負壓吸送式氣力輸送系統設計及在橡膠行業應用

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

負壓吸送式氣力輸送系統設計及在橡膠行業應用

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

總結出一套適合輸入原始條件、原始資料的負壓氣力輸送系統的設計模型，通過設計過程演示，給予科研和設計工作者以指導和參考作用，從而在實際工作滿足橡膠工廠對設備的需求和選擇。另外，列舉了幾種在橡膠行業的典型應用，起到示范和啟發作用。

負壓；吸送式；氣力輸送系統；結構；應用

1 系統組成

負壓吸送式氣力輸送系統由以下幾個主要部分構成，基本工作流程如圖1。

圖1 吸送式負壓輸送系統主要組成部分

根據用途要求、生產工藝、設備布置不同，某些裝置結構形式及其組成可能會有差別，但任何負壓吸送式輸送系統都應包括上述主要部分。

2 設計和計算

2.1 原始設計輸入條件如下

（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等，本文后面內容以炭黑類為例；

（2）輸送能力：各個廠家產能要求不同，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：配方整體和內含單種物料的最小、最大稱重/批次；

（5）破碎率：以百分數來表示；

（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）設備接口：與上下游設備的對接和聯機等；

（10）環保要求：廢氣排放標準，除塵、除味方面指標；

（11）公用工程和設施：電梯、動力源等。

2.2 設計步驟

（1）根據使用要求，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）配置負壓氣力輸送系統功能和主體結構形式。輸送補料；輸送稱量還是二者兼具；是采用吸嘴還是配備投料倉卸料裝置，間歇還是連續工作；脈沖式還是旋風式分離。

（3）確定輸送管管線的布置及主要部件的結構形式，繪制初步布置方案圖并標注主要尺寸，考慮與上下游設備對接；

（4）選擇機電類等配套件、外購件類型。明確部套結構、參數、尺寸、材料及其要求；

（5）確定合理的氣流速度；

（6）根據以往實踐經驗或分析初選混合比；

（7）確定系統總風量；

（8）計算輸料管道口徑；

（9）計算整個輸送系統的壓力損失；

（10）計算氣源裝置所需總功率；

（11）從產品樣冊中選擇合適的風機及其配套的電動機。各個供應商提供具體產品參數可能有不同，以滿足設計要求為原則。

如果計算結果不理想，應該調整混合比及風量、管徑等有關參數的值，按上述程序重新計算，要從正反兩個方面進行驗算，直到設計選型到合適為止。

2.3 計算方法和主要公式

2.3.1 主要參數的確定

（1） 輸送能力的確定：根據（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間內輸送的物料質量與同一時間內通過該管道的空氣質量之比，用m表示。在設計計算時參考各種實例、借鑒已有經驗或試驗數據來確定。

（3）空氣流量的確定：根據選定的輸送混合比m，所需風量Q應為：

式中： Q——風量，（m3/h）；

ρa——空氣比重，取 =1.2 ；

Gs——輸送量，（kg/h）；

μ——混合比，其值由經驗得。在確定氣源裝置的總風量Qin時，應該考慮加上管道系統的漏氣量，一般總漏氣量占總風量的15%~20%之間。

（4）輸送氣流速度：一般靠試驗和以往實踐經驗確定。可在各種參考書中選定，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）被輸送物料的運動速度：

在吸送式輸送系統的實際計算中，采用近似求解法得出數值。

對垂直輸料管，物料顆粒達到穩定運動的速度 (m/ s)可以近似地取為

式中：va——氣流速度，（m/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可根據參數及m1有的va/vo值查圖獲得vs/va值，(李克永主編《化工機械手冊》)根據已知的va值，即可算出vs值。參數可按下式求算：式中：g——重力加速度，g= 9.81 m/s

h——垂直輸料管高度，m。

對水平輸料管，物料顆粒到達穩定運動時的速度vs(m/s)一般可近似的按下式取為：

對于粒度和密度較大的顆粒其值應取較小值，反之應取較大值。

（6） 輸料管的內徑：輸料管起始段內徑可按下式確定：

式中：Q——計算風量；

vs——輸送空氣速度。

2.3.2 管道壓力損失的計算

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

以下為各項壓力損失的組成及其計算方法。

（1） 純氣流產生的壓力損失

直管沿程的摩擦壓力損失。純空氣沿圓形截面管道流動產生的摩擦壓力損失通常按下式計算：

純氣流摩擦阻力系數 a與管內流動狀態及管到特性有關,其值主要取決于雷諾數Re 和管壁表面粗糙度K。輸料管的a可以按光滑管考慮。對于常規物料其值一般可查表獲得，特殊物料計算獲得，計算如下：

運動黏度? 查詢手冊數值

按照上述相同道理，在垂直管道內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壓力的單位倍數來表示，可由下式計算：

