真空物料輸送系統能耗對比研究

劉振偉，孫中圣

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

根據管道內的壓力狀態，氣力輸送的一般形式可分為正壓輸送與真空輸送兩種。與正壓輸送相比，真空輸送由于管道內為負壓且空氣在完成物料輸送之后才經由氣源機械排入大氣，降低了物料外逸、機油等雜質混入物料的概率，對輸送有毒、清潔度要求高的物料有著顯著的優越性[1]。但是真空輸送也存在著能耗高的問題，相同工況下，正壓輸送的能耗僅為真空輸送的51%。

目前，國內大多數企業在真空輸送系統中所采取的節能措施對于氣源機械選擇方面的認識和重視度不足[2]。傳統的真空物料輸送系統中，大多采用真空泵作為氣源機械，而SMC公司生產的ZH系列真空發生器應用了康達效應，使吸入流量與真空度大大提升，滿足物料輸送工作需求，也可應用于真空物料輸送系統。由于缺少真空泵和康達效應式真空發生器的對比研究，導致企業在兩種系統的選用問題上沒有明確的指標。

因此，本文分別基于真空泵和康達效應式真空發生器搭建了物料輸送能耗實驗平臺，并進行了不同工況下的能耗實驗，分析了兩種系統的能耗變化趨勢及其原因，最終推導出兩種系統基于能耗的選用判據。

1 真空物料輸送系統實驗平臺

為了進行不同工況下真空泵和康達效應式真空發生器的能耗對比實驗，自制了如圖1所示的實驗平臺，實現了物料輸送的自動化運行以及系統工作參數的采集記錄。兩種系統的供料裝置、分離過濾裝置以及輸料管道均采用了相同的結構[3]。其中，輸料管道采用PVC透明鋼絲軟管，可直接觀測到物料流動狀態，管道總長L=3m，內徑D=32mm，采用水平轉豎直向上布置，水平段長度l=0.5m，豎直段長度h=2.5m。

在實驗過程中，通過減壓閥與變頻器分別調節真空發生器供氣壓力和真空泵供電頻率，以模擬不同的工況。選用ZH20-X185型康達效應式真空發生器，供氣壓力由0.2MPa逐步調節至0.4MPa，對應耗氣量由500L/min逐步調節至800L/min，間隔10L/min。選用DPD040型渦旋真空泵，供電頻率由20Hz逐步調整至50Hz，間隔1Hz。

根據物料的中粒徑和松散堆積密度，可將物料分為PC1、PC2和PC3三類，不同類物料輸送時的流動狀態也不同[4]。PC1組中的物料(飛灰、水泥、石粉等)可以流暢而平穩地從稀相到流態化密相輸送；PC2組中的物料(塑料顆粒、大麥等)在管道內的流動狀態為稀相或不穩定區；PC3組中的物料(破碎煤片、鋯砂等)能夠以稀相輸送。為了模擬不同工況下的物料輸送，保證數據具有一定的代表性，從三類物料中各選一種進行實驗，如表1所示。

表1 實驗物料特性

2 實驗研究與結果分析

以往的研究表明，影響真空物料輸送系統能耗的因素眾多，包括輸料管道材料、輸送距離、管道布置等。而在本文中，主要目的在于探究真空泵和康達效應式真空發生器在不同工況下的能耗對比，以提出基于能耗的選用判據，為企業提供選型指導。因此在對比實驗中，僅考慮真空泵和康達效應式真空發生器本身特性對于能耗的影響，其余影響因素則作為定量進行研究。

2.1 輸送能力研究

研究兩種真空系統的能耗時，只有在抽氣能力相當的情況下才是合理的。對于真空物料輸送系統而言，抽氣性能直接影響著系統的輸送能力。圖2為兩種系統在不同真空泵供電頻率或真空發生器供氣壓力下的輸送能力對比，由該圖可確定兩種系統輸送能力相當時的工況，即兩種系統抽氣性能相當時的工況。

圖2 兩種系統輸送能力對比

對于同種物料，分別基于真空泵系統和真空發生器系統進行輸送時的輸送能力有著一定差距。這與真空泵和康達效應式真空發生器的流量特性差異有關，如表2所示。在相同的吸入流量下，真空泵所能達到的真空度更高；而真空發生器與真空泵相比，在較低的真空度下，可提供較高的空氣流量。當物料在管道內以稀相懸浮流輸送時，主要是依靠空氣的動壓進行輸送，因此空氣流量較高的真空發生器系統更有利于聚丙烯顆粒和蛭石粉末的輸送；而當物料以栓流輸送時，則主要依靠空氣的靜壓進行輸送，因此真空度更高的真空泵系統更有利于石英砂的輸送。

