氣力輸運(yùn)系統(tǒng)直管物料垃圾輸運(yùn)規(guī)律研究*

楊 偉，魏建民，梁靜波，袁珊珊，張學(xué)民，錢華山，余芬芬

（1.天津生態(tài)城環(huán)保有限公司，天津 300467；2.機(jī)械科學(xué)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(xiàn)狀

垃圾氣力輸送系統(tǒng)是指通過預(yù)先鋪好的管道系統(tǒng)，利用負(fù)壓技術(shù)，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(yùn)系統(tǒng)輸送生活垃圾的普及率已經(jīng)超過20%［1］，國內(nèi)對垃圾氣力輸送系統(tǒng)的研究還不成熟，國外氣力輸送系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的主要組成部分是由直管、彎管、三通等組成的管路系統(tǒng)，流動形式主要是有垃圾負(fù)載的圓管內(nèi)氣固兩相流動。測量試驗(yàn)方法可以快速、準(zhǔn)確地測量垃圾在氣力輸運(yùn)管道內(nèi)的輸送速度，但測量試驗(yàn)僅局限于測量點(diǎn)，無法全面描述整個輸送管道系統(tǒng)內(nèi)的流體流動狀態(tài)和管道內(nèi)垃圾的運(yùn)動狀態(tài)，由于固體垃圾在管道內(nèi)輸運(yùn)的理論研究尚不完善，因此仿真模型需要通過試驗(yàn)測試進(jìn)行校驗(yàn)。目前國內(nèi)關(guān)于垃圾在管道內(nèi)運(yùn)動狀態(tài)的理論研究尚少［1，3］，故筆者嘗試采用理論計(jì)算來進(jìn)行直管內(nèi)垃圾速度的研究，發(fā)現(xiàn)本研究的理論計(jì)算方法具有計(jì)算速度快、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，綜上所述，采用理論計(jì)算與試驗(yàn)測量相結(jié)合可以更加全面地研究氣力輸送系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。

2 試驗(yàn)和理論計(jì)算方法

2.1 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)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(jìn)行采集。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要硬件包括：反射型柱形光電開關(guān)、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(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用2套軟件分別為Step7及博圖Wincc（256點(diǎn)）。Step7主要完成下位機(jī)程序編制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線通訊、定時通訊等功能，如圖1；Wincc主要完成上位機(jī)試驗(yàn)工藝組態(tài)，具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲并打印等功能，如圖2。

圖1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下位機(jī)軟件界面示意

圖2 風(fēng)機(jī)前后壓力測量系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面示意

2.2 直管內(nèi)物料包速度理論計(jì)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(yīng)的雷諾數(shù)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(fēng)速，vp為物料包的速度。

其中氣動推力FD的表達(dá)式為：

式中：A為物料包的迎風(fēng)面積，當(dāng)Rep＞250000時，系數(shù)CD=0.1。

物料包在管道中不斷經(jīng)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(nèi)運(yùn)動過程中會和管道碰撞和摩擦從而損失能量，降低速度。當(dāng)不考慮阻力的影響時，F(xiàn)D計(jì)算公式如下：

式中：m為質(zhì)量；a為物料包的加速度。

當(dāng)物料包在管道內(nèi)運(yùn)行時，vt計(jì)算公式如下：

式中：vt為管道出口物料包速度；v0為管道進(jìn)口物料包速度；l為管道長度。

如表1，通過大量的仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)luent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(dāng)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(shí)際物理現(xiàn)象不符，因此直管部分采用理論計(jì)算。

表1 2種不同工況下直管出口Fluent計(jì)算值和試驗(yàn)值

3 試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果對比討論

按照上述的理論計(jì)算方法編成計(jì)算程序，輸入2條管線a、b的不同管道風(fēng)速、物料包直管進(jìn)口速度和物料包參數(shù)（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(jìn)口速度采用試驗(yàn)值，通過Matlab軟件計(jì)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(jì)算的部分結(jié)果。

表2 管線a 12 L物料包直管（160.1 m）試驗(yàn)速度值與理論值比較（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

表3 管線b 2.5L物料包直管（19.2 m）試驗(yàn)速度值與理論值比較（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

續(xù)表3

如表4所示，綜合所有結(jié)果，直管出口物料包速度理論計(jì)算值和試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算和試驗(yàn)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(jì)算和試驗(yàn)值的相對誤差平均值為-11.29%，對應(yīng)的修正系數(shù)為1.13，說明理論計(jì)算結(jié)果可靠，所以通過理論計(jì)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(jì)算和試驗(yàn)值比較統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由于物料包形狀不規(guī)則，當(dāng)量半徑存在偏差，試驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)也存在誤差，物料包實(shí)際運(yùn)動的路程和時間更長，導(dǎo)致理論計(jì)算值和試驗(yàn)值相比出現(xiàn)偏差。綜合結(jié)果實(shí)際中對直管出口速度可采用修正系數(shù)1.13。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)的方法對垃圾氣力輸運(yùn)系統(tǒng)直管中的物料包速度進(jìn)行了分析研究，對直管采用Matlab軟件進(jìn)行理論計(jì)算，與試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算和試驗(yàn)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(jì)算和試驗(yàn)值的平均誤差為-11.29%，說明理論計(jì)算結(jié)果可靠，所以決定通過理論計(jì)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(shí)際中對理論計(jì)算獲得的直管出口速度可采用修正系數(shù)1.13。

［1］ 尤學(xué)一，張杰，趙珅.垃圾氣力管道輸運(yùn)模擬［J］.土木建筑與環(huán)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(huán)境衛(wèi)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(shù)值模擬研究［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2006，20（3）：331-337.