输送管的直 立管段内由下向上输送散碎物料 ，就要求在此直立管段内，气流 的速度要大于被吹送的物料的悬 浮速度。 悬浮速度的含义：将物料颗粒置于直立管段内，自下 而上地通过气流，此时，物料颗粒则处于二种力的 作用下，一种是物料颗粒的本身重力与空气浮力之 差(mgav)，此力使物料颗粒“下降”；一种是 空气动力(p)，此力使物料颗粒上升。当作

8、用在物 料颗粒上的此二种力相平衡时，物料颗粒就悬浮在 某一高度处，既不上升也不下降，并脱离管壁，则 此时的空气速度称为该物料颗粒的悬浮速度。 当P(mgav)时，物料上升； 当P=(mgav)时，物料处于悬浮状态。 物料从静止状态开始，在空气中自由下落，最终 会达到均匀等速的沉降，物料这一等速下降的速度即 称为该物料的沉降速度。 当量球体计算分析方法 对于非球形粒子，将其换算成当量球体 。当量球体的重力取为被研究的不规则 形状物料粒子的重力，即由： Ps G 所以 12-13 当量球体计算分析方法 对于木材碎料，按计算分析原理并结合实验数据，可 得出一个比较接近于实际的计算公式(注：用这个实验

9、公式 计算木材散碎物科的悬浮速度时，只是对于厚度超过l毫米 的木材散碎物料均显得与实验结果相接近)。 12-14 从理论上讲，在直立管内只要气流速度是稍 大于物料颗粒的悬浮速度，则该物料颗粒就 会被向上吹送。但是，实际上并不能以这样 的准确度来衡量此问题，因为实际情况是有 变化的，这些因素取决于物料颗粒的比重、 几何形状及物料颗粒的表面状态(物料颗粒 迎风面积的变化)、气流的性质(层流或紊流 )等。一般需将悬浮速度vs增大1.3-3倍。 从实际应用来说：管系的速度取决于易堵塞处，垂 直管从来不堵，堵塞一般发生在弯头、三通等局 部阻力处，所以这样的方法并不太适用。 我们在 生产时需要的是不堵塞速

10、度，或者说是畅通速度 。 V畅通 可以由实验风机实测。也可以由生产实践决定 。 因为V畅通 V弯头 V水平 V垂直 所以书中根 据以前的实验资料提出（12-9）式 V畅通=V最小（水平） +Vs 另外，对于成为粒子状态的木材散碎物料，在气 流输送管道系统内(包括水平管段与直立上升管段 )进行输送时，所必要的气流速度可大约按下公式 计算，即： 12-9 根据实验得知：对于厚度小于0.35毫米的很薄的木 材刨花，它们的厚度与悬浮速度之间的关系(若长度 与宽度的尺寸皆为相同)，可由公式(12一15)近似地 表示出，即 3.2 压损计算 气流在管道内的流动是由于管道两端的压力差所引起的，气流 从高压端

11、流向低压端。由于沿程摩擦阻力的存在，沿着气流管 道长度，各个管道截面上的全压值与静压值都是变化。因此在 气力输送管道系统中任意两截面的压力差值，称为压力损失， 简称压损。产生压损的原因有两个，一种是由于空气本身的粘 滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，称为摩擦阻 力或沿程阻力；另一种是空气流经风管中的管件及设备时，由 于流速的大小和方向变化以及产生涡流造成比较集中的能量损 失，称为局部阻力。 气力输送系统中总的压力损失计算公式如下： p总 =p沿程 + p局部 压力的表示方法 根据度量基准的不同，液体的压力分绝对压力 和相对压力。 真空度：当绝对压力低于大气压时，绝对压力 不足于大气压

12、力的那部分压力值。 绝对压力大气压力相对压力 真空度=大气压力绝对压力 显然，管道系统内绝对压力愈 低，它的真空度越大。 绝对压力、相对压力和真空度关系 1.全压力：H全 = H 静 + H 动 = 静压力 + 动压力 pa（N/m) 单位面积受的力。以大气压力为0，可以是正数也 可以是负数。 2.风量(流量)：Q-单位时间流过的空气量。 m/s 或 L/min Q=v A 式中：v-流速 m/s A-过流面积 m 3.功率：W= H全Q （w) = H全v A面/h 注意单位：压力面积速度 N/m m m/s 力速度=功率 设计时,在一个系统里面计算出管径d、管长 l 、风量Q、风压H、风速

13、v、重量混合浓度 就行。 至于压力损失计算时：只要算出入口、水平管、弯 头、上升管等的压损把它们全加起来就行了。 3.3 摩擦阻力计算 根据流体力学原理，摩擦阻力可按下式计算： 对于圆形风管，摩擦阻力计算公式可改写为： 圆形风管单位长度的摩擦阻力（又称比摩阻）为 ： 3.3.1混合气流在水平管的压损 混合气流在水平管的压损： （1）纯空气： 气力吸尘系统小可按纯空气计算，再增大10%。 式中： 直管阻力系数，由实验得。 =0.0125+0.0011/d L管长 （m) d管径 （m) （2）混合气流： P直管混= P直管纯（1+K 0 ）（ 12-23） P191 式中：K综合阻力系数，一般取

14、 0.5 。 0 实际混合浓度。 （3）混合气流在直立上升管压损： P混升= P纯（1+K0 ）+P升 （12-24) 式中： P升-是空气和物料提升,势能增大引起的压损 。 (G气+G物) h = P升Q P升= (G气h +G物h)/Q 上下乘以 气 = G气气 h/Q 气 + G物气 h/Q 气 用 = G物/Q 气代入： G气= Q 气 P升= 气h + 气 h 0 =(1+0) 气h (pa) 式中： 0实际混合浓度。 h直管高度（m) , 倾斜管计垂直高度。 P混升=P纯（1+K 0 ）+ P升 = P纯（1+K 0 ）+ (1+0) 气h 3.4 局部压力 局部压力损失是由于混合

15、气流在流过管网的各种构 件弯管、异径管等)或遇到某种障碍使气流改变 方向(或流速)而引起的，一般以实验确定的局部阻 力系数来度量，在管件形状和流动状态不变时，按 下式计算，即 对于粗糙管，局部阻力系数作如下修正，即 式中0粗糙管的局部阻力系数；一光滑管的局部 阻力系数；0粗糙管的摩擦阻力系数；一光滑管 的摩擦阻力系数；K 管道的绝对粗糙度，mm；g一 气体在管道中的速度，m/s。 混合气流通过断面变化的管件（如变径管、管道进出口 、阀门等）、流向变化的构件（弯头）和流量变化的构 件（如三通、四通、吸风口）都会产生局部阻力。且每 个构件的阻力系数也不相同。 弯头的结构如右上图所示，这样方 管才能光滑过渡。它的阻力大于 水平管。如右下图所示涡流引起 压力损失较大。阻力取决于 R/d ，常用 R/d = 2 弯 = 0.2 （1）弯管的局部阻力 （2）三通管的局部阻力 气流通过三通管由于涡流损失，压损大 于水平管。 如图所示，虽有较大阻力，但常用。 图示虽阻力较小，但尺 寸较大，制作有困难。 一般 ： 三通 = 0.15 H1=1 v1/2g (pa) H2=2 v2/2g (pa) （3）突扩管、突缩管的局部阻力 当气流在管道内流过一个突 然扩大或突然缩小的接头时 ，会产生涡流，因而