氣流擾動吸糧機關鍵部件的設計與分析

王繼煥 劉啟覺

(1. 武漢華夏理工學院機電工程學院，湖北 武漢 430223；2. 武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023)

氣流擾動吸糧機關鍵部件的設計與分析

王繼煥1劉啟覺2

(1. 武漢華夏理工學院機電工程學院，湖北 武漢 430223；2. 武漢輕工大學食品科學與工程學院，湖北 武漢 430023)

針對吸糧機普遍存在的能耗較高、產量波動較大和吸糧嘴進料量不穩定的實際狀況，分析氣流擾動機理，利用吸糧機正壓回風為擾動氣源，設計氣流擾動吸糧嘴，可以增大吸糧口糧食與氣流的混合，有利于能量傳遞與轉換，有利于糧食進入系統。利用大彎頭分離器，具有防碰撞、防破碎、除塵等“一風多用”的優點，節能減損。研究表明：當擾動氣流量設定為風機風量的11%～13%、擾動氣流速度為16～18 m/s時，吸糧機的產量及風機的效率最高。

吸糧機；氣流擾動；吸糧嘴；兩相流；濃度

Abstract： According to the actual situation of higher energy consumption, as well as the greater fluctuations of yield and unstable feed quantity of suction nozzle in pneumatic conveying, the mechanism of airflow disturbance was analyzed. The grain suction nozzle of airflow disturbance was designed by using return air of positive pressure of pneumatic conveying as disturbed gas source, which could increase mixture between grain and airflow of grain inlet, by helping grain entering system and energy transmitting as well as converting. The use of separator of large curvature elbow had advantages of one wind multipurpose, including anti-collision, anti-broken, dust removal, energy saving and loss reduction. Results showed that the output of pneumatic conveying and efficiency of fan were the highest when the disturbed gas flow was 11%～13% of fan air volume, with the velocity of airflow disturbance at 16～18 m/s.

Keywords： pneumatic conveying; airflow disturbance; grain suction nozzle; two-phase flow; concentration

吸糧機是利用風機產生的具有一定壓力和速度的氣流，通過管道輸送小麥、玉米等散狀糧食的輸送機械[1-2]。隨著糧食加工廠、糧食倉儲規模的日益擴大，吸糧機在裝卸強度大的糧庫、車站、碼頭得到了快速的發展，從而使得糧食的“四散”(散裝、散運、散存和散卸)技術得到普遍應用。吸糧機的性能與風機、吸嘴、輸送距離、旋風分離器、底部供料器以及卸料器等設備有關[3-5]。如何提高吸糧機工作穩定性、提高吸糧機的產量、降低能耗以及物料破碎率，一直是糧食科技工作者研究的課題。王蓉等[6]通過對國內外移動式吸糧機的測試、對比，為機型選定、推廣應用提供參考；吳建章等[7-8]研究了內外筒面積比、內外筒端面距離和輸送風速等因素對雙筒型吸嘴性能的影響，探求了提高吸糧機輸送產量的較佳工作參數，并對吸糧機中葉輪式閉風器的氣密性進行了研究；劉秀芳[9]對吸糧機裝置中的單筒型吸嘴進行了試驗研究，得到輸送產量最高時的吸嘴端口距料堆的距離；為了獲得吸糧機較高的輸送效率，張貝貝等[10]對輸送管道的結構進行了優化；丁問司等[11]則利用FLUENT6.3對大噸位吸糧機(150 t/h)采用的KJLN07型三級離心風機內部流動進行了全三維整機可壓縮數值計算，為多級離心風機的優化設計提供參考。此外，物料性質以及吸糧機系統的工作參數均對吸糧機產量具有顯著的影響，多名學者[12-15]對此進行了研究。但到目前為止，尚未見應用氣流擾動技術設計吸糧機系統的相關報道。

