曹雄恒，李承志,于 立，鐵 錚

(湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙 410014 )

目前，我國糧食倉儲仍大量采用平房倉，由于平房倉的結(jié)構(gòu)原因及建造運行成本等因素，谷物的轉(zhuǎn)運及裝出倉量仍采用傳統(tǒng)機械皮帶傳送方式，這樣的輸送方式需要大量的人工及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的揚塵導(dǎo)致工作人員職業(yè)病及環(huán)境問題；而采用氣力輸送可以避免此類問題：封閉管道系統(tǒng)可以集中處理灰塵，作業(yè)環(huán)境非常友好；氣力輸送的管道集成在一臺可移動的設(shè)備上，通過機械操作節(jié)約人工。但是氣力輸送存在較大的能源消耗，單位能耗是斗式提升機的2～4倍，是皮帶輸送機的15～40倍[1]；同時谷物在氣流作用下與管道壁高速碰撞容易導(dǎo)致較高的破碎率及爆腰率。在實際生產(chǎn)中，為了提高氣力輸送糧食的單位時間產(chǎn)量，理論上需提高氣體輸送的氣流速度，但氣流速度提高的同時卻又會帶來更高的糧食破碎率及爆腰率，二者形成了矛盾。

近年來一些科研院校及工廠企業(yè)為了克服氣力輸送缺點做了許多研究與改進，一直探究氣力輸送動能參數(shù)與破損率的關(guān)系以及物料在管道內(nèi)的運動狀態(tài)并由此得到的數(shù)據(jù)反饋到氣力輸送裝置的設(shè)計，從而進一步降低能耗提高產(chǎn)能[2]。大量的文獻研究表明，在糧食的氣力輸送中，適宜采用高壓低速輸送技術(shù)，文獻[3]通過數(shù)學(xué)計算及經(jīng)驗公式推出，若將小麥的破碎率控制在4%以下，小麥輸送氣流速度為25 m/s左右；文獻[4]通過實驗裝置及正交二次試驗及回歸分析計算得出，糧食氣力輸送時降低氣體流速，增加氣固比可以提高能效的同時降低糧食的機械損傷；文獻[5]通過建模與仿真分析，總結(jié)出小麥的氣力輸送中，氣流速度應(yīng)控制在20 m/s，氣固比控制在39%，此時場壓為值為8.16 MPa；文獻[6-8]中指出，在氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計與氣力輸送風(fēng)機選型過程中，需要考慮各方面因素來確定氣固比。在谷物的氣力輸送中，動力源為離心風(fēng)機的氣固比一般為0.5～3左右，旋渦風(fēng)機、羅茨風(fēng)機大概在3～10。文獻[9]對氣力輸送系統(tǒng)中的管道、彎頭的三維氣固兩相流場進行了數(shù)值模擬仿真，揭示了各種壓力流速下，固體顆粒與顆粒、管壁與間的摩擦關(guān)系；文獻[10]采用正交二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗，設(shè)計分析了影響糧食氣力輸送的能耗的主要參數(shù)依次為輸送氣流速度、料氣濃度比和物料含水率，總結(jié)了這幾者之間的參數(shù)量化關(guān)系。

由于這些文獻提出的動能參數(shù)參量均是通過實驗和仿真提出，要將其良好地應(yīng)用到谷物氣力輸送設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計制造中，就需要對相關(guān)參數(shù)的測量方法進行分析，探討適應(yīng)于工程實現(xiàn)的經(jīng)濟、可靠的測量方法及其控制方法。

1 谷物氣力輸送動能參數(shù)測量方法分析

氣力輸送，就是利用氣流的能量，在密閉管道內(nèi)沿氣流方向輸送顆粒狀物料，是流態(tài)化技術(shù)的一種具體應(yīng)用。在谷物的氣力輸送工程中，影響輸送產(chǎn)能和能效的動能參數(shù)主要有：管道風(fēng)壓及流速，風(fēng)機的功率(電流)及轉(zhuǎn)速，輸送氣固比，氣固混合時的固體物料加速度。

