掃地機吸送式稀相氣力輸送系統的計算

朱世開

（廈門永礪環保技術服務有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

掃地機是環衛設備之一，是以氣體為承載介質，利用氣力輸送方式吸拾路面垃圾、儲存垃圾和運輸垃圾的一體式路面清掃設備[1]。氣力輸送系統主要包括離心風機、過濾裝置、垃圾箱、輸送管道和吸嘴等，其中氣力輸送系統的風量、風壓大小直接影響掃地機的清掃性能以及清掃效率，風量、風壓的大小取決于離心風機的性能[2]。

掃地機主要作業于人行道、輔道、城市住宅區、公園道路等路面，這些場合具有垃圾量少、垃圾平均粒徑小、垃圾成分復雜以及垃圾分布不均等特點[3]。鑒于上述原因，掃地機氣力輸送系統采用吸送式稀相氣力輸送系統最適宜。

下面對掃地機氣力輸送系統的風量、壓力損失的計算方法進行研究。

1 掃地機吸送式稀相氣力輸送系統的應用

掃地機作業開始時，通過氣力輸送系統尾端的離心風機高速運轉抽取垃圾箱里的空氣，在整個垃圾箱內形成一定的負壓。空氣在大氣壓作用下通過吸嘴與地面接觸處的空隙進入垃圾箱，形成補充氣流，并將塵粒、路面垃圾帶入吸嘴，通過輸送管道輸送到垃圾箱內，以達到清除路面垃圾的目的。氣體攜帶垃圾經過輸送管道進入垃圾箱，空氣流經的有效截面突然加大，氣流速度降低。在氣流速度小于垃圾的懸浮速度后，氣流失去對垃圾的攜帶能力，垃圾在自身重力的作用下向下掉落到垃圾箱底層，空氣經過過濾設備后排入大氣。項目SD18掃地機氣力輸送系統結構如圖1所示。

圖1 掃地機SD18氣力輸送系統示意圖

為了有效地將路面垃圾帶入吸嘴，吸嘴與地面接觸空隙處的氣流速度必須大于垃圾的懸浮速度。而在輸送管道內，輸送氣流速度必須大于垃圾的安全輸送速度。輸送氣流速度過低，容易造成輸送管道堵塞，垃圾不能被吸拾到垃圾箱。輸送氣流速度過高，則會增大壓力損失、增加動力消耗，并增加管道和其余部件的磨損。一般吸送式稀相氣力輸送系統的安全輸送速度是輸送物料懸浮速度的1.2～3倍。

掃地機氣力輸送系統所提供的壓力是氣流與垃圾在輸送過程中所有壓力損失之和，包括氣流從吸嘴進氣口進入氣流、從離心風機出氣口排出系統的整個過程。掃地機中氣力輸送系統氣流路徑如下：吸嘴與地面接觸位置→吸嘴→輸送管道→垃圾箱→過濾裝置→離心風機進風口→離心風機→離心風機出風口→大氣。

2 掃地機吸送式稀相氣力輸送系統的計算

2.1 吸送式稀相氣力輸送系統流量計算

在氣力輸送系統中，根據垃圾的密度、平均粒徑計算輸送垃圾的懸浮速度，并根據經驗公式得出氣流安全輸送速度。結合路面的平均垃圾量、掃地機的清掃寬度以及清掃速度，計算吸送式稀相氣力輸送系統的空氣流量。

2.1.1 安全輸送速度的計算

掃地機氣力輸送系統輸送垃圾主要依靠空氣動力的作用，垃圾所受空氣動力的大小同空氣與垃圾的相對速度有關。如圖2所示，垃圾在不受限制的空間內，氣流以速度V從下而上流經垃圾。此時垃圾受到三個力的作用：一是垃圾本身的重力G，方向始終垂直向下；二是垃圾置身于空氣中，受到空氣對垃圾的浮力F浮，方向始終垂直向上；三是空氣動力F動，方向與空氣運動方向一致。當垂直作用在垃圾上的這三種力達到平衡時，垃圾就懸浮在某一高度，既不上升也不下降，此時的空氣速度即為輸送垃圾的懸浮速度V懸。如果氣流速度大于懸浮速度時，則垃圾會在合力的作用下上升。氣流速度越大，垃圾受到往上的合力越大，垃圾加速度越大，氣流吸拾垃圾的速度就越快，輸送也越快，如公式（1）～公式（3）所示。

