氣力輸運系統直管物料垃圾輸運規律研究*

楊 偉，魏建民，梁靜波，袁珊珊，張學民，錢華山，余芬芬

（1.天津生態城環保有限公司，天津 300467；2.機械科學研究總院，北京 100044；3.北京超算科技有限公司，北京 100083）

1 研究現狀

垃圾氣力輸送系統是指通過預先鋪好的管道系統，利用負壓技術，將生活垃圾輸送到中央垃圾收集站集中處理。國外一些國家使用氣力輸運系統輸送生活垃圾的普及率已經超過20%［1］，國內對垃圾氣力輸送系統的研究還不成熟，國外氣力輸送系統設備制造商提供的信息只在有限范圍。氣力輸送管道對垃圾輸送起著重要作用［2］。垃圾氣力輸送系統的主要組成部分是由直管、彎管、三通等組成的管路系統，流動形式主要是有垃圾負載的圓管內氣固兩相流動。測量試驗方法可以快速、準確地測量垃圾在氣力輸運管道內的輸送速度，但測量試驗僅局限于測量點，無法全面描述整個輸送管道系統內的流體流動狀態和管道內垃圾的運動狀態，由于固體垃圾在管道內輸運的理論研究尚不完善，因此仿真模型需要通過試驗測試進行校驗。目前國內關于垃圾在管道內運動狀態的理論研究尚少［1，3］，故筆者嘗試采用理論計算來進行直管內垃圾速度的研究，發現本研究的理論計算方法具有計算速度快、精確度高的優點，綜上所述，采用理論計算與試驗測量相結合可以更加全面地研究氣力輸送系統的運行規律。

2 試驗和理論計算方法

2.1 試驗測試數據采集系統

試驗測試的傳感器主要包括壓力傳感器和速度傳感器2類，通過電纜將傳感器信號輸入電腦進行采集。試驗數據采集系統主要硬件包括：反射型柱形光電開關、壓力變送器、差壓變送器、PLC控制器、模擬量輸入模塊、無線傳輸模塊、鋰電池、便攜式控制箱、筆記本電腦、信號電纜。試驗數據采集系統使用2套軟件分別為Step7及博圖Wincc（256點）。Step7主要完成下位機程序編制實現數據采集、無線通訊、定時通訊等功能，如圖1；Wincc主要完成上位機試驗工藝組態，具有試驗數據實時顯示、試驗數據存儲并打印等功能，如圖2。

圖1 試驗數據采集系統下位機軟件界面示意

圖2 風機前后壓力測量系統上位機軟件界面示意

2.2 直管內物料包速度理論計算方法

物料包在管道中所受的力主要為：氣動推力、重力、浮力［3］等，物料包對應的雷諾數為：

式中：ρ為空氣密度；μ為空氣粘度；dp為物料包的直徑，v為風速，vp為物料包的速度。

其中氣動推力FD的表達式為：

式中：A為物料包的迎風面積，當Rep＞250000時，系數CD=0.1。

物料包在管道中不斷經歷著加速和減速過程，物料包的加速主要依靠氣動推力（FD）來推動，物料包在管道內運動過程中會和管道碰撞和摩擦從而損失能量，降低速度。當不考慮阻力的影響時，FD計算公式如下：

式中：m為質量；a為物料包的加速度。

當物料包在管道內運行時，vt計算公式如下：

式中：vt為管道出口物料包速度；v0為管道進口物料包速度；l為管道長度。

如表1，通過大量的仿真試驗發現，Fluent在物料包貼近管道壁面時不能把碰撞和摩擦分別做處理，造成仿真中在重力作用下垃圾包離管壁很近時頻繁碰撞能量損失過大，當管道較長時，物料包能量幾乎全部損失，垃圾包速度減為0，這與實際物理現象不符，因此直管部分采用理論計算。

表1 2種不同工況下直管出口Fluent計算值和試驗值

3 試驗和理論計算結果對比討論

按照上述的理論計算方法編成計算程序，輸入2條管線a、b的不同管道風速、物料包直管進口速度和物料包參數（管線a的物料包體積有2.5、5、7、12 L，管線b的物料包體積有2.5、5，2管線的物料包密度有 400、600、800、1 000、1 200、1 600 kg/m3），物料包直管進口速度采用試驗值，通過Matlab軟件計算了2條管線a、b的177組不同工況下物料包出口速度理論值，限于篇幅，在表2～3中列舉了2條管線直管計算的部分結果。

表2 管線a 12 L物料包直管（160.1 m）試驗速度值與理論值比較（部分數據）

表3 管線b 2.5L物料包直管（19.2 m）試驗速度值與理論值比較（部分數據）

續表3

如表4所示，綜合所有結果，直管出口物料包速度理論計算值和試驗值的相對誤差中只有14組工況相對誤差超過±25%，92.09%的理論計算結果與試驗對比精度在75%以上，長度為160.1 m的直管出口的物料包速度理論計算和試驗值的相對誤差平均值為-0.27%，長度為19.2 m的直管出口的物料包速度理論計算和試驗值的相對誤差平均值為-11.29%，對應的修正系數為1.13，說明理論計算結果可靠，所以通過理論計算獲得物料包在直管中的速度變化是可行的。

表4 177組不同工況物料包速度理論計算和試驗值比較統計結果

由于物料包形狀不規則，當量半徑存在偏差，試驗測試的數據也存在誤差，物料包實際運動的路程和時間更長，導致理論計算值和試驗值相比出現偏差。綜合結果實際中對直管出口速度可采用修正系數1.13。

4 結論

通過實驗的方法對垃圾氣力輸運系統直管中的物料包速度進行了分析研究，對直管采用Matlab軟件進行理論計算，與試驗中177組不同工況的對比中只有14組工況相對誤差超過25%，92.09%的理論計算結果與試驗對比精度在75%以上，長度為160.1 m的直管出口的物料包速度理論計算和試驗值的平均誤差為-0.27%，長度為19.2 m的直管出口的物料包速度理論計算和試驗值的平均誤差為-11.29%，說明理論計算結果可靠，所以決定通過理論計算獲得物料包在直管中的速度變化。綜合2種直管的相對誤差平均值，實際中對理論計算獲得的直管出口速度可采用修正系數1.13。

［1］ 尤學一，張杰，趙珅.垃圾氣力管道輸運模擬［J］.土木建筑與環境工程，2010，32（6）：110-113.

［2］ 施至理.上海世博園垃圾氣力輸送管道壓力損失及阻力分析［J］.環境衛生工程，2011，19（2）：1-3.

［3］ 謝灼利，黎明，張政.水平管氣力輸送的數值模擬研究［J］.高?；瘜W工程學報，2006，20（3）：331-337.