本文針對吸糧機廣泛存在的能耗較高、產量波動較大的實際狀況，特別是吸糧嘴的喂料量受吸料點的糧堆形狀、埋深及操作條件影響較大，導致吸糧機的瞬時濃度變化較大易產生糧食破碎和能量浪費等問題，研究設計氣流擾動吸糧機關鍵部件，分析氣流擾動吸糧嘴工作特性，探索減小吸糧嘴瞬時濃度變化幅度、降低吸糧機糧食損傷率的方法。

1 氣流擾動吸糧機的工作原理與工藝特點

氣流擾動吸糧機主要由氣流擾動吸糧嘴、可伸縮輸糧管、大彎頭分離器、關風器、風機、排風管、回風軟管及控制系統等組成(見圖1)。該吸糧機安裝在可移動的行走平臺上，通過可伸縮輸糧管，將氣流擾動吸糧嘴插入糧堆中，還可調節氣流擾動吸糧嘴插入糧堆的深度和位置。

當吸糧嘴插入糧堆時，在風機負壓的作用下，糧食經吸糧嘴吸入。在吸糧嘴中，空氣與糧食混合，進行能量傳遞。糧食從氣流中獲得能量，并在吸糧嘴內筒作加速運動[16]。由于管道橫斷面面積逐漸擴大，氣流速度逐漸降低，糧食的速度與氣流速度最終趨于一致。當氣流與糧食從可伸縮輸糧管進入大彎頭分離器進口后，管道斷面面積進一步擴大，氣流速度進一步降低，失去攜帶糧食的能力。糧食在大彎頭分離器環形通道內作減速運動。當糧食通過大彎頭分離器頂點后，在重力作用下，降落到淌料板上，向下流動，在慣性和重力的共同作用下，落入大彎頭分離器的集糧斗，然后從關風器中排出，裝入車、船或其它運輸機械中。空氣能穿透下落的糧流，將粉塵、輕雜物攜帶至集塵箱?？諝饨浺L管被吸入通風機內，然后經排風管排入大氣中。風機是吸糧機的動力，具有制造成本低、使用和維護方便、對被輸送氣體的要求不嚴格的特點。與高真空吸糧機相比，無需空氣過濾器，因而消耗動力較小。

1. 離心通風機 2. 排風管 3. 關風器 4. 大彎頭分離器 5. 可伸縮輸糧管 6. 氣流擾動吸糧嘴 7. 回風軟管 8. 回風調節閥

圖1 氣流擾動吸糧機工作原理示意圖

Figure 1 Schematic drawing for working principle of pneumatic conveying of airflow disturbance

2 氣流擾動吸糧機的關鍵部件設計與工藝特性

2.1 氣流擾動吸糧嘴的設計

吸糧嘴即吸糧機的供料裝置,是吸糧機的關鍵部件之一，它的主要作用是使糧食與空氣混合，使糧食從氣流中獲得能量，并產生加速度?？諝馀c糧食的混合越均勻，則能量轉換效率越高，糧食越容易被吸入吸糧機中。吸嘴的性能與吸糧機的輸送產量、性能的穩定性及能耗的高低密切相關。

傳統雙筒吸糧嘴見圖2。當雙筒吸糧嘴插入糧堆3中，在吸糧嘴的附近有一個吸糧區6。輸送糧食的空氣由糧堆負壓氣流4和補充氣流5組成。吸糧區底部呈現鍋底狀，中心部分最深。吸糧機工作時，在風機的作用下，吸糧嘴內筒形成較大負壓，并在吸糧嘴附近形成負壓吸糧區6。由質量守恒和能量守恒理論[17]：

Q=Q1+Q2，

(1)

1. 內筒 2.外筒 3.糧堆 4. 糧堆負壓氣流 5. 補充氣流 6. 吸糧區

圖2 傳統雙筒吸糧嘴工作原理示意圖

Figure 2 Schematic drawing for working principle of traditional grain suction nozzle of double cylinder