式中：ξa——氣流的局部阻力系數。

（2）雙相流運動產生的壓力損失

a.直管沿程的摩擦壓力損失?Pm。可按下式計算：

對水平段，ΔPm為：

對垂直管段，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。主要發生在供料裝置和彎管后面，計算公式如下：

式中：ζa——加速壓損系數

物料在供料裝置附近由零初速度起動產生的壓力損失可以按下式計算求得：

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

vs——物料穩定運動時的速度，（m/s）。

c.彎管的壓力損失Vpjb。

兩相流運動引起的彎管壓2力損失Vpjb可以按下式計算：

式中：ξa——氣流通過彎管的局部阻力系數。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，其值查詢獲得。（楊倫、謝一華主編的《氣力輸送工程》）

根據查詢得出各項數值之后，再返回計算公式即可計算出所需參數，具體計算過程本文不再演示。

d.提升物料的壓力損失VPL。在垂直管道內輸送兩相流時，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，由下公式計算得：當垂直管高度h大于10m時， 可以按下式求算：

vs≈va-v0

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

e.輸送系統各部件壓力損失Vpc。它主要包括供料裝置、分離裝置、除塵器、風管、消聲器以及各種異型管件的壓力損失，不同結構的裝置其計算方法不同，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驗值。

離心分離器的壓力損失可以由下式計算而得：

式中:ξ——局部阻力系數，通過實測求得；

v——分離器進口風速（m/s) ；

ρa——進口空氣密度，（kg/m3）。

f.吸送系統的總壓力損失ΔP

ΔP=ΔPa+ΔPs

=ΔPsn+ΔPm+ΔPma+ΔPjb+ΔPL+ΔPC

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

（3）氣源裝置的選擇：依據上述計算結果，根據吸送系統所需的風量Qin和風壓（真空度）PB，在產品樣冊目錄選取合適型號的氣源裝置，并根據所需功率N選定配套電動機。目前大部分供應商的產品中已將氣源裝置和電動機匹配好，只需選取整機即可。

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。

其設計的典型系統流程示意圖如圖2。

圖2 設計系統流程圖

5 橡膠行業應用

5.1 減震墊、密封墊制品原材料輸送補料

在橡膠（制品）行業中，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中進行密煉，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、紙包裝等形式運送到橡膠工廠倉儲，以往是采用人工方式完成補料等操作，以下系統是以負壓氣力輸送系統將各種散裝原料自動輸送到各個儲倉中，減輕了勞動強度、提高了工作效率、改善了環境，其流程圖如圖3。

圖3 負壓氣力輸送系統流程圖

每種物料配置一臺投料口，投料口通過輸送管道連接到儲倉中，多臺儲倉公用一臺羅茨風機以提供真空，補料時各種物料互補影響，可獨立、同時進行。物料在負壓吸引作用下從投料口經過密閉管道，連續進入儲倉，輸送的效率主要由羅茨風機產生的真空度大小來調節控制，輸送距離可達到60 m以上。該裝置適合不能摻混料的情況下使用，對于產能要求較高的企業使用。目前已在一些中小型輪胎廠、橡膠制品廠廣泛應用。

5.2 膠管膠帶制品原材料輸送稱量

各種中小規模的橡膠制品廠廠房一般都是單層結構，受密煉機/捏煉機的布置影響，其炭黑等粉料配料系統的空間比較受限制，傳統的上輔機系統一般需要3~4個樓層高度，同時對樓面的承重也有要求，成本比較高，大部分制品廠很難接受，以下系統就是主要針對這種小型廠房而設計研發的，采用負壓送料稱量，實現了自動化操作，減少了人工干預，廠房空間要求小，一般6~8 m高度即可滿足，經過實踐具有很好的經濟效益。

圖4 負壓輸送示例

如圖4結構，所有的設備均位于同一個樓層上，投料和稱量隔離分區布置，避免了粉塵擴散和交叉污染，在原料存儲區根據物料的種類和摻混情況設置幾組發送料倉，用于暫時存儲一部分物料，通過羅茨風機提供的負壓動力將物料吸送到稱量罐中，稱量罐中設置有稱重模塊，用于按配方要求進行物料稱量和顯示，通過羅茨風機的風速和調節閥來控制給料速度，稱量好的物料自動投入密煉機，實現輸送、稱量無人化。此種系統由于綜合成本低、投資少、效率高、占空間小、環保效率高等優勢，已經在橡膠制品廠廣泛使用，非常值得推廣。

6 結論

負壓吸送式氣力輸送系統相比其他機械輸送方式，在經濟性、智能化、工作效率、可維護性方面具有諸多優勢，是中小型橡膠制品廠的理想選擇。希望本文通過原理介紹、計算模型演示、應用實例等方面給橡膠行業科研設計工作者、設備維護人員以及工廠設備采購人員以指導和借鑒作用。

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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，畢業于青島科技大學，長期從事橡膠機械研發設計和項目管理工作。

通訊郵箱：yiquan2005@163.com

2016-05-03