【文章內(nèi)容簡介】 氣力輸送裝置進(jìn)行對(duì)比，指出了氣力輸送裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并且針對(duì)糧食輸送機(jī)械所要求的性能等因素展開討論，指出糧食輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)及材料性能要求。通過吸糧機(jī)與泵車的比較指出泵車的一些特別之處，展望了糧機(jī)泵車的發(fā)展趨勢。第2章 糧食氣力輸送過程中的糧食破碎問題眾所周知，氣力輸送在糧食作物的出入倉過程中起著不可或缺的作用。但由于氣力輸送的特殊性質(zhì)，顆粒狀物料的破損是實(shí)際生產(chǎn)中所必須考慮的問題。首先，物料的破損必會(huì)產(chǎn)生細(xì)粉，這就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步處理細(xì)粉的問題；另外，破碎有可能會(huì)改變物料的物理甚至化學(xué)性質(zhì)從而最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。比如在糧食種子輸送中，如果破碎率過高就會(huì)影響種子的發(fā)芽率。小麥粉經(jīng)氣力輸送后破碎淀粉增加，而破碎的淀粉對(duì)小麥的烘焙及蒸煮品質(zhì)影響很大。對(duì)于一些易燃物料，輸送過程中產(chǎn)生的細(xì)粉過多，就會(huì)增加物料與空氣的接觸面積，細(xì)粉越多，這種物質(zhì)燃燒所需的能量就越少，從而更容易燃燒甚至爆炸，大大增加了生產(chǎn)過程的危險(xiǎn)性[11]。所以，如何控制所輸送物料的破碎率一直是研究者致力解決的問題。 單個(gè)物料顆粒球化模型分析： 對(duì)于單顆粒模型而言，影響破碎率的主要因素有： （1）物料顆粒速度； （2）物料顆粒粒徑； （3）物料顆粒形狀球行度； （4）物料顆粒密度； （5）彎管因素（彎曲角β，彎曲半徑R，彎頭數(shù)n）。 物料顆粒在管道中輸送時(shí)，粒子在輸料管斷面上的分布是不均勻的，并且各個(gè)粒子反復(fù)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)、摩擦和碰撞，其運(yùn)動(dòng)極為復(fù)雜，無法定量研究單個(gè)粒子的速度，僅能從理論上推知所有粒子的平均速度。管道中物料粒子的速度總是小于輸送氣流速度的。工程上采用下式進(jìn)行概算：對(duì)垂直管： （21）對(duì)水平管： （22） 對(duì)彎曲管 （23）式中： 彎曲角為處的粒子速度（m/s）。 彎管進(jìn)口處的粒子速度（m/s）。 彎管處管壁與粒子摩擦系數(shù)； 彎管的彎曲角。（1）垂直管內(nèi)懸浮速度[12] 垂直管中顆粒的懸浮機(jī)理比較簡單，氣力輸送之所以能輸送物料，主要是由于空氣動(dòng)力的作用，物料所受空氣動(dòng)力的大小與空氣和物料的相對(duì)速度有關(guān)，而物料在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接影響輸送效果。在懸浮輸送狀態(tài)下，垂直管道內(nèi)，自下而上通氣流，此時(shí)物料顆粒受兩種力作用：一種是顆粒自重和空氣浮重之差（WsWa），一種是空氣動(dòng)力Rs,要使顆粒懸浮，必須滿足浮重與空氣動(dòng)力相平衡的條件。顆粒首先在重力作用下自由下降，空氣阻力是隨著速度的增大而不斷增大，顆粒下降速度增至某一數(shù)值時(shí)，顆粒受到的阻力、重力、浮力之間將出現(xiàn)平衡，顆粒就以勻速向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)顆粒所具有的下降速度稱為沉降速度。如果氣流以等于物料顆粒沉降速度的速度向上運(yùn)動(dòng)，那么物料顆粒將處于某一水平面左右擺動(dòng)，不上不下，此時(shí)空氣流的速度稱為該顆粒的懸浮速度。沉降速度和懸浮速度雖然在意義上不同，但在數(shù)值上是相等的，將它們統(tǒng)稱為顆粒的臨界速度。對(duì)于直徑為ds(不規(guī)則物料取當(dāng)量直徑)的球形物料顆粒，在靜止空氣中的浮重（顆粒所受重力和浮力之差）為：圖21垂直管中物料懸浮狀態(tài) 即： （24） 式中： 物料粒子重度（N/m3）； 空氣重度（N/m3）。 