1.1 風(fēng)壓及流速測量分析

氣力輸送的風(fēng)壓可以用旁通皮托管壓差計或薄膜壓差傳感器測量，但輸送谷物裝的氣流中含有大量灰塵會進入旁通管或附著在薄膜表面，只要測量時間稍長就會引起測量結(jié)果不準(zhǔn)。流速可以通過壓力及管道的直徑由公式計算得出。當(dāng)管道中只有氣體一種相態(tài)時，風(fēng)機產(chǎn)生的壓力在一定的管道空間及范圍內(nèi)，與氣體流動速度存在線性關(guān)系[11]，輸送壓力逐漸增大時輸送速度(流速)也相應(yīng)增大[12-14]；當(dāng)管道中存在氣體及谷物時，混合體的流速與壓力之間的關(guān)系就復(fù)雜起來[2]，由于氣力輸送規(guī)律的復(fù)雜性，找到一個通用反映輸送流速特性和阻力特性的公式很難，對于不同的場合不同的輸送介質(zhì)有必要做專門的實驗獲得相應(yīng)的規(guī)律[6]。在氣力輸送中有兩個重要氣體流速臨界指標(biāo)，即沉積速度及噎塞速度。在谷物氣力輸送中谷物的沉積速度將是噎塞速度的2～6倍[15-16]。

1.2 風(fēng)機的功率(電流)及轉(zhuǎn)速測量分析

在氣力輸送裝置中，風(fēng)機是唯一動力來源，風(fēng)機的高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生風(fēng)速和風(fēng)壓，風(fēng)機的功率與它的轉(zhuǎn)速的三次方成正比，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)矩或風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速平方成正比。風(fēng)機的運行功率(電流)可以直接在其電源線上測量得出，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速可用轉(zhuǎn)速表直接測量。

1.3 輸送氣固比、固體物料加速度測量分析

氣固比可以通過單位時間的風(fēng)量乘空氣密度計算出氣體質(zhì)量與單位時間混合的物料質(zhì)量算出。固體物料加速度則在實際工程只能通過輸送管道中段風(fēng)速及距離進行仿真估算。氣固比及固體物料加速度這兩個量均是動態(tài)量，由于氣力輸送是典型氣固兩相流動的范疇，存在著氣固流場的復(fù)雜性，如固體物料濃度分布不均、流動結(jié)構(gòu)多樣化、速度/加速度變化大、管道的不可視性、侵入式測量干擾原流場等，現(xiàn)階段理論上的測量方法，按原理可分為光學(xué)法、過程層析成像法、射線法、相關(guān)法、微波法、核磁共振法和超聲波法等[17]，在實際實驗環(huán)節(jié)和工程應(yīng)用中都不易測量，即使個別非侵入式測量方法能測出真實數(shù)據(jù)，也不能利用所測數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)和控制[8]。

綜上所述，谷物氣力輸送動能參數(shù)相互作用，相互制約，不易測量。所以目前在谷物氣力輸送工程實際應(yīng)用中，均還在采用監(jiān)控風(fēng)機的轉(zhuǎn)速、管道風(fēng)速、給料器轉(zhuǎn)速或吸嘴與料堆的距離經(jīng)驗公式計算，但其計算的精度有待于提高，不能直接應(yīng)用于作業(yè)控制[18]。

2 氣力輸送動能參數(shù)的工程測量實驗裝置及優(yōu)化

2.1 實驗裝置及測量參數(shù)的設(shè)計

為了探討谷物氣力輸送在實際工程應(yīng)用中的經(jīng)濟、可靠測量及控制方法，設(shè)計了一套現(xiàn)有工程條件下比較容易實現(xiàn)的谷物氣力輸送(負(fù)壓式)實驗裝置(見圖1)。期望通過實驗發(fā)現(xiàn)：谷物氣力輸送時固氣的混合比例(氣固比)及谷物混合初速度的變化引起氣固雙相流的壓力、流速、流態(tài)發(fā)生變化，進而導(dǎo)致風(fēng)機轉(zhuǎn)矩隨之變化，引起電機負(fù)載波動，電流隨之變化，進而找出電機電流與谷物氣力輸送作業(yè)狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過電流、壓力、風(fēng)速與產(chǎn)能的實時實驗數(shù)據(jù)比較分析，推導(dǎo)出谷物氣力輸送的優(yōu)選測量參數(shù)及其控制方法。

