劉金一，徐學(xué)軼(.軟控股份有限公司，山東 青島 6604；.大連博思普特貿(mào)易有限公司，遼寧 大連 6033)

負(fù)壓吸送式氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在橡膠行業(yè)應(yīng)用

劉金一1，徐學(xué)軼2
(1.軟控股份有限公司，山東 青島 266042；2.大連博思普特貿(mào)易有限公司，遼寧 大連 116033)

總結(jié)出一套適合輸入原始條件、原始資料的負(fù)壓氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模型，通過設(shè)計(jì)過程演示，給予科研和設(shè)計(jì)工作者以指導(dǎo)和參考作用，從而在實(shí)際工作滿足橡膠工廠對(duì)設(shè)備的需求和選擇。另外，列舉了幾種在橡膠行業(yè)的典型應(yīng)用，起到示范和啟發(fā)作用。

負(fù)壓；吸送式；氣力輸送系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

1 系統(tǒng)組成

負(fù)壓吸送式氣力輸送系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成，基本工作流程如圖1。

圖1 吸送式負(fù)壓輸送系統(tǒng)主要組成部分

根據(jù)用途要求、生產(chǎn)工藝、設(shè)備布置不同，某些裝置結(jié)構(gòu)形式及其組成可能會(huì)有差別，但任何負(fù)壓吸送式輸送系統(tǒng)都應(yīng)包括上述主要部分。

2 設(shè)計(jì)和計(jì)算

2.1 原始設(shè)計(jì)輸入條件如下

（1）輸送物料：即需要被處理的物料，包含原料的種類、包裝形式以及物理特性參數(shù)等，本文后面內(nèi)容以炭黑類為例；

（2）輸送能力：各個(gè)廠家產(chǎn)能要求不同，一般以t/h為單位來表示；

（3）稱量精度：若是含有稱量工藝，一般有稱量精度要求，以g為單位表示；

（4）稱重范圍：配方整體和內(nèi)含單種物料的最小、最大稱重/批次；

（5）破碎率：以百分?jǐn)?shù)來表示；

（6）電力能耗：以千瓦kW為單位表示；

（7）空氣消耗量：以m3/min為單位表示；

（8）空間需求：廠房高度，占用平面范圍、物流等；

（9）設(shè)備接口：與上下游設(shè)備的對(duì)接和聯(lián)機(jī)等；

（10）環(huán)保要求：廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，除塵、除味方面指標(biāo)；

（11）公用工程和設(shè)施：電梯、動(dòng)力源等。

2.2 設(shè)計(jì)步驟

（1）根據(jù)使用要求，分析物料物理特性和輸入條件，校核輸送條件及確定輸送工藝流程等。

（2）配置負(fù)壓氣力輸送系統(tǒng)功能和主體結(jié)構(gòu)形式。輸送補(bǔ)料；輸送稱量還是二者兼具；是采用吸嘴還是配備投料倉(cāng)卸料裝置，間歇還是連續(xù)工作；脈沖式還是旋風(fēng)式分離。

（3）確定輸送管管線的布置及主要部件的結(jié)構(gòu)形式，繪制初步布置方案圖并標(biāo)注主要尺寸，考慮與上下游設(shè)備對(duì)接；

（4）選擇機(jī)電類等配套件、外購(gòu)件類型。明確部套結(jié)構(gòu)、參數(shù)、尺寸、材料及其要求；

（5）確定合理的氣流速度；

（6）根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或分析初選混合比；

（7）確定系統(tǒng)總風(fēng)量；

（8）計(jì)算輸料管道口徑；

（9）計(jì)算整個(gè)輸送系統(tǒng)的壓力損失；

（10）計(jì)算氣源裝置所需總功率；

（11）從產(chǎn)品樣冊(cè)中選擇合適的風(fēng)機(jī)及其配套的電動(dòng)機(jī)。各個(gè)供應(yīng)商提供具體產(chǎn)品參數(shù)可能有不同，以滿足設(shè)計(jì)要求為原則。

如果計(jì)算結(jié)果不理想，應(yīng)該調(diào)整混合比及風(fēng)量、管徑等有關(guān)參數(shù)的值，按上述程序重新計(jì)算，要從正反兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)算，直到設(shè)計(jì)選型到合適為止。