當(dāng)懸浮速度以表示時(shí)，則物料顆粒所受到的靜止空氣的阻力為： （25）式中： Cf繞流阻力系數(shù)C的特殊值，粒子以等速度在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)。根據(jù)力平衡條件，則有： （2得 ： （27） 若以密度表示，因，則： （28） 因?yàn)樽枇ο禂?shù)C是雷諾數(shù)Re的函數(shù)， 其中和k是由決定的系數(shù)。也就是說，懸浮速度由繞流阻力系數(shù)C來確定，而C又由確定，但的大小又需由來解出，所以公式（28）上不能用來實(shí)際計(jì)算。工程上通常根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得出的雷諾數(shù)和繞流阻力系數(shù)C的關(guān)系曲線圖將其大致分為三個(gè)區(qū)域，如圖22所示。圖22 雷諾數(shù)Re與擾流阻力系數(shù)C的關(guān)系 三個(gè)區(qū)域分別為：?斯托克斯公式（粘性阻力區(qū)，） 當(dāng)顆粒體積較小時(shí)，速度較低，氣流易于從顆粒表面繞流過去，顆粒表面的附面層不會(huì)分離，此時(shí)物料受到的主要是粘性摩擦阻力。 斯托克斯通過簡化粘性流體運(yùn)動(dòng)微分方程后解出： （） （29）式中： ds物料粒子直徑； 流體動(dòng)力粘系數(shù)； 粒子懸浮速度； 空氣密度。將C值代入（28）得： （210） 上式即為計(jì)算層流狀態(tài)的粘性摩擦阻力區(qū)懸浮速度的斯托克斯公式。但該公式仍無法用于實(shí)際計(jì)算。因?yàn)樵摴降臈l件是，但未知，也就無法得知，進(jìn)而無法判定，但可以通過計(jì)算得出其適用的粒徑范圍。由 得： （211）（210）和（211）所得的懸浮速度相等，即： （212）得： （213）又，將g值代入得： （214） 上式即為適用于粘性摩擦阻力區(qū)的粒徑范圍公式，這樣就把用判定流態(tài)轉(zhuǎn)化為用粒徑范圍來判定流態(tài)。由于物料粒徑通過篩析測量易于確定，工程上一般采用粒徑法，即先確定輸送物料顆粒大小，然后選用相應(yīng)公式來計(jì)算。工程上輸送粉狀物料時(shí)（ds），如水泥、粘土粉、面粉、煤粉等，在氣力輸送計(jì)算中，一般只考慮粘性阻力，均用斯托克斯公式計(jì)算。綜上：斯托克斯區(qū)懸浮速度計(jì)算公式為：適用的粒徑范圍為：?阿連公式（過渡區(qū)，） 當(dāng)顆粒大于粉料體積時(shí)，且速度稍大一些，氣流在物料顆粒后部就會(huì)出現(xiàn)附面層分離，進(jìn)入過渡區(qū)。 阿連在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出下列公式 （215） 將C值代入（28）得： （216） 上式即為計(jì)算過渡區(qū)懸浮速度的阿連公式，（211）和（216）所得懸浮速度相等，即： （217）得： (218)又1≤Re≤500，將其代入上式，得： (219) 適用于輸送中顆粒物料（粒徑ds=~1mm）,如硅砂等，在氣力輸送計(jì)算中均按 阿連區(qū)處理?？刹捎霉剑?19）求懸浮速度vf。綜上，阿連區(qū)懸浮速度計(jì)算公式為：適用的粒徑范圍為： 需特別指出的是：由公式（214）和公式（219）可以看出，斯托克斯公式和阿連公式分界點(diǎn)處粒徑并不相等，也就是說兩區(qū)在適用粒徑上沒有連接。這主要是由于過渡區(qū)的繞流阻力系數(shù)實(shí)際上是一條非常復(fù)雜的曲線，在簡化區(qū)域時(shí)，只用來代表全部過渡區(qū)，必然會(huì)造成誤差。若想使兩區(qū)在適用粒徑上連接起來，則應(yīng)根據(jù)分界點(diǎn)處粒徑相等的條件來劃分雷諾數(shù)范圍。又（213）和（218）相等。則有： （220）由此式解出： （221） 這樣，實(shí)際的斯托克斯區(qū)為，阿連區(qū)為，因而斯托克斯區(qū)粒徑范圍為： （222）阿連區(qū)的粒徑范圍為： （223）這樣就把兩區(qū)連接了起來。從而使分區(qū)和應(yīng)用更加合理，在理論上也更加嚴(yán)格。3）牛頓公式（壓差阻力區(qū)，） （224）將C值代入（25）得： （225）上式即為計(jì)算壓差阻力區(qū)的懸浮速度的牛頓公式。