.除塵器；2.密封式灰斗；3.電壓/電流監(jiān)測記錄設(shè)備；4.變頻器；5.電機；6.封閉式貨箱；7.下落的谷物顆粒；8/10.氣固混合體； 9/16.風(fēng)速/壓差監(jiān)測記錄設(shè)備；11.活動管道及專用吸嘴；12.自然空氣；13.谷堆；14.氣固分離器；15/20.帶塵氣體；17.循環(huán)回吹氣流；18.風(fēng)機；19.分風(fēng)器；21.潔凈氣流

為了追求經(jīng)濟、可靠的工程實現(xiàn)，本實驗裝置設(shè)置了部位9、16風(fēng)速/壓差(旁通皮托管及薄膜壓差傳感器)監(jiān)測點及部位3電壓/電流監(jiān)測點，其它主要部件包括除塵器1、電機5、風(fēng)機18、氣固分離器14、活動臂架/管道11組成。電機驅(qū)動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，風(fēng)機通過貨箱后部的管道從外部抽取自然空氣，利用管道口吸嘴處產(chǎn)生的空氣壓力差，谷物和空氣混合以氣固二相流的方式進入管道，沿管道前進，進入貨箱內(nèi)部氣固分離器，氣體和谷物分開，谷物落入貨箱底部空間，帶塵的氣流進入風(fēng)機，然后吹入除塵器，氣體和灰塵進一步分離，灰塵落入灰斗，潔凈空氣排出。該裝置的主動力源(部件5)采用Y2-200L2-2-37KW 三相異步電機，風(fēng)機(部件18)采用9-26 6.3高壓離心風(fēng)機，吸料的管道長度為4 m，管道直徑為160 mm。

為了確保實驗數(shù)據(jù)的真實有效，所有實驗儀器均經(jīng)檢定合格，同時考慮到作業(yè)時管道內(nèi)高速流動的顆粒與粉塵會進入皮托管和薄膜壓差傳感器影響風(fēng)速與壓差的測量值，還另備若干確保干凈的皮托管壓差風(fēng)速計周期插入吸嘴管道中測量取值。

實驗時，將吸管插入糧堆，并不斷調(diào)整位置，通過手動調(diào)節(jié)吸嘴與料堆之間的距離以維持電流穩(wěn)定，同時觀測壓差與風(fēng)速。根據(jù)電機額定功率設(shè)計單相電流平均值盡量維持在22、24、26、28、30、32 A六組實驗，每組做5次，每次進行5 min；每次實驗結(jié)束后，清空貨箱并同時稱量貨箱內(nèi)的谷物量計算產(chǎn)能，以避免貨箱有效容積的改變和落料堆積等對實驗數(shù)據(jù)的影響。實驗的電流、風(fēng)速與產(chǎn)能數(shù)據(jù)(取5次實驗的平均值)關(guān)系見圖2。

圖2 谷物氣力輸送(負(fù)壓式)實驗數(shù)據(jù)

由圖2可以看出，實驗裝置的風(fēng)速隨著電流增大而逐步增大，當(dāng)電流達到36 A(單相電流平均值)時，裝置的風(fēng)速提升到最高值42 m/s，實際觀察到此時裝置為空轉(zhuǎn)狀態(tài)，吸嘴離開料堆距離大于150 mm沒有吸入谷物；當(dāng)裝置的單相電流平均值為22 A時，風(fēng)速為15 m/s，實際觀察到此時吸嘴沒入料堆深度大于300 mm，裝置表現(xiàn)為噎塞狀態(tài)，空氣提供給谷物的動能嚴(yán)重不足，產(chǎn)能很低；隨著吸嘴抽出料堆，風(fēng)速不斷提高，谷物迅速加速，當(dāng)吸嘴基本貼合在料堆面以下時，電流維持在28～30 A時，檢測到風(fēng)速為30 m/s左右時，此時裝置的產(chǎn)能達到40 t/h左右的峰值，工作狀態(tài)為稀相流下最優(yōu)氣固比水平，這一實驗結(jié)果與文獻[5-7]相互映證。