2.3 計(jì)算方法和主要公式

2.3.1 主要參數(shù)的確定

（1） 輸送能力的確定：根據(jù)（用戶）具體使用方提出。

（2） 混合比的選取：混合比是指在單位時(shí)間內(nèi)輸送的物料質(zhì)量與同一時(shí)間內(nèi)通過該管道的空氣質(zhì)量之比，用m表示。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)參考各種實(shí)例、借鑒已有經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。

（3）空氣流量的確定：根據(jù)選定的輸送混合比m，所需風(fēng)量Q應(yīng)為：

式中： Q——風(fēng)量，（m3/h）；

ρa(bǔ)——空氣比重，取 =1.2 ；

Gs——輸送量，（kg/h）；

μ——混合比，其值由經(jīng)驗(yàn)得。在確定氣源裝置的總風(fēng)量Qin時(shí)，應(yīng)該考慮加上管道系統(tǒng)的漏氣量，一般總漏氣量占總風(fēng)量的15%~20%之間。

（4）輸送氣流速度：一般靠試驗(yàn)和以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定?？稍诟鞣N參考書中選定，炭黑類一般選16~20 m/s（楊倫、謝一華主編的《氣力輸送工程》）

（5）被輸送物料的運(yùn)動(dòng)速度：

在吸送式輸送系統(tǒng)的實(shí)際計(jì)算中，采用近似求解法得出數(shù)值。

對(duì)垂直輸料管，物料顆粒達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的速度 (m/ s)可以近似地取為

式中：va——?dú)饬魉俣龋╩/s）；

v0——物料懸浮速度，（m/s），炭黑類一般取 =12 m/s。

處于垂直加速段的物料顆粒速度vs可根據(jù)參數(shù)及m1有的va/vo值查圖獲得vs/va值，(李克永主編《化工機(jī)械手冊(cè)》)根據(jù)已知的va值，即可算出vs值。參數(shù)可按下式求算：式中：g——重力加速度，g= 9.81 m/s

h——垂直輸料管高度，m。

對(duì)水平輸料管，物料顆粒到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度vs(m/s)一般可近似的按下式取為：

對(duì)于粒度和密度較大的顆粒其值應(yīng)取較小值，反之應(yīng)取較大值。

（6） 輸料管的內(nèi)徑：輸料管起始段內(nèi)徑可按下式確定：

式中：Q——計(jì)算風(fēng)量；

vs——輸送空氣速度。

2.3.2 管道壓力損失的計(jì)算

管系總壓力損失Vp包括純空氣流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失Vpa和兩相流中存在物料引起的附加壓力損失Vps，即：

以下為各項(xiàng)壓力損失的組成及其計(jì)算方法。

（1） 純氣流產(chǎn)生的壓力損失

直管沿程的摩擦壓力損失。純空氣沿圓形截面管道流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦壓力損失通常按下式計(jì)算：

純氣流摩擦阻力系數(shù) a與管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)及管到特性有關(guān),其值主要取決于雷諾數(shù)Re 和管壁表面粗糙度K。輸料管的a可以按光滑管考慮。對(duì)于常規(guī)物料其值一般可查表獲得，特殊物料計(jì)算獲得，計(jì)算如下：

運(yùn)動(dòng)黏度? 查詢手冊(cè)數(shù)值

按照上述相同道理，在垂直管道內(nèi)純空氣的壓力損失為：

局部壓力損失。吸送式氣力輸送裝置局部壓力損失通常用管道中流體動(dòng)壓力的單位倍數(shù)來表示，可由下式計(jì)算：

式中：ξa——?dú)饬鞯木植孔枇ο禂?shù)。

（2）雙相流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失

a.直管沿程的摩擦壓力損失?Pm?？砂聪率接?jì)算：

對(duì)水平段，ΔPm為：

對(duì)垂直管段，ΔPm為：

K值可以查表獲得（楊倫、謝一華主編的《氣力輸送工程》）。

b.加速壓力損失ΔPac。主要發(fā)生在供料裝置和彎管后面，計(jì)算公式如下：

式中：ζa——加速壓損系數(shù)

物料在供料裝置附近由零初速度起動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失可以按下式計(jì)算求得：

