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离心通风机工作原理在水泥灌装中的应用研究

  • 发布日期:2009-11-05      浏览次数:4958
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       引言

        在一些特殊行业中,为了生产需要将会使用风机原理,采用类似风机的结构,比如将要研究的灌装粉末状固体颗粒物体的过程。从能量观点上讲,它们并不像风机一样把原动机的机械能转变为流体的势能和动能。但是又离不开流体的作用,如果没有流体混入,将可能导致无法让物质运动到目标地点,比如水泥灌入水泥包装袋的过程。为了更加形象,用水泥颗粒作代表来研究同类物质的工作状况。

        这种很细的粉末状颗粒,一般来说可以用固体输送机械,也可以用气体输送机械来输送它,这要根据具体的输送环境、输送条件和输送需要来选择。但是在灌装过程,因为它的特殊性,以及工作条件的限制(小环境、密闭式、高速水平灌装),实际生产中既不可以单一的用气体工作原理,又不可以简单的用固体工作原理来设计设备灌装。小环境是为了减少工作面积,密闭是为了减少扬尘、改善工作条件、提高环境质量、提率,高速是为了满足现代化生产的需要,实现率、低成本、大生产。在现代社会效率是企业生存的根本,低效企业的zui终命运就是被淘汰出市场。所以无论是使用还是设计都很有必要进行深层次的研究。

       气体与固体输送的不同

        固体颗粒与气体混合到一定比例,使颗粒所占的比例足够小,就可以使用气体输送原理来输送它,比如除尘风机。或者使气体压力足够大,也可以使用气体输送原理来输送它,比如喷射泵。

        因为水泥颗粒单个体积很小、质量不大,很容易被气体托起,所以如果把水泥颗粒以较小的比例混合在气体里,就可以运用这两种物体作介质,输送这种固体颗粒。

        但是存在在有限的空间(水泥编织袋)里迅速把它们分离,使其在很短的时间内灌入一定的质量(比如 10s 内灌入 50kg )的问题。因为它们混合力很强,气体在运送中占的比例太大。用这样的方式会在袋子里充入太多的气体,而固体颗粒进入量却太少,袋子在承受着太大的压力下,将容易破损,导致灌装失败。所以这种方式是不可取的。

        然后再研究如果把水泥颗粒简单的看作固体物质作用会是什么情况:固体分子、颗粒之间的摩擦力、粘滞力是很大的,静止时它们会紧固在一起;运动时,速度越大,颗粒之间的作用力越大,力的损失越大。虽然水泥在被粉磨之后已经是很小的颗粒,相比而言单个个体间的接触面积较小,但有无数个个体,各个个体之间的作用力加起来就很大了。

        它们的重力都足以使颗粒间的自然空气慢慢排出,使个体之间的接触面积zui大化。给它们的压力越大,空气排出得越彻底,它们就粘得越紧,对力的损耗就越大。所以如果单纯的把水泥颗粒当固体来研究,在它们离开驱动机械后,这无数个颗粒之间的作用力很快损耗了它所得到的动能。加上空气阻力的作用,这些颗粒马上就偏离了正常的所需要的运动轨迹。

        如果是在敞开的环境中,这些单个颗粒的质量太小,会飘在空气里一段时间,既污染环境又降低工作效率。为了避免出现这样的情况,使它们zui快地到达水泥袋里,还应该让它们在一个密封的环境里面运动。

        以上是从原理上研究所得出的理论结果:不能把这些颗粒运动用一种简单的方式来实现,必须采用气体和固体运动合成的方式。在实际使用中,如果只从一个方面研究问题,用单一的方法处理问题,就会导致在灌装中质量灌不够、灌得慢、设备损耗快、效率低、环境差、成本高、质量不稳定、袋子破损大等各种各样的情况出现。

       固体灌装的理论实现

        为了达到、高速、环保、低成本、低磨损、低破损、准确稳定的质量,就要把各种条件都考虑进去,引入气体作介质,使其既具有固体运动的特性,又具有气体运动的特性,这就是风机原理在颗粒状物体灌装中的应用。

        从上面的分析已经知道,无论是把这些颗粒当流体还是把它们当固体来灌装在生产中都存在明显的困难,不能满足生产条件和生产要求的需要。所以应该采取适当的方法,减小颗粒之间的作用力,在得到动能后保持惯性运动到达目标点。为了实现这个要求,就需要引入一定压强的高压空气使其迅速与颗粒混合,减小颗粒间的接触面积,降低颗粒间的相互作用力。

        同时为了在进入水泥包装袋后能够迅速把气体和固体分离,排出气体,使袋子用zui大的空间容纳颗粒,保证在有限的空间、有限的时间内灌够需要灌入的质量,还要求水泥编织袋在保证强度和不使水泥颗粒漏出的情况下具备zui大的透气性,以及在保证灌装能力的情况下zui小的入气量。

        在引入高压空气后,就可以引用风机的一些原理来分析水泥颗粒的工作状况,采用风机的一些外形结构来达到灌装水泥颗粒这种固体颗粒的目的。

        从以上的分析研究可以总结出,把这些小颗粒在有限的空间、有限的时间内把一定质量的水泥装入水泥袋的工作条件:混入适度的高压空气、在密封的环境里、依靠驱动机械使颗粒离开机械后保持运动。