式中：

Q——吸糧機輸送糧食空氣流量，m3/h；

Q1——糧堆負壓氣流，m3/h；

Q2——外部空氣經內外筒環形空間的補充氣流，m3/h。

由理論分析和試驗測試知：Q1占Q的50%～90%；Q2占Q的10%～50%。

當Q1增大時，吸糧嘴的阻力增大較快，吸糧機的總風量減小，將使吸糧機的產量降低；而當Q2增加時，吸糧嘴的阻力會降低，吸糧機的總風量增加，但吸糧機輸送糧食的濃度會降低，亦將影響吸糧機的產量。所以，吸糧區的Q1和Q2相互影響，不斷變化。通過調節外筒的位置H值和吸糧嘴插入糧堆的深度，可以調節Q1和Q2之間的比例。但在線調節技術受糧堆狀況、操作場地、操作技術、調節頻率等因素的影響較大，使吸糧機的產量和吸糧濃度波動較大，產生糧食破損和能量損耗。在兩相流阻力計算中，常將阻力表述為：

P=P氣+P糧，

(2)

式中：

P——吸糧嘴的總阻力，Pa；

P氣——空氣進入吸糧嘴的阻力，Pa；

P糧——糧食進入吸糧嘴的阻力，Pa。

吸糧嘴工作時的總阻力為空氣進入吸糧嘴的阻力P氣與糧食進入吸糧嘴的阻力P糧之和。糧堆內的空氣在進入吸糧嘴的過程中，穿過糧粒之間的空隙，需克服糧層的阻力，并將一部分能量轉變為氣流的速度，這兩部分能量損耗之和即為P氣。同時，糧食在進入吸糧嘴的過程中，將克服糧粒間的摩擦、碰撞、擠壓等阻力，并將一部分能量轉變為糧粒的速度，這兩部分能量損失之和即為P糧。

如圖3所示，當氣流擾動吸糧嘴工作時，應滿足以下關系：

Q=Q1+Q3，

(3)

P=P氣+P糧-P噴，

(4)

1. 內筒 2. 外筒 3. 導糧錐 4. 噴風嘴 5. 糧堆負壓氣流 6. 吸糧區 7. 糧堆 8. 擾動氣流 9. 回風軟管接口

圖3 氣流擾動吸糧嘴工作原理示意圖

Figure 3 Schematic drawing for working principle of grain suction nozzle of airflow disturbance

式中：

Q3——各噴風嘴噴風氣流之和(占Q的5%～20%)，m3/h 。

P噴——各噴風嘴噴風氣流動能之和，Pa。

比較式(1)、(3)可知：增大Q1的波動范圍，將導致吸糧嘴內兩相流濃度波動較大。同時，當濃度過小時，糧粒的速度增大，易產生破損；當濃度增加較快時，吸糧機阻力增加較快，導致風機的風量快速降低，造成吸糧機工作不穩定。

比較式(2)、(4)可知：傳統吸糧嘴的阻力為空氣與糧食進入吸糧嘴的阻力之和。由圖2可知：從糧堆的糧食顆粒間隙中進入吸糧嘴的空氣從吸糧區的邊緣朝吸糧嘴流動，而外部空氣經內外筒之間的環形空間補入吸糧嘴。兩股氣流有較明顯的分界面，不利于糧粒與空氣的混合，不利于能量傳遞與轉換。而圖3所示的氣流擾動吸糧嘴，輸入了經回風軟管補入的正壓噴風P噴，P噴能量的大小，由風機與回風調節閥開度調節。同時，從噴風嘴噴入的氣流沖擊吸糧區的邊緣，并對吸糧區邊緣的糧食產生擾動作用，有利于糧粒與空氣的混合，有利于能量傳遞與轉換，有利于兩相流濃度穩定及吸糧機阻力平衡穩定產量。另外，圖2的吸糧區中部為一拋物面，深度較大；而圖3的吸糧區中部接近于平面，氣流從吸糧嘴邊緣的環形通道進入，能量較集中，有利于吸糧嘴邊緣的糧食進入吸糧機。