式中：β——系數(shù)，它與被輸送物料的物理特性及氣流速度有關(guān)，通常β=0.5~0.8；

vs——物料穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度，（m/s）。

c.彎管的壓力損失Vpjb。

兩相流運(yùn)動(dòng)引起的彎管壓2力損失Vpjb可以按下式計(jì)算：

式中：ξa——?dú)饬魍ㄟ^彎管的局部阻力系數(shù)。查詢獲得。（楊倫、謝一華主編的《氣力輸送工程》）。

kb——彎管局部阻力的附加壓力損失系數(shù)，其值查詢獲得。（楊倫、謝一華主編的《氣力輸送工程》）

根據(jù)查詢得出各項(xiàng)數(shù)值之后，再返回計(jì)算公式即可計(jì)算出所需參數(shù)，具體計(jì)算過程本文不再演示。

d.提升物料的壓力損失VPL。在垂直管道內(nèi)輸送兩相流時(shí)，必須包括克服物料自重而引起的壓力損失，即提升物料到一定高度h所需的位能，稱為提升壓力損失，由下公式計(jì)算得：當(dāng)垂直管高度h大于10m時(shí)， 可以按下式求算：

vs≈va-v0

當(dāng)h小于10 m時(shí)，可以由下式求算m1值，再根據(jù)va/v0值查圖查得vs/va值。(楊倫、謝一化主編《氣力輸送工程》)根據(jù)已知的 值，即可算出vs值 。

e.輸送系統(tǒng)各部件壓力損失Vpc。它主要包括供料裝置、分離裝置、除塵器、風(fēng)管、消聲器以及各種異型管件的壓力損失，不同結(jié)構(gòu)的裝置其計(jì)算方法不同，其中以離心分離器的壓力損失占為主要，其他部件壓力損失查詢經(jīng)驗(yàn)值。

離心分離器的壓力損失可以由下式計(jì)算而得：

式中:ξ——局部阻力系數(shù)，通過實(shí)測(cè)求得；

v——分離器進(jìn)口風(fēng)速（m/s) ；

ρa(bǔ)——進(jìn)口空氣密度，（kg/m3）。

f.吸送系統(tǒng)的總壓力損失ΔP

ΔP=ΔPa+ΔPs

=ΔPsn+ΔPm+ΔPma+ΔPjb+ΔPL+ΔPC

氣源裝置的真空度PB，在吸送系統(tǒng)總的壓力損失基礎(chǔ)上，再考慮增加10%~20%的余量，即PB=(1.10~1.20)ΔP。為保險(xiǎn)起見以取較大值為宜。

（3）氣源裝置的選擇：依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，根據(jù)吸送系統(tǒng)所需的風(fēng)量Qin和風(fēng)壓（真空度）PB，在產(chǎn)品樣冊(cè)目錄選取合適型號(hào)的氣源裝置，并根據(jù)所需功率N選定配套電動(dòng)機(jī)。目前大部分供應(yīng)商的產(chǎn)品中已將氣源裝置和電動(dòng)機(jī)匹配好，只需選取整機(jī)即可。

4 主要部件

氣力輸送裝置一般由下列部件所組成：供料裝置，管道和管件，分離器，除塵器，卸料（卸灰）器及氣源裝置等。

其設(shè)計(jì)的典型系統(tǒng)流程示意圖如圖2。

圖2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖

5 橡膠行業(yè)應(yīng)用

5.1 減震墊、密封墊制品原材料輸送補(bǔ)料

在橡膠（制品）行業(yè)中，通常要將炭黑、各種助劑按照一定的配方配比投入到密煉機(jī)中進(jìn)行密煉，以此獲得混煉膠。炭黑、白炭黑、碳酸鈣粉等散裝物料以太空包、紙包裝等形式運(yùn)送到橡膠工廠倉(cāng)儲(chǔ)，以往是采用人工方式完成補(bǔ)料等操作，以下系統(tǒng)是以負(fù)壓氣力輸送系統(tǒng)將各種散裝原料自動(dòng)輸送到各個(gè)儲(chǔ)倉(cāng)中，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率、改善了環(huán)境，其流程圖如圖3。