表2 流量特性對比

2.2 系統能耗研究

通常，以耗電量評價真空泵的能耗，以耗氣量評價真空發生器的能耗，兩者無法直接比較，因此需要引入氣動功率將真空發生器的耗氣量進行換算。根據定義，真空發生器的氣動功率可由式(1)進行計算[5]。

(1)

式中：P為氣動功率；pa為大氣壓力；Qa為壓縮空氣在大氣狀態下的體積流量；p為壓縮空氣的壓力。

在實驗過程中，根據圖2來調整兩種系統的供電頻率和供氣壓力使其在相近的輸送能力下工作，并采集真空泵實時功率、真空發生器供氣壓力和耗氣量等參數，對數據進行處理后得到圖3所示的能耗對比結果。

圖3 兩種系統的能耗對比

結合圖3中兩種系統的能耗對比以及三組物料在管道內的流動狀態分析，可知：

1)對于蛭石粉末和聚丙烯顆粒，真空發生器系統的能耗遠低于真空泵系統。其原因在于：這兩組物料在管道內的輸送形式均為懸浮流輸送，輸送單位質量物料消耗的風量較大，而真空發生器與真空泵相比，在相同功率下，能提供的風量更大，因此更有利于此類物料的輸送。

2)對于石英砂，當輸送能力較高(>86g/s)時，真空泵系統能耗更低；反之，真空發生器系統能耗更低。其原因在于：石英砂松散堆積密度大，在輸送過程中，為了克服本身的重力，對于系統的真空度要求更高，而真空泵系統相較于真空發生器系統而言，在相同功率下，真空度更高，完成輸送時間更短。與真空泵系統不同的是，當輸送能力較低時，由于真空發生器系統所能提供的空氣流量較大，物料在管道中將由沙丘狀栓流輸送逐漸轉化為稀相懸浮流輸送，而不會產生物料懸浮在管道中導致輸送時長大幅增加的現象，能耗也不會大幅增加。

2.3 能耗判據分析

為了解決目前企業在兩種系統的選用上沒有明確指標這一問題，在上述實驗結果的基礎上，基于兩種系統的功率特性推導了兩種系統選用的能耗判據。

圖4為兩種系統在同一工況下(輸送聚丙烯顆粒，輸送能力55g/s)工作的實時功率變化對比。在物料輸送過程中，真空泵的實時功率將隨著負載的變化而變化，由于真空泵啟動方式為變頻啟動，因此達到穩定狀態所需時間較長；而真空發生器的供氣壓力和耗氣量并不受負載變化的影響，因此真空發生器的實時功率保持不變。

圖4 兩種系統功率特性對比

由圖4可以看出，真空泵功率在經歷一段時間Δt后趨于穩定，記Δt時間內真空泵的平均功率為動態平均功率Pd，記真空泵穩定運行時的功率為穩定功率Pe，則真空泵系統單次輸送能耗E1的計算公式為

E1=[PdΔt+Pe(t-Δt)]/3 600

(2)

式中t為單次輸送所需的時間。而真空發生器的功率始終保持不變為Pc，則真空發生器系統單次輸送能耗E2的計算公式為

E2=Pct/3 600

(3)

令E1=E2，便可得到兩種系統能耗相同時的輸送時長t*的計算公式。

t*=(Pe-Pd)Δt/(Pe-Pc)

(4)

當系統輸送總質量為m的物料時，兩種系統能耗相同時的輸送能力G*便可通過下式進行計算。

G*=m/t*

(5)

當系統實際輸送能力G>G*時，采用真空泵系統更加節能；反之，當系統實際輸送能力G

根據式(5)可做出抽氣能力相當時兩種系統選用的判據圖，圖5給出了針對本次實驗物料的兩種系統選用的判據圖。圖中的G*曲線將平面分為兩部分，當系統實際輸送能力G在圖中處于曲線上方時，即G>G*時，使用真空泵系統能耗更低；當系統實際輸送能力G在圖中處于曲線下方時，即G

圖5 兩種系統選用的能耗判據圖

3 結語

本文分別基于真空泵和康達效應式真空發生器搭建了物料輸送系統實驗平臺，以聚丙烯顆粒、石英砂、蛭石粉末作為實驗物料，進行了不同工況下的能耗實驗，得到了兩種系統輸送能力相當時的能耗對比情況，并分析了兩種系統能耗變化的原因。

最終，基于兩種系統輸送物料時的功率特性推導出了兩種系統選用的能耗判據公式：當系統實際輸送能力G>G*時，采用真空泵系統更加節能；當系統實際輸送能力G