由上述分析知：雙筒吸糧嘴從大氣中補入氣流Q2，因大氣與吸糧嘴之間的壓力差較小，外筒與內筒之間環形風口處的補風氣流速度不高，補風氣流Q2一般位于糧堆負壓氣流Q1的上部，并從補風口沿內筒邊緣進入吸糧嘴。而氣流擾動吸糧嘴利用吸糧機所配置風機出風口的高壓氣流作為擾動氣流Q3。在外筒環形底部設置有多個噴風嘴，各噴風嘴風量之和為Q3，故擾動氣流Q3的壓力比大氣壓力大很多，從噴風嘴噴出氣流的風速為14～20 m/s，具有較高的動能，可穿透糧堆負壓氣流Q1，對吸糧區邊緣糧食產生擾動。由實踐經驗知：當吸糧區邊緣糧粒與糧堆負壓氣流Q1產生的吸力平衡而處于靜止狀態時，只需很小的外力擾動，就能將糧粒由靜止狀態變為運動狀態。所以，利用擾動氣流對吸糧區糧食擾動的吸糧嘴稱為氣流擾動吸糧嘴。通過調節Q3的大小，可以調節噴風嘴氣流的速度，從而調節擾動力的大小，實現吸糧機產量的調節。另外，Q3比Q1小很多，對吸糧嘴附近空氣與糧食的兩相流流場的擾動不大，有利于吸糧機濃度穩定，有利于吸糧機產量與工作穩定。

2.2 大彎頭分離器的設計

大彎頭分離器見圖4，料氣兩相流經伸縮管進入分離器。環形通道的曲率半徑較大，糧食在環形通道中運動時，與邊壁發生斜碰撞，碰撞力較小。另外，環形通道的斷面積逐漸增大，則兩相流速度逐漸減小，并將氣流的速度控制在8～10 m/s，有效地減小了碰撞力。在大彎頭分離器中，設計有一曲面淌料板，當兩相流經過分離器最高點后，兩相流的速度進一步降低，糧食沿淌料板向下流動，糧食在淌料板上的運動速度很小，糧粒間的碰撞、糧粒與淌料板間的碰撞均很小。所以，糧流的阻力小，噪音低。氣流的慣性比糧食的慣性小得多，較容易改變方向。所以，氣流從淌板的上部折轉，穿透下落的糧流，并帶走糧流中的雜質和灰塵。集塵室的斷面呈U型，中間設計有一隔板。氣流帶著雜質和粉塵進入集塵室后，先向下運動，隨后轉180°，向上進入排風口，氣流中的雜質和粗塵粒在重力和離心力的作用下，落入集塵室底部而被分離。所以，大彎頭分離器具有分離糧食、除塵等多項功能，且阻力小，糧食破碎少，噪音較低，可廣泛用于粒狀物料的分離。

1. 關風器 2. 集料斗 3. 淌料板 4. 環形通道 5. 料氣進口 6. 排風口 7. 集塵器

3 性能測試與結果分析

3.1 吸糧機性能試驗與測試

在福建沿海碼頭，分別采用雙筒吸嘴式吸糧機和氣流擾動式吸糧機進行小麥卸船對比試驗，其升運高度為20 m，測試結果見表1。

調節雙筒吸糧嘴外筒下端部補風口與內筒下端部進風口之間的高度H，可以調節大氣補入吸嘴空氣的阻力。當H值增大時，外筒補風口與內筒進風口之間的糧層增厚，阻力增大，補風量減小；反之，阻力減小，補風量增大；當H為負值時，補風進入吸嘴的阻力近似為零。

表1 雙筒吸嘴式吸糧機與氣流擾動式吸糧機的主要性能參數比較

氣流擾動吸糧嘴是在雙筒吸糧嘴的基礎上，將雙筒吸糧嘴外筒的上、下端封閉，并在外筒下端設置多個噴風嘴，利用回風軟管，將風機出風口的高壓氣流引回位于外筒上的回風軟管接口，使高壓氣流經噴風嘴噴入氣流擾動吸糧嘴的吸糧區，對吸糧區四周和吸糧區底部的糧食產生擾動，調節擾動氣流的流量，可以調節吸糧機的產量。