圖3 負(fù)壓氣力輸送系統(tǒng)流程圖

每種物料配置一臺(tái)投料口，投料口通過輸送管道連接到儲(chǔ)倉(cāng)中，多臺(tái)儲(chǔ)倉(cāng)公用一臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)以提供真空，補(bǔ)料時(shí)各種物料互補(bǔ)影響，可獨(dú)立、同時(shí)進(jìn)行。物料在負(fù)壓吸引作用下從投料口經(jīng)過密閉管道，連續(xù)進(jìn)入儲(chǔ)倉(cāng)，輸送的效率主要由羅茨風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的真空度大小來調(diào)節(jié)控制，輸送距離可達(dá)到60 m以上。該裝置適合不能摻混料的情況下使用，對(duì)于產(chǎn)能要求較高的企業(yè)使用。目前已在一些中小型輪胎廠、橡膠制品廠廣泛應(yīng)用。

5.2 膠管膠帶制品原材料輸送稱量

各種中小規(guī)模的橡膠制品廠廠房一般都是單層結(jié)構(gòu)，受密煉機(jī)/捏煉機(jī)的布置影響，其炭黑等粉料配料系統(tǒng)的空間比較受限制，傳統(tǒng)的上輔機(jī)系統(tǒng)一般需要3~4個(gè)樓層高度，同時(shí)對(duì)樓面的承重也有要求，成本比較高，大部分制品廠很難接受，以下系統(tǒng)就是主要針對(duì)這種小型廠房而設(shè)計(jì)研發(fā)的，采用負(fù)壓送料稱量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，減少了人工干預(yù)，廠房空間要求小，一般6~8 m高度即可滿足，經(jīng)過實(shí)踐具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 負(fù)壓輸送示例

如圖4結(jié)構(gòu)，所有的設(shè)備均位于同一個(gè)樓層上，投料和稱量隔離分區(qū)布置，避免了粉塵擴(kuò)散和交叉污染，在原料存儲(chǔ)區(qū)根據(jù)物料的種類和摻混情況設(shè)置幾組發(fā)送料倉(cāng)，用于暫時(shí)存儲(chǔ)一部分物料，通過羅茨風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓動(dòng)力將物料吸送到稱量罐中，稱量罐中設(shè)置有稱重模塊，用于按配方要求進(jìn)行物料稱量和顯示，通過羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)速和調(diào)節(jié)閥來控制給料速度，稱量好的物料自動(dòng)投入密煉機(jī)，實(shí)現(xiàn)輸送、稱量無人化。此種系統(tǒng)由于綜合成本低、投資少、效率高、占空間小、環(huán)保效率高等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在橡膠制品廠廣泛使用，非常值得推廣。

6 結(jié)論

負(fù)壓吸送式氣力輸送系統(tǒng)相比其他機(jī)械輸送方式，在經(jīng)濟(jì)性、智能化、工作效率、可維護(hù)性方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，是中小型橡膠制品廠的理想選擇。希望本文通過原理介紹、計(jì)算模型演示、應(yīng)用實(shí)例等方面給橡膠行業(yè)科研設(shè)計(jì)工作者、設(shè)備維護(hù)人員以及工廠設(shè)備采購(gòu)人員以指導(dǎo)和借鑒作用。

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Progress of polymer radiation processing technology for electrical materials

Design of minus compressure pneumatic conveying system and application in rubber industry

Liu Jin Yi1，Xu Xue Yi2
（1.MESNAC Co.,LTD. Qingdao 266045, Shandong, China 2.Dailian Prosperity Commercial Company,Dalian 116033, Liaoning, China）

Summarize a type of designing model which is suitable for inputting original conditions and datas. Provide R&D people some instruction and reference by showing design procedure, then satisfy rubber plant’s equipment requirement and selection in actual work. Besides, list several typical applications in rubber industry, supply examples and inspirations.

minus compressure; suction; pneumatic conveying; structure; application

TQ330.42

：1009-797X(2016)15-0025-05

ADOI:10.13520/j.cnki.rpte.2016.15.004

(R-01)

劉金一，男，工程師，畢業(yè)于青島科技大學(xué)，長(zhǎng)期從事橡膠機(jī)械研發(fā)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理工作。

通訊郵箱：yiquan2005@163.com

2016-05-03