圖2 懸浮受力圖

式中：G為物料重力，單位為N；F浮為物料在空氣中所受浮力，單位為N；F動為空氣對物料的空氣動力，單位為N；C為氣流阻力系數；d為垃圾當量直徑，單位為m；ρ氣為氣體密度，1.2kg/m3；V懸為不受限制的空間物料懸浮速度，單位為m/s；ρ物為物料密度，單位為kg/m3；阻力系數C是雷諾數Re的函數，理論上計算很復雜，在稀相氣力輸送系統中，阻力系數C可取值為0.38～0.4。

公式（3）計算出的懸浮速度是對不受限制的氣體空間來說的，但在實際的掃地機的氣力輸送系統中，垃圾的輸送主要是在輸送管道內進行。在受管壁條件限制的情況下，垃圾顆粒的懸浮速度比在不受限制的氣體空間內的速度小，考慮管壁的影響，一般采用的計算公式如公式（4）所示。

同時，管壁條件對阻力系數C也存在相當大的影響。根據相關資料，其關系式如公式（5）所示。

式中：C1為氣流在管壁條件下的阻力系數；V懸'為受管道限制的物料懸浮速度，單位為m/s；d為垃圾當量直徑，單位為m；D為管道直徑，單位為m。

根據項目掃地機SD18的使用情況，掃地機輸送管道預設直徑為大于150mm。同時，垃圾成分中最難吸拾的是碎石、沙粒等垃圾，設定碎石當量直徑為10mm，密度為2000kg/m3，計算得出懸浮速度（V懸'）為18.5m/s。

根據懸浮速度計算安全輸送速度，如公式（7）所示。

式中：V為安全輸送速度，單位為m/s；A為系數，1.2～3。

取安全輸送速度V=22.5m/s。

2.1.2 混合比的選擇

掃地機SD18采用負壓稀相氣力輸送系統吸送垃圾時，由于設備真空度的限制，低真空時料氣混合比一般控制在0.1～0.8。在掃地機SD18氣力輸送系統中，由于氣力輸送距離短、管路簡單并且d/D值小，因此選擇混合比m值取0.8，如公式（8）、公式（9）所示。

式中：m為料氣混合比，取值為0.8；Gs為物料輸送量，單位為kg/h；Ga為輸送所需空氣量，單位為kg/h；Qa為輸送空氣量，m3/h；ρ氣為氣體密度，1.2kg/m3。

物料輸送量Gs與掃地機的清掃寬度、路面平均垃圾量（kg/m2）及掃地機清掃速度有關。以掃地機SD18為例，清掃寬度為1.8m，清掃速度為5km/h，地面平均垃圾量為0.2kg/m2，則物料輸送量Gs為1800kg/h，空氣輸送量=1875m3/h。

2.1.3 管道直徑的選擇

根據氣流安全輸送速度以及氣流輸送量的多少，輸送管道內徑可通過公式（10）確定。

式中：D為輸送管道內徑，單位為m；Qa為輸送空氣量，m3/h；V為安全輸送速度，如公式（7）所示，單位為m/s。

計算得出D=0.172m。

對輸送管道直徑的最終確定應從兩方面綜合考慮，一是對氣流輸送量的確定，如公式（10）所示；二是取決于實際應用時需要通過的垃圾尺寸。最終確定輸送管道直徑D為180mm。

2.1.4 流量確定

根據掃地機SD18氣力輸送系統最終確定的安全輸送速度V、輸送管道直徑D，流量計算公式如公式（11）所示。

式中：Qa為輸送空氣量，單位為m3/h；D為輸送管道內徑，單位為m；V為安全輸送速度，單位為m/s。

計算得Qa=2060m3/h。由于掃地機氣力輸送系統在各連接處存在空氣外漏的可能以及路面垃圾分布不規律的特點，氣力輸送系統的風量計算必須考慮一定的安全系數，如公式（12）所示。

式中：Q為氣流輸送系統所需空氣量，單位為m3/h。

計算得Q=2165m3/h。最終的混合比m為0.69。

2.2 吸送式稀相氣力輸送系統壓力計算

根據掃地機SD18結構，氣力輸送系統的壓力損失主要由吸嘴進氣口壓力損失、輸送管道內加速物料壓力損失、輸送管道內正常輸送狀態下壓力損失、容積式分離器（垃圾箱）壓力損失、過濾裝置壓力損失以及離心風機進出風口壓力損失組成。