顯然，公式（225）和公式（211）所得懸浮速度相等，即： （226）得： （227）將代入上式，則得： （228）輸送較大顆粒（粒徑ds=1mm以上）用（225）求懸浮速度。綜上，牛頓區(qū)的懸浮速度計(jì)算公式為:適用的粒徑范圍為：本次研究課題糧機(jī)泵車所輸送物料粒徑基本上都是1mm以上的大顆粒物料，所以均采用牛頓公式計(jì)算懸浮速度。（2）水平管中顆粒的懸浮機(jī)理 在水平管內(nèi)，對(duì)于不可忽略重量的農(nóng)作物顆粒，首先由于自身重力作用而下降至管底，其次，氣流對(duì)顆粒產(chǎn)生水平方向的推動(dòng)力。但從這兩個(gè)垂直方向的力來說，顆粒無法懸浮。但實(shí)際上水平管內(nèi)仍可以作懸浮輸送。這主要輸由于氣力輸送管道中氣體流速并非均勻分布，接近管壁的速度小，并且向管心逐漸增大，這種速度差使流場中存在大量旋渦。氣流的這種性質(zhì)及顆粒所處的位置等因素決定了顆?？梢詰腋?。可以做以下幾種分析: ?紊流時(shí)各點(diǎn)氣速不均。當(dāng)鉛直方向的速度分量對(duì)顆粒產(chǎn)生的氣動(dòng)力克服重力時(shí)顆粒即可懸浮。 ?處于管底的顆粒，由于氣流分布上部大下部小，由伯努力方程知上部受到的壓力小下部受到的壓力大，形成懸浮力。 ?由于氣速不均等因素引起顆粒旋轉(zhuǎn)，顆粒旋轉(zhuǎn)又引起周圍環(huán)流和氣流疊加，使上部氣流速度變大而壓力降低，下部氣流速度降低而壓力增大，結(jié)果使氣流對(duì)顆粒作用一個(gè)向上的升力，也就是所謂的Magnuse效應(yīng)升力。（3）影響懸浮速度的因素：?物料粒子粒徑和密度 由公式（28）知影響懸浮速度的因素有物料粒子的粒徑ds，物料粒子密度（輸送系統(tǒng)中氣流為空氣流，所以空氣密度為固定值）。?物料形狀上述對(duì)懸浮速度的推導(dǎo)公式前提是物料顆粒為規(guī)則球形。但一般氣力輸送中遇到的物料顆粒大多是不規(guī)則形狀，如采用上述公式計(jì)算懸浮速度必須把顆粒換算為當(dāng)量圓球，以當(dāng)量圓球直徑作為物料粒子直徑來計(jì)算懸浮速度。所謂當(dāng)量圓球直徑就是質(zhì)量與密度都與被研究物料顆粒相同的圓球直徑。當(dāng)量直徑按下式計(jì)算 （229）式中：當(dāng)量直徑（m）。 顆粒質(zhì)量（Kg）。物料密度（Kg/m3）。物料顆粒形狀對(duì)懸浮速度有極大影響，以球形顆粒懸浮速度為最大。各種不規(guī)則物料顆粒的懸浮速度較小，這是由于形狀不規(guī)則時(shí)阻力系數(shù)大，所以對(duì)于形狀不規(guī)則的物料顆粒懸浮速度還需用形狀修正系數(shù)來修正計(jì)算。 （230）式中： 不規(guī)則形狀顆粒懸浮速度（m/s）。 球形物料懸浮速度（m/s）。 形狀修正系數(shù)，見表21。 表21 實(shí)驗(yàn)測定計(jì)算的物體形狀系數(shù)K1 ?管壁對(duì)懸浮速度的影響 所有的輸送都是在管道中進(jìn)行，特別是對(duì)于輸送管道直徑相對(duì)于物料顆粒直徑來說不是很大的情況下，管壁對(duì)懸浮速度的影響是不可忽略的。氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，同樣會(huì)在管道內(nèi)壁上形成附面層，這就造成靠近管壁的流體流速臂管道中心流速明顯降低。同時(shí)物料顆粒與管壁也在不斷發(fā)生碰撞和摩擦，以上這些因素都會(huì)降低管壁的懸浮速度。考慮管壁影響的懸浮速度的一般公式為： （231）式中： 任意形狀顆粒的臨界速度（m/s）； 顆粒的當(dāng)量直徑（m）。 D 管道直徑（m）.此次研究輸送對(duì)象為小麥，粒徑約為2mm~4mm，輸送管徑為100mm,因此，管壁對(duì)懸浮速度的影響可以忽略不計(jì)。綜上：用管徑為100mm的輸送管輸送小麥，綜合考慮各因素后管中小麥顆粒的懸浮速度計(jì)算公式為： （232）式中： 小麥顆粒的當(dāng)量粒徑，通常為2mm~4mm。 形狀修正系數(shù)，.。 小麥密度，通常為650kg/m3~800kg/m3.。 空氣密度。代入數(shù)據(jù)，小麥懸浮速度： （233）(4)輸送氣流速度 輸送氣流速度，應(yīng)保證物料在管道中不堵塞，不致碎，引起的管道阻力損失較小為原則。也