3.2 結果分析

雙筒吸糧嘴的補風氣流是大氣經外筒與內筒之間的環形空間吸入，在吸糧區與糧堆氣流混合，再與吸糧區的糧食產生能量傳遞，使吸糧區內的某些糧食顆粒產生加速度，并隨氣流一起進入吸糧嘴。外筒與內筒之間的補風口與內筒吸風口之間的糧層平均厚度為H。當H值較大時，補風氣流穿透糧層的阻力較大，補入的空氣量減少；反之，補入的空氣量增加。由表1可知：H值不宜過小或過大。當H值過小時，糧層對補風氣流的阻力過小，使補入的空氣直接進入內筒吸風口，未充分與來自糧堆的負壓氣流混合，未能攜帶糧食進入吸糧嘴，從而使吸糧機的產量下降。當H值過大時，糧層對補風氣流的阻力過大，從大氣補入的空氣量過小，使吸糧機的吸風量偏小，產量下降。另外，雙筒吸嘴吸糧機工作時，由于糧堆形狀和H值均不斷變化，使吸糧機兩相流的濃度值波動范圍增大，當濃度值變小時，吸糧機的阻力減小，風量增大，糧食在吸糧機內的速度增大，易產生糧粒損傷與噪聲；當濃度值增加速度過快時，吸糧機的阻力會急劇增加，導致吸糧機工作不穩定。

氣流擾動吸糧嘴的補風氣流是來自吸糧機的高壓風機，具有較高的壓力，可使經噴風嘴噴出的補風氣流速度達到14～20 m/s，可以對吸糧區四周和吸糧區底部的糧食產生擾動作用。擾動氣流對糧食顆粒的擾動作用，是吸糧機高壓風機對吸糧區糧食顆粒施加的外力，有助于氣流與糧粒之間的能量傳遞、糧粒加速、糧食穩定進入吸糧嘴，提高吸糧機產量。而擾動氣流量的大小，可以通過吸糧機的回風調節閥調節，有利于現場調節和實現智能控制。由表1可知：當擾動氣流流量在風機流量的11%～13%時，吸糧機產量最大。由噴嘴數量和噴嘴有效面積可知：當擾動氣流速度在16～18 m/s時，吸嘴的工作效果最好。

由表1還可知：雙筒吸糧嘴通過調節H值的大小來調節吸糧機的產量。而H值的變化與工作現場和糧堆狀況密切相關，使現場操控難度增大，且濃度波動范圍較大，吸糧機的工作狀況的穩定性不夠好，易產生糧食損傷、碰撞及噪聲。采用控制擾動氣流流量的方法調節吸糧機的產量，便于現場操作，技術和控制條件均較成熟，且濃度波動范圍較小，吸糧機的工作狀況較穩定，有利于提高吸糧機產量和減少糧食損傷。

4 結論

(1) 利用回風調節閥調節吸糧機高壓風機的回風量，可以調節吸糧機的產量。當擾動氣流量在風機風量的11%～13%時，吸糧機的產量最高，且風機的效率最高。

(2) 調節擾動氣流量來調節吸糧機工作狀況的方法有利于現場操作，且相關技術和控制條件較成熟，有利于吸糧機的推廣應用。當擾動氣流速度在16～18 m/s時，吸糧機產量及風機效率最高。

采用氣流擾動技術和氣流擾動吸糧嘴，有利于吸糧機提高產量、穩定工作，并具有節能、減少糧食損傷的優點。

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Design and analysis for key parts of pneumatic conveying of airflow disturbance

WANG Ji-huan1LIUQi-jue2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanHuaxiaUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430223,China; 2.SchoolofFoodScienceandEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan,Hubei430023,China)

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.08.020

國家重點科技成果轉化項目(編號：2012258)

王繼煥(1956—)，女，武漢華夏理工學院教授，碩士。 E-mail:362426977@qq.com

2017—04—05