       外部结构研究

        现在围绕这 个要求进行研究,以得到良好的灌装效果。混入高压空气是zui容易实现的,只需要用气管把高压空气在灌料时送入料仓底部,就可以实现快速混合气体。

        为了让水泥颗粒不飘扬到空中污染环境、提高灌装效率,要让它从进入料仓到到zui后袋子封口都不能外泻。采用风机的结构,在进入料仓和出料仓这个过程保证密封,只需要保证进入口和出口,其它地方全部密闭。用一个出料嘴作为过渡装置,通过袋子*的通口插入袋子内部,推袋时自动退出,依靠袋的内压作用使通口自动回封,堵住通口。

        考虑到结构和空间的需要,更好的利用自压,采用顶部进料,下侧出料的进出料方式,见图 

       内部结构研究

        研究重点放在如何使驱动机械驱动颗粒,在离开机械后让颗粒保持*的运动轨迹和速度上。

        为了满足空间和连续性的需要,采用风机叶片高速旋转带动物料运动,脱离叶片后在惯性的作用下继续运动的方式,让颗粒离开料仓进入袋子。这在结构和驱动方式上类似于风机,但是颗粒运动原理却不同于风机里气体的运动原理,能量转换也不相同。

        由于两种物体混合在一起,混合比例在不断变化之中,物质运动混乱复杂,各项指标都不稳定,所以风机的流量、压力、功率和效率等指标和计算公式都不能在这里使用,这也是这个领域研究比较困难的原因。在这里只是作原理上的研究,不作具体的公式和数字分析。

        现在参考离心通风机的工作原理来作研究,以得出叶片的实际的结构。风机的叶片有前向、后向、径向 种,用 βb角表示。

        离心通风机在不同 βb下的出口速度图。 βb角对风机的压力、功率和效率有很大的影响。从叶片形状看后向型流道较平滑,流动时阻力损失小;前向型流道不好,阻力损失大。从速度图看,后向型 cuzui小,反作用度值zui大,故后向叶轮的效率高,前向叶轮的效率低。

        当风机的流量增大时,前向风机的功率急剧增大,后向风机增加缓慢。所以前向风机易超负荷而烧坏电机 。

        这两种情况在研究的对象上也是基本一致的:当出料口阻塞或者颗粒回流等固体的比例密度增大时,前向风机功率增大极快,传动带很快磨损烧坏,电机经常被烧毁。由于开始的时候研究不到位,这个问题频繁的出现在实际工作中。

        风机是靠吸入空气,改变压力来工作的。但是在这里自然空气很难进入料仓,叶片高速运动不能形成风机工作所产生的空气压力,颗粒得到动能后做惯性运动。

        如何才能使这些颗粒在离开叶片后减小相互间的碰撞摩擦、损耗能量,以zui简单、*的运动轨迹离开叶轮仓,进入袋子,这在引入高压空气后还要求叶片有*的形状和角度:叶片形状要简单(越简单颗粒的运动轨迹越单一,相互间碰撞的可能性越小。这和气体或者液体靠相互间压力的作用运动有根本性的不同,结构要求和风机也就刚好相反)。为使各个颗粒受力、运动轨迹基本平行,相互间接触的可能性较小,相互间作用力也就较小,更好地排出料,叶片成直板状效果*,叶面能和出口垂直切面平行。

        由于出料口不能太大,且圆形出口效率zui高,所以要求叶片尺寸形状和料嘴出口(料嘴直径看实际要求决定)基本一致,才能保证能量得到有效利用,提率。如果叶片大于出口,容易造成回料;如果小于出口,容易导致出料管空出,均会降低效率。

        根据以上分析,得出实际结构图,见图 

        上端是料的入口,左下侧的圆形管是料的出口,叶片平均分布在圆的周围,与出口垂直切面平行(图中叶片用一片代表)。

      5  效率分析

        现在分析叶片与出口垂直切面平行时的出口速度和颗粒在出料管中的运动路线,见图 

        

        这是后向型叶片的颗粒出口速度图,可以看出 c几乎与出口中心线平行,假设在运动中能保持理想状况没有重力和空气阻力的作用,那么就将保持这个速度到终点。颗粒就不会跑到管壁上,然后再反弹回来,与正常运动颗粒的冲撞,损耗能量。

        径向型的 c方向和后向型的 u差不多,有大量料跑到管壁上,有部分回料;前向型的 c方向更偏向圆切面,大量的料跑到管壁上,大量的料回流,这些回料向上冲,干扰了上部的入料,而进入管道的料很少。

        从上面的对比很显然地看出:后向型回料zui少,料的运动轨迹,能量损失zui少,灌装速度zui快,效率zui高;前向型回料zui多,料的运动轨迹zui差,能量损失zui大,灌装速度zui慢,效率zui低;径向型介于两者之间。这是在理想状态(没有重力、没有空气阻力、颗粒间存在一定的距离)下所得到的结果,可以作为实际选择的参考。

        流量与叶轮直径、叶轮圆周速度以及叶轮宽度成正比,具体按实际需要来确定。

      6  结论

        从以上的研究可以看到在颗粒状物体的灌装研究中,可以参照风机的一些结构和工作原理,利用它们的共性,区别它们的差异性,zui终得出正确有用的结果,成功地设计出*结构。

        气体压力的引入和叶片形状方向的选择是构成的关键,直接决定了灌入能力和效率。引入可调整的高压气体,采用后向型叶片可保证良好的灌入效果和效率,减少电机烧毁,降低能耗。

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