2.2 工程優(yōu)化

由實驗數(shù)據(jù)可知，只要前端吸嘴與糧堆控制在一個合理的耦合距離，作業(yè)電流(單相電流平均值)維持在28～30 A左右，便可使實驗裝置作業(yè)達到最高的產(chǎn)能。因此，在實際工程中該對實驗裝置采取了以下優(yōu)化措施：

一是取消了部位9、16-風(fēng)速/壓差監(jiān)測裝置，以實時電流信號作為控制量，在吸嘴的前端加裝了料位探針以監(jiān)測吸嘴與糧堆的耦合距離，如作業(yè)電流未處于28～30 A，便通過液壓自動調(diào)整吸嘴與糧堆的相對位置，使作業(yè)電流值一直處于這一區(qū)間。

二是改進裝置的整體氣動布局，利用從離心風(fēng)機排出氣流的動能，在部件19位置設(shè)置一個分風(fēng)器，動態(tài)調(diào)節(jié)20%～50%的帶塵氣體循環(huán)引回到吸嘴的前端吹動谷物，給谷物一個初速度(等同提高固體物料加速度)再由吸嘴吸走。同時，根據(jù)料位及電流信號動態(tài)調(diào)節(jié)部件19的分風(fēng)量，我們發(fā)現(xiàn)電流維持在24～27 A的狀態(tài)下，可使裝置產(chǎn)能達到40 t/h左右，相對節(jié)能10%～15%。調(diào)整氣動布局，循環(huán)氣流到吸嘴前端吹動谷物后，實驗的電流、風(fēng)速與產(chǎn)能數(shù)據(jù)關(guān)系見圖3，但是吹到前端的空氣帶有灰塵，應(yīng)當(dāng)在吹風(fēng)口與吸嘴的上方加上一個防塵罩屏蔽灰塵的擴散。

圖3 谷物負(fù)壓式氣力輸送(循環(huán)引風(fēng))實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

氣力輸送谷物時，有關(guān)氣力輸送產(chǎn)能的動能參數(shù)有風(fēng)壓及風(fēng)速，風(fēng)機的功率(電流)及轉(zhuǎn)速，氣固比，固體物料加速度等。但在實際工程實現(xiàn)上來看，由于氣力輸送的氣固兩相流場的復(fù)雜性及其測量條件的不可控性，風(fēng)壓及風(fēng)速、氣固比、固體物料加速度等參數(shù)的測量均不容易實現(xiàn)且缺乏可靠性和經(jīng)濟性；我們通過實驗發(fā)現(xiàn)氣力輸送谷物時主動力風(fēng)機電機的電流值與輸送裝置作業(yè)狀態(tài)存在高度的關(guān)聯(lián)性，只需通過監(jiān)測電機作業(yè)電流及吸嘴與糧堆的料位兩個參數(shù)并設(shè)計自動控制程序便可使實驗裝置處于最佳作業(yè)狀態(tài)達到最高產(chǎn)能；同時，通過改進裝置循環(huán)利用風(fēng)機動能可以實現(xiàn)節(jié)能，具體為：

(1) 負(fù)壓式氣力輸送谷物時，通過主動力風(fēng)機電機的電流可以判別氣力輸送裝置的作業(yè)狀態(tài)，在我們的實驗裝置中，當(dāng)電流達到36 A(單相電流平均值，下同)左右時，料管的風(fēng)速達到最大值42 m/s，此時裝置實際為空轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)電流22 A左右時，風(fēng)速為15 m/s，裝置為噎塞狀態(tài)；當(dāng)電流在28～30 A時，風(fēng)速為30 m/s，此時裝置處于產(chǎn)能最優(yōu)的最佳作業(yè)狀態(tài)。

(2) 要使裝置工作在最佳作業(yè)狀態(tài)，就要調(diào)整裝置與糧堆的相對位置，使主風(fēng)機電機作業(yè)電流處于28～30 A，這可以通過監(jiān)測電流及料位參數(shù)，自動控制調(diào)整吸嘴的位置實現(xiàn)。

(3) 改善裝置氣動布局，循環(huán)利用風(fēng)機動能，將風(fēng)機排出的具有動能的帶塵氣流引到前端吹動谷物，給谷物顆粒一個初速度吸入管道，可以為整機節(jié)能10%～15%。