2.2.1 吸嘴進氣口壓力損失

吸嘴進氣口的壓力損失主要是將空氣從靜止狀態加速至一定的氣流速度進入吸嘴的壓力損失。在氣力輸送系統機構中，路面垃圾能被空氣帶動進入吸嘴，吸嘴與地面接觸處氣流速度必須大于垃圾懸浮速度，在這里，吸嘴處氣流速度以懸浮速度代替，如公式（13）所示。

式中：P1為進氣口壓力損失，單位為Pa；V懸'為受管道限制的物料懸浮速度，單位為m/s。

計算得P1=165Pa。

2.2.2 輸送管道內加速物料壓力損失

這部分的壓力損失主要是將吸嘴內被空氣帶動的垃圾加速到正常輸送狀態所產生的壓力損失，如公式（14）所示。

式中：P2為輸送管道內加速物料壓力損失，單位為Pa；對吸嘴結構，α取值為5～10；m為實際混合比，m=0.69；ρ氣為氣體密度，1.2kg/m3；V為物料安全輸送速度，單位為m/s。

計算得P2=1730Pa。

2.2.3 輸送管道內正常輸送狀態下壓力損失

這部分的壓力損失是輸送垃圾在氣流安全輸送速度輸送下的沿程壓力損失。引起的原因除了空氣與輸送管道的摩擦、氣流彼此之間的摩擦所形成的壓力損失外，還有垃圾在輸送管道中運動時的壓力損失，是垃圾與空氣、垃圾與輸送管道的摩擦以及垃圾彼此之間的摩擦和碰撞，與輸送管道的直徑、輸送管道內的風速、水平管道當量長度、輸送混合比等相關，如公式（15）所示。

式中：P3為輸送管道內正常輸送狀態下壓力損失，單位為Pa；β為主要與物料特性相關的系數，取0.45～0.55；m為實際混合比，m=0.69；λ為氣流的管道壁摩擦系數，取0.04；L為輸送管道當量水平長度，取2.5m；D為輸送管道內徑，單位為m；ρ氣為氣體密度，1.2kg/m3；V為安全輸送速度，單位為m/s。

計算得P3=220Pa。

2.2.4 容積式分離器（垃圾箱）壓力損失

容積式分離器利用容器的有效截面的突然擴大，使上升的氣流速度大大減小，進而失去對垃圾的攜帶能力，達到氣固兩相分離的效果，如公式（16）所示。

式中：P4為容積式分離器壓力損失，單位為Pa；Ψ為容積式分離器阻力系數，取3～6；ρ氣為氣體密度，1.2kg/m3；V為安全輸送速度，單位為m/s；m為實際混合比，m=0.69；k為經驗系數，取0.2～0.4。

計算得P4=1040Pa。

2.2.5 過濾裝置壓力損失

在SD18項目中，氣力輸送系統攜帶垃圾進入垃圾箱時，由噴霧降塵系統對垃圾進行噴淋降塵作業，同時設置過濾網板對大顆粒垃圾進行過濾，過濾風速為6m/s～8m/s。根據選用的過濾裝置種類和過濾風速，過濾裝置的壓力損失取值范圍為200Pa～1000Pa。取P5=400Pa。

2.2.6 離心風機壓力損失

根據離心風機風量、離心風機進氣口、出氣口的尺寸計算壓力損失。取P6=400Pa。

2.2.7 壓力計算

掃地機氣力輸送系統總壓力損失公式（17）所示。

式中：P為掃地機氣力輸送系統總壓力損失，單位為Pa。

計算得出P=3955Pa。由于氣力輸送系統各連接處存在漏風可能，氣力輸送系統的總壓力損失計算必須考慮一定的安全系數。P=1.05×3955=4155Pa。其中P為掃地機氣力輸送系統所需壓力，單位為Pa。

2.3 掃地機SD18參數計算結果

以掃地機SD18為例，清掃寬度為1.8m，清掃速度為5km/h，在平均垃圾量為0.2kg/m2、吸拾密度為2000kg/m3、垃圾粒徑為10mm時，氣力輸送系統中離心風機需要提供的風量為2165m3/h，風壓為4155Pa，根據計算得出的離心風機風量、風壓參數選擇合適的離心風機。

3 結語

該文通過對掃地機中的力氣輸送系統的分析，得出氣力輸送系統風量、風壓的計算方式，即掃地機離心風機的風量可按公式（6）～公式（11）確定，掃地機離心風機的風壓可按公式（17）確定，用來指導掃地機離心風機的選型及優化，進而提高掃地機的清掃性